La Receta Cósmica - nuclecu.unam.mxalberto/platicas/recetafac10.pdf · La Receta Cósmica Alberto Güijosa Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM [email protected] alberto

La Receta Cósmica

Alberto Güijosa

Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM

[email protected]

http://www.nucleares.unam.mx/~alberto

¿De qué está hecho nuestro universo?

La punta de un lápiz, por ejemplo:

Átomos 0.0000000001 m[Dalton; Einstein; Perrin;...]


Núcleo (+)

10-14 m[Rutherford]

Electrón (-) <10-18 m[Thomson]


Protones (+)

Neutrones

10-15 m[Prout; Chadwick]


Quarks arriba (+) Quarks abajo (-)

<10-18 m[Gell-Mann; Zweig]


Electrón <10-18 m

Quark arriba <10-18 m

Quark abajo <10-18 m

etc.

son partículas elementales

¡¡Todos los objetos a nuestro alrededor están hechos de solo 3 “ladrillos” básicos!!


Electrón <10-18 m

Quark arriba <10-18 m

Quark abajo <10-18 m

etc.

son partículas elementales

¿Qué `microscopios‟ usamos para estudiarlas?

Aceleradores de Partículas

• CERN (Suiza)

• Fermilab(E.U.A.)

• DESY (Alemania)

• SLAC (E.U.A.)

• BNL (E.U.A.)

• KEK (Japón)

• ...

27 km


• CERN (Suiza)


• DESY (Alemania)

• SLAC (E.U.A.)

• BNL (E.U.A.)

• KEK (Japón)

• ...


• CERN (Suiza)


• DESY (Alemania)

• SLAC (E.U.A.)

• BNL (E.U.A.)

• KEK (Japón)

• ...


Imagen tomada con una „cámara de burbujas‟:


Electrón Electrón

¡¡Las partículas elementales pueden aparecer y desaparecer!!

Electrón

Antielectrón

Fotografía real (en color falso) tomada en una ̀ cámara de burbujas‟

Las partículas de las que estamos hechos hoy

aparecieron hace 14,000 millones de años…

Están obligadas a seguir ciertas reglas básicas, así que no nos preocupemos: ¡no hay riesgo de que repentinamente desaparezcamos!

Están obligadas a seguir ciertas reglas básicas, así que no nos preocupemos: ¡no hay riesgo de

que repentinamente desaparezcamos!

Más Partículas Elementales

Por ejemplo: el muón (-) vive solo 10-6 seg

¿¿Dónde rayos encontramos muones??

Rayos Cósmicos

Protones

Muones

Rayos Cósmicos

Protones

Muones

Rayos Cósmicos

15 km

Protones

Muones

¡¡Viajar rápido le alarga a uno la vida!![Einstein]

A casi 300,000 km por segundo

¡Las partículas NO son pequeñas canicas!






X


¡¡¡Cada electrón pasa por las dos ranuras!!!


Estas son fotos reales del resultado:

[Tonomura y colaboradores (1989)], ver p.ej.http://physicsweb.org/articles/world/15/9/1/1/single-electron-image

¡¡Un electrón puede estar en más de un sitio a la vez!!

[Schrödinger; Heisenberg; Born; Dirac; Pauli; Jordan; Bohr; de Broglie; Feynman;...]

¿Qué diablos significa esto? ¿¿Acaso se parte el electrón en pedacitos??

NO: con nuestros detectores, encontramos siempre al electrón completo en algún lugar, nunca cachitos de electrón…





La idea es que, en general, el electrón NO tiene una posición definida…



… sino que está `indeciso‟ respecto a su posición (y otros de sus atributos)

Lo mejor que podemos hacer es dar la probabilidad de encontrarlo en cada sitio

5%

0%

27%

10%

1%



Este extraño comportamiento...¡es la base de la electrónica!

Este extraño comportamiento...¡es la base de la electrónica!

Fuerzas Fundamentales

Por ejemplo:

Electromagnética[Maxwell;Faraday]

Gravedad[Newton;Einstein]

Fuerzas a Nivel Microscópico

Fotón [Planck; Einstein]

Por ejemplo, repulsión entre 2 electrones:[Feynman; Schwinger; Tomonaga]











Contribuyen también procesos más complicados:[Feynman; Schwinger; Tomonaga]



Antielectrón (=Positrón)[Dirac; Anderson]

Por cada partícula existe una correspondiente antipartícula

Antielectrón (=Positrón)[Dirac; Anderson]

PET:Tomografía por Emisión de Positrones

Por cada partícula existe una correspondiente antipartícula




Etc.


Partículas „Virtuales‟Incluso un electrón aislado puede aventarse partículas y

antipartículas a sí mismo…

+ + + + …

¡¡Todas estas posibilidades ocurren al mismo tiempo!!

Partículas „Virtuales‟… de modo que cada electrón está siempre rodeado por

una nube de partículas y antipartículas „virtuales‟ que

aparecen y desaparecen:

Partículas „Virtuales‟… de modo que cada electrón está siempre rodeado por

una nube de partículas y antipartículas „virtuales‟ que

aparecen y desaparecen:

P.ej., para el “momento magnético” del electrón,

Partículas „Virtuales‟

Y el experimento dice: 1.00115965218590(0380)

Todo esto es completamente absurdo,

1 solo diagrama: 1

1000 diagramas: 1.00115965217586(8480)

la predicción teórica con

¡pero da predicciones en perfecto acuerdo

con los datos experimentales!

Partículas+ Mecánica Cuántica+ Relatividad Especial

Campo: propiedad que puede tomar un valor distinto en cada punto del espacio

= Teoría Cuántica de Campos

( , )x t

Un ejemplo: temperatura

Otro ejemplo: campo electromagnético

( , ), ( , )E x t B x t ( , ) ( , ), ( , )A x t x t A x t

[Faraday;Maxwell]

Intuitivamente, podemos visualizar a cada campo como una especie de “gelatina” que llena todo el espacio y es capaz de oscilar

Pero, ¿¿qué tienen que ver los campos con las partículas??

Partícula= ¡pequeña onda en un campo!

Partícula Campo

Existe un campo por cada tipo de partículas…

Partícula Campo

Electrones

Fotones Campo Electromagnético[Planck; Einstein]

etc.( , ) 0, ,3A x t

( , ) 1, ,4a x t a

Así que, según la física moderna,

¡¡nuestro universo está hecho de un

montón de “gelatinas” que llenan todo el espacio!!

Campo del Electrón [Dirac]

La teoría cuántica de campos específica que resume todo lo que sabemos con certeza hasta ahora sobre la receta cósmica tiene un nombre muy modesto…

Modelo Estándar12 ladrillos básicos de materia:

Electrón1, -1

Muón207, -1

Tauón3477, -1

Neutrino-e<0.000006,0

Neutrino-m<0.37, 0

Neutrino-t<36, 0

6 quarks[Gell-Mann; Zweig;

Richter; Ting;....]

6 leptones[Thomson;

Anderson;

Neddermeyer;...]

Arriba 5, 2/3

Encanto2400, 2/3

Cima340000,2/3

Abajo12, -1/3

Extraño205, -1/3

Fondo8300, -1/3

3 „generaciones‟

2 fuerzas básicas:

• Electromagnética: Fotón[Maxwell; Feynman; Schwinger; Tomonaga]

Modelo Estándar

fotón

electrónelectrón


• Débil: W+,W-,Z0

[Curie; Becquerel; Fermi]

Modelo Estándar2 fuerzas básicas:




Modelo Estándar

electrón

W-

muón

antineutrino e

neutrino m

2 fuerzas básicas:




Modelo Estándar

electrón

W-

antineutrino e

neutrino m

Los neutrinos solo interactúan con las demás partículasa través de la fuerza débil, lo que permite que

contínuamente nos estén atravesando no solo a nosotros, ¡sino incluso a la Tierra entera!

2 fuerzas básicas:




• Fuerte: 8 gluones[Gross, Wilczek; Politzer;...]

Modelo Estándar

Núcleo

Solo los quarks sienten la interacción fuerte

2 fuerzas básicas:





Modelo Estándar

gluón

quark arribaquark abajo

2 fuerzas básicas:





Modelo Estándar

Esta fuerza ¡se vuelve más intensa cuando los quarks

se alejan uno del otro!

Por eso generalmente solo vemos a los quarks “confinados” dentro de combinaciones cuya “carga

fuerte” total es igual a cero: protones, neutrones, etc.

2 fuerzas básicas:





Modelo Estándar

Electrodébil[Glashow; Salam;

Weinberg]

Interesantemente, si solo existieran estas 24 partículas (12 de materia + 12 de fuerzas), ninguna podría tener masa…

Pero 13 de ellas SÍ tienen masa, así que debe existir algún otro ingrediente en la receta: el bosón de Higgs

2 fuerzas básicas:

Modelo EstándarOrigen de la masa (y de la distinción entre

las fuerzas electromagnética y débil): el campo de Higgs

[Higgs; Englert,Brout; Nambu; Anderson]

Modelo EstándarOrigen de la masa: el campo de Higgs

[Higgs; Englert,Brout; Nambu; Anderson]

Partícula

ligera

Partícula

pesada

Las predicciones del Modelo Estándar (salvo el Higgs) han sido comprobadas con muy alta precisión en miles de experimentos

Pero al día de hoy, por varias razones estamos seguros de que el Modelo Estándar NO puede ser la última palabra…

En particular, ¡¡no describe a la gravedad!!

Para entender más, necesitamos nuevas teorías y nuevos experimentos…

¡¡ 1 solo ingrediente básico!!

Teoría de Cuerdas

¡Incluye a la gravedad!

Pero aún NO hay evidenciaexperimental que la apoye…

2010: LHC (CERN, Suiza/Francia)

2010: LHC (CERN, Suiza/Francia)

2010: LHC ¿Para Qué?

• Beneficios tecnológicos predecibles a corto y mediano plazo

(P.ej., la web se inventó en CERN en 1990; ahora se requerirá nueva tecnología Grid)

• Beneficios tecnológicos insospechados a largo plazo

(P.ej., la mecánica cuántica es la base de toda nuestra alta tecnología)

• Beneficios científicos: ¡¡queremos satisfacer nuestra curiosidad!!

• Higgs (origen de la masa de las partículas)

•¿Materia Oscura? (invisible, pero pesa)

•¿Supersimetría?(copias pirata de otro tipo)

•¿¿Cuerdas?? (¡1 solo ingrediente básico!)

•¿¿Dimensiones Adicionales??

•¿¿Micro-agujeros negros??

2010: LHC ¿Para Qué?

Rayos Cósmicos Ultraenergéticos: partículas

con una energía ¡hasta 30 millones de

veces más alta que en el LHC!

Observatorio Pierre Auger

La UNAM (y otras instituciones mexicanas)

participa(n) en estas actividades de punta

¡¡ Vivimos en un universo maravillosamente extraño!!

¡¡Muchas gracias por su atención, y suerte en sus carreras!!

Mi dirección: [email protected]

www.nucleares.unam.mx/~alberto

PDF para esta plática:www.nucleares.unam.mx/~alberto/platicas/recetafac10.pdf

Artículos de divulgación sobre partículas y cuerdas:www.nucleares.unam.mx/~alberto/articulos/recetacosmica.pdf

www.nucleares.unam.mx/~alberto/articulos/cuerdasybranas.pdf

Físicos de Altas Energías (teóricos y experimentales):Fac: Cortez, Martínez, PatiñoICN: Aguilar, Ayala, Bietenholz, Cuautle, D‟Olivo, García, Güijosa,

Medina-Tanco, Nellen, Paic, Sahu, Socolovsky, Urrutia, VergaraIF: Alfaro, Belmont, Besprosvany, De la Macorra, Erler, Menchaca,

A. Mondragón, M. Mondragón, Moreno, Toledo, Torres

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