Primera Parte
El Bosón de Higgs y la Frontera de la Física
El Largo Camino Hacia el Conocimiento
Huellas de pingüino?
2
El Largo Camino Hacia el Conocimiento
Huellas de pingüino?
Cantidad de pescado en el entorno?
3
El Largo Camino Hacia el Conocimiento
Huellas de pingüino?
Cantidad de pescado en el entorno?
Temperatura del agua del océano?
4
El Largo Camino Hacia el Conocimiento
Huellas de pingüino?
Cantidad de pescado en el entorno?
Temperatura del agua del océano?
Corrientes térmicas en el océano?
5
El Largo Camino Hacia el Conocimiento
Huellas de pingüino?
Cantidad de pescado en el entorno?
Temperatura del agua del océano?
Corrientes térmicas en el océano?
Masa de hielo en los cascos polares?
6
El Largo Camino Hacia el Conocimiento
Huellas de pingüino?
Cantidad de pescado en el entorno?
Temperatura del agua del océano?
Corrientes térmicas en el océano?
Masa de hielo en los cascos polares?
Cantidad de radiación recibida del Sol?
7
El Largo Camino Hacia el Conocimiento
Huellas de pingüino?
Cantidad de pescado en el entorno?
Temperatura del agua del océano?
Corrientes térmicas en el océano?
Masa de hielo en los cascos polares?
Cantidad de radiación recibida del Sol?
Cómo funciona el Sol?
8
El Largo Camino Hacia el Conocimiento
Huellas de pingüino?
Cantidad de pescado en el entorno?
Temperatura del agua del océano?
Corrientes térmicas en el océano?
Masa de hielo en los cascos polares?
Cantidad de radiación recibida del Sol?
Cómo funciona el Sol?
Por qué la fuerza nuclear débil es de tan corto alcance?
9
El Largo Camino Hacia el Conocimiento
Huellas de pingüino?
Cantidad de pescado en el entorno?
Temperatura del agua del océano?
Corrientes térmicas en el océano?
Masa de hielo en los cascos polares?
Cantidad de radiación recibida del Sol?
Cómo funciona el Sol?
Por qué la fuerza nuclear débil es de
tan corto alcance?
Cuál es el orígen de la masa de las
partículas elementales?
10
El Largo Camino Hacia el Conocimiento
Huellas de pingüino?
SÍ
11
Qué es la Masa?
• El concepto de masa surge de la confluencia de dos leyes:
• Gravitación Universal de Newton: dos cuerpos se atraen gravitatoriamente de manera proporcional a sus masas respectivas
• 2a Ley de Newton: la fuerza necesaria para
acelerar un cuerpo es proporcional a su masa
F=ma
• Más adelante Einstein introdujo la famosa ley de equivalencia entre masa y energía:
Energía en reposo = masa × (velocidad de la luz)2
Tierra
Sol
12
Vivimos en un Universo Oscuro
• En las últimas dos décadas estudios cosmológicos han demostrado que la materia ordinaria solo contribuye un 5% de la masa del universo.
Energía
oscura
68%
Materia
oscura
27%
Materia
ordinaria
5%
• Materia oscura: una forma exótica de materia que juega un papel fundamental en la formación y evolución de las galaxias, así como en las estructuras a gran escala en el universo.
Galaxia típica
13
Vivimos en un Universo Oscuro
• En las últimas dos décadas estudios cosmológicos han demostrado que la materia ordinaria solo contribuye un 5% de la masa del universo.
Energía
oscura
68%
Materia
oscura
27%
Materia
ordinaria
5%
• Materia oscura: una forma exótica de materia que juega un papel fundamental en la formación y evolución de las galaxias, así como en las estructuras a gran escala en el universo.
Halo de materia oscura
Galaxia típica
14
Vivimos en un Universo Oscuro
• En las últimas dos décadas estudios cosmológicos han demostrado que la materia ordinaria solo contribuye un 5% de la masa del universo.
Energía
oscura
68%
Materia
oscura
27%
Materia
ordinaria
5%
Simulación por ordenador
Cúmulos de galaxias
en una telaraña de
matera oscura
Galaxia típica 15
Vivimos en un Universo Oscuro
• En las últimas dos décadas estudios cosmológicos han demostrado que la materia ordinaria solo contribuye un 5% de la masa del universo.
Energía
oscura
68%
Materia
oscura
27%
Materia
ordinaria
5%
• Energía oscura: una forma exótica de energía que permea el universo y ejerce una fuerza gravitatoria negativa que acelera su expansión.
Energia oscura
domina
Materia oscura
domina
16
Vivimos en un Universo Oscuro
• En las últimas dos décadas estudios cosmológicos han demostrado que la materia ordinaria solo contribuye un 5% de la masa del universo.
Energía
oscura
68%
Materia
oscura
27%
Materia
ordinaria
5%
• Energía oscura: una forma exótica de energía que permea el universo y ejerce una fuerza gravitatoria negativa que acelera su expansión.
Energia oscura
domina
Materia oscura
domina
Nos centraremos en el 5%,
que podemos estudiar más
fácilmente.
17
La Materia Ordinaria
Materia Átomo
Demócrito (460 al 370 a. C.)
"Los principios de todas las cosas son los átomos y el vacuo; todo lo demás es dudoso y opinable."
• La materia ordinaria está constituida de atomos.
Tabla Periodica de los Elementos
• Las sustancias compuestas de un sólo tipo de átomo (elementos) tienen diferentes propiedades químicas.
Mendeleiev (1867) 18
El Átomo
Materia
Átomo
Electrón
Núcleo
10-10 m 10-14 m
• Está formado de un nucleo denso
(carga eléctrica positiva) y capas de
He
electrones (carga eléctrica negativa).
• Sólo dos electrones por capa están
permitidos. Los elementos con capas
completas son más estables.
Ejemplo: helio (He)
Thomson (1897)
Rutherford (1911)
El Átomo
Materia
Átomo
Electrón
Núcleo
10-10 m
• Está formado de un nucleo denso
(carga eléctrica positiva) y capas de
He
electrones (carga eléctrica negativa).
• Sólo dos electrones por capa están
permitidos. Los elementos con capas
completas son más estables.
Ejemplo: helio (He)
• El entendimiento del átomo requiso la introducción de la Mecánica Cuántica
De Broglie (1929)
“Las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa”
Bohr (1913)
El Núcleo Atómico
Materia
Átomo
Electrón
Protón
Núcleo Neutrón
10-10 m 10-14 m 10-15 m
• Está formado por protones (carga eléctrica positiva) y neutrones (sin carga eléctrica).
• La cantidad de protones en el núcleo determina el elemento químico al que pertenece.
• Protones y neutrones se mantienen unidos por una interacción mucho más fuerte que la repulsión eléctrica entre los protones.
He
Chadwick (1932) Yukawa (1949)
Quarks y Leptones, el Último Nivel?
Materia
Átomo
Electrón
Protón
Quarks
?
Núcleo Neutrón
10-10 m 10-14 m 10-15 m <10-18 m
• Protones y neutrones están formados por tres quarks de dos tipos diferentes. Otras partículas (mesones) están formadas for un quark y un antiquark.
• En materiales radiactivos el neutrón se
desintegra en un protón, un electrón y
Gell-Mann
Zweig
una nueva partícula que interacciona
(1964)
muy débilmente con la materia:
Neutrón
Protón
el neutrino.
• El electrón y el neutrino son “leptones”.
22
Las Partículas Elementales
• Sin estructura interna, sin
Forman la materia ordinaria
Fermiones
dimensiones (como un punto
geométrico).
• Se rigen por la leyes de la Relatividad Especial y la Mecánica Cuántica.
• Tienen pocos atributos: masa, carga eléctrica (y de otros tipos), spín,…
Fermiones: spin ½
è partículas de materia
Bosones: spin 1
è partículas de fuerza
23
Las Partículas Elementales
• Sin embargo, la Naturaleza ha decidido repetirse en tres generaciones de fermiones, cada vez más masivos!
Todavia no sabemos por qué…
• Los fermiones de la 2a y 3a generación fueron descubiertos en colisiones de partículas (rayos cósmicos o aceleradores).
Fermiones
protón
24
masa 24
Las Partículas Elementales
• Toda partícula tiene su antipartícula con las misma masa y cargas opuestas (= antimateria)
• Poco después del Big Bang tuvo que existir la misma cantidad de materia y antimateria. Pero cuando materia y antimateria se encuentran, se aniquilan mutuamente en pura energía.
Hoy en día la antimateria se produce en colisiones de partículas (en rayos cósmicos y aceleradores).
Somos incluso capaces de crear y estudiar “anti-atomos” simples!
Qué le ha pasado a la antimateria?
25
Las Fuerzas Fundamentales
Gravedad Nuclear Débil Electromagnética Nuclear Fuerte
Magnitud~10-38 Magnitud~10-11 Magnitud=1 Magnitud~100
• A la energías accesibles actualmente, la atracción gravitatoria entre partículas elementales es tan débil que se puede ignorar.
• Es una afortunada circunstancia dado que construir una teoria cuántica incorporando la gravedad es extremadamente difícil!
26
Las Interacciones: Electromagnética
• Presente en toda nuestra
química y tecnología.
• A nivel subatómico se reduce al intercambio de fotones entre partículas con carga eléctrica.
• Interacción atractiva/repulsiva
de alcance infinito (el fotón no
tiene masa).
Nube de partículas
virtuales
e-
e-
e-
γ
e-
Todas las partículas continuamente
emiten y reabsorben partículas de fuerza
(“partículas virtuales”)
27
Las Interacciones: Nuclear Débil
• Presente en desintegraciones radiactivas, en la fusión nuclear en las estrellas, etc.
• A nivel subatómico se reduce al intercambio de bosones W/Z.
• Interacción de muy corto alcance (subatómico) debido a la alta masa de los bosones W/Z.
91 veces la masa del protón!
80 veces la masa del protón!
28
Las Interacciones: Nuclear Fuerte
• Confina los quarks dentro de los hadrones. Garantiza la estabilidad del núcleo atómico (es un efecto residual).
• A nivel subatómico se reduce al intercambio de gluones
(hay 8 de ellos).
• Interacción atractiva de muy corto alcance (nuclear) a pesar de que los gluones no tienen masa.
La energía acumulada es tan grande que es responsable del 98% de la masa de los hadrones y por tanto de la masa del materia ordinaria!
Entonces, por qué es importante que las
partículas elementales tenga masa?
29
Hacia una Unificación de las Fuerzas
Tiempo después
del Big Bang
Superfuerza
Temperatura del
Energía de
universo
la partícula
La unificación de estas dos
fuerzas se ha observado!
Gravedad
Nuclear debil
Electromagnetica
Nuclear fuerte
( = hoy)
30
El Modelo Estándar
• Predice con exquisita precisión las interacciones entre partículas.
Una teoría elegante
Fermiones Bosones
31
El Modelo Estándar
• Sin embargo la consistencia matemática del modelo requiere partículas sin masa, en contradicción con la observación!
Tabla Periódica de los Elementos
32
El Modelo Estándar
• Sin embargo la consistencia matemática del modelo requiere partículas sin masa, en contradicción con la observación!
Tabla Periódica de los Elementos
Quark bottom
33
El Modelo Estándar
• Sin embargo la consistencia matemática del modelo requiere partículas sin masa, en contradicción con la observación!
Tabla Periódica de los Elementos
Quark top
34
El Modelo Estándar
• Sin embargo la consistencia matemática del modelo requiere partículas sin masa, en contradicción con la observación!
Tabla Periódica de los Elementos
Bosón W Bosón Z
35
El Modelo Estándar
• Sin embargo la consistencia matemática del modelo requiere partículas sin masa, en contradicción con la observación!
36