Partículas elementais e a orixe do Universo

1. Ciencias para o Mundo Contemporáneo Partículas elementais e a orixe do Universo Jaime Álvarez Muñiz e Carlos Pajares Vales - Depto. Física de Partículas, USC

2. Dúas preguntas fundamentais: ¿De qué está feito o mundo que nos rodea? ¿Cómo se mantén unido?

3. ¿De qué está feita a materia ? Collamos un trozo de materia, por exemplo… CHOCOLATE 1 1/2 1/22 1/23 1/24 1/25 1/26 1/27 1/28 1/29 16384 trociños 1/210 1/211 1/212 1/213 1/214 Se facemos esto mismo otras 70 veces !! chegaremos a conseguir UN ÁTOMO.

4. O átomo pódese dividir ! Helio (He) Neon (Ne) Todos os átomos teñen un núcleo con carga positiva, e electróns con carga negativa orbitando ó seu arredor.

5. Evidenciade subestructura no átomo Partículas alpha (carga positiva) (Rutherford 1911) 1 Angström =10-10 m Pero… ¿e o núcleo?, ¿es indivisible ?

6. O núcleo se pode dividir ! O núcleo atómico contén protóns de carga positiva e neutróns sen carga. 10-14 m Pero… ¿e os protóns e neutróns?, ¿son indivisibles ?

7. u u u d d d Pois non…os protóns e neutróns tamén se poden dividir ! Neutrón 1 fermi = 10-15 m Neutróns e protóns conteñen “quarks” up e down Protón Pero… ¿e os quarks?, ¿tamén se poden dividir?

8. u d d Pero… ¿e os quarks?, ¿tamén se poden dividir? ? Non hai evidencia experimental <10-18m Hai evidencia experimental de que non… ¿E os electróns?, ¿se poden dividir?

9. Átomo Electrón Protón Neutrón Quarks En resumo… ÁTOMO ~ 10-10 m NÚCLEO ~ 10-14 m QUARKS NUCLEÓN ~ 10-15 m …hoxe sabemos que a materia está feita de átomos, osátomosestán feitos deprotóns, neutróns e electróns, os protóns e neutrónsestán feitos dequarks e éstos, a súa vez, ó igual que os electróns, pode (ou non) que estean feitos de partículas incluso MÁIS elementais...

10. Outra partícula elemental: o fotón O efecto fotoeléctrico: Un raio de “luz” pode arrancar electróns da materia porque a “luz” está formada por partículas chamadas fotóns Einstein (1905) Luz incidente Electróns arrancados

11. Ademáis da materia existe a antimateria = + E = mc2 Liberan una enerxía equivalente á da explosión dunha bomba atómica 1 gramo de antimateria 1 gramo de materia

12. A antimateria prodúcese en aceleradores de partículas… mais non hai perigo !! Se collemos toda a antimateria producida nos aceleradores nun ano e a desintegramos contra materia, a enerxía liberada só chegaría para quentar unha taza de café

13. ¿Qué mantén unida á materia? Existen 4 forzas fundamentais na Naturaleza: Gravitatoria Electromagnética Forte Feble As interaccións entre partículas se producen por intercambio de outras partículas elementais.

14. Experimentos en Física de Partículas

15. Dous pasos básicos 1ª Atopar unha fonte de partículas, aceleralas ata que alcancen grandes enerxías e facelas chocar entre elas ou contra un branco. 2ª Estudiar as novas partículas resultantes desas colisións en detectores e extraer conclusións acerca do interior da materia.

16. É como nunha radiografía… Bombardeamos partículas (fotóns = raios X) contra un branco (o corpo humano) e do que observamos no detector (a radiografía) sacamos conclusións acerca do que hai no interior…

17. Exemplo dun acelerador de partículas: a TV ! Un acelerador de partículas na miña propia casa ! No tubo dunha TV aceléranse electróns que ó chocar contra a pantalla da TV producen a imaxe que vemos.

18. Aceleradores de partículas no mundo 3.2 km SLAC (EEUU)

19. O CERN (Suiza) 27 km de circunferencia !!

20. CERN: Centre Europeene pour la Recherche Nucleaire LHC Large Hadron Collider (2008 - ) 100 m

21. Colisóns protón-protón no acelerador LHC http://cdsweb.cern.ch/record/1125472

22. Exemplo dun detector de partículas Detector ALICE no acelerador LHC do CERN

23. A orixe do Universo

24. O descubrimento de Hubble No ano 1929 o astrónomo estadounidense Edwin Hubble fixo un dos descubrimentos máis importantes do século XX Hubble observou que as galaxias no ceo non estaban quietas, polo contrario se moven e de feito aléxanse unhas das outras !!

25. A expansión do Universo As galaxias se alexan unhas das outras porque o Universo se está expandindo a medida que o tempo pasa, e arrastra ás galaxias consigo na súa expansión. Imaxina un globo no que pintamos puntos que representan as galaxias e o inflamos

26. O “Big Bang” Se vamos hacia atrás no tempo, no pasado as galaxias estiveron máis xuntas, e o Universo era máis pequeno. Chegaríamos así a un instante no tempo no que toda a masa, a enerxía, e o espacio do Universo están concentrados nun punto de densidade enorme… a orixe do Universo, o Big Bang ou Gran Explosión. É debido ó Big Bang que o Universo está todavía expandíndose. Tempo Big Bang O Big Bang ocorreu fai ~ 13.700 millóns de anos !!

27. A historia do Universo • O Big Bang é o comezo do espacio e o tempo, antes non había nin espacio, nin sequera ten sentido falar dun “antes”… • A temperatura é a densidade de enerxía eran enormes. A medida que se expande o Universo vaise enfriando.

28. A historia do Universo

29. A historia do Universo • A enerxía convértese en materia en virtude da ecuación de Einstein E=mc2 • Deste xeito aparecen primeiro as partículas elementais, que despois se agruparían formando átomos, que a súa vez forman estrelas, planetas, e finalmente aparece a vida.

30. A historia do Universo

31. A historia do Universo • A vida evoluciona e aparece o ser humano. A súa intelixencia lle leva a preguntarse pola orixe do Universo…

32. A orixe do Universo e a Física de Partículas • Os físicos de partículas crean mini-Big Bangs nos aceleradores, reproducindo as condicións de extrema densidade e temperatura do Universo fai miles de millóns de anos… http://hands-on-cern.physto.se/ani/acc_lhc_atlas/lhc_atlas.swf