scienza per tutti (2005)

1. scienza per tutti (2005) Del Micromundo al Macromundo y vuelta

2. Del Micromundo al Macromundo Universo Plasma Quark-Gluón Átomos Nucleones Núcleos Big Bang 10 –6 sec 10 –4 sec 3 min 15 billones de años Experimento La historia del micromundo y el macromundo confluyen

3. El micromundo y el macromundo • Para estudiar la materia que hay en nuestro Universo, hay tres preguntas que son claves: • ¿cómo está organizada la materia? • ¿cómo ha llegado a ser lo que es? • ¿cómo evolucionará? • Veremos en esta tarea, cómo a medida que nos adentramos en el mundo de lo muy pequeño, nos vamos acercando cada vez más al Universo en sus primeros momentos. • Y cómo el estudio del Universo primitivo nos ayuda a entender el micromundo. • El micromundo y el macromundo hay un momento en que confluyen.

4. El estudio del firmamento • Desde muy antiguo el hombre se interesó por los objetos del firmamento. • El Sistema Solar y las estrellas fueron estudiados por las antiguas civilizaciones. • Las constelaciones fueron catalogadas hace bastantes siglos y modelos para nuestro sistema Solar fueron propuestos ya antes de nuestra era.

5. Técnicas de observación • Con métodos de observación primarios e ingeniosos, se establecieron las bases de nuestro conocimiento • Las astronomías chinas, babilónica y occidental, conocieron un grado de desarrollo elevado. Ya en esas épocas tomaron el nombre muchas de las constelaciones. Observatorio de Stonehenge Constelaciones de Canis Maior y Orión

6. El Sistema solar • El Sistema Solar fue objeto de estudio desde el principio. • Aristarco de Samos (320-230 a.C) propuso un modelo heliocéntrico, estando el Sol en el centro. • Ptolomeo de Alejandría situó en cambio a la Tierra en el centro del Sistema Solar y propuso para explicar los movimientos de los planetas, la teoría de los epiciclos. Aristarco de S. Ptolomeo de A.

7. El Sistema Solar • La llegada del telescopio proporciona medidas de mayor precisión de los movimientos de los planetas. • Galileo propone de nuevo el modelo heliocéntrico para el Sistema Solar • Tycho Brahe hace observaciones muy precisas y Kepler, establece leyes para explicarlas. 2ª ley de Kepler

8. Astronomía y Astrofísica • La incorporación de las leyes físicas a la Astronomía dio lugar a la Astrofísica. • Con Newton se inició la explicación del por qué de las observaciones y se llevó a cabo una primera síntesis en nuestro conocimiento del Universo Newton Galileo y Newton describen las leyes del movimiento: Newton propuso la ecuación: F= ma y la interacción gravitatoria la explicó con fórmula: F=kmm´/r2

9. Astrofísica • El mejor conocimiento de la luz, con la síntesis realizada por Maxwell, y el posterior descubrimiento de las ondas electromagnéticas, junto con el desarrollo de la Termodinámica, permitió mejorar la comprensión de los sistemas estelares: su temperatura, composición, distancia, etc. J. Maxwell. Onda electromagnética

10. El estudio del Universo se amplía • La perfección lograda en el desarrollo del telescopio, permitió abrir el campo de estudio más allá de nuestra galaxia: • Se explora el Universo en todas las longitudes de onda. • Y además, e lanzan sondas al espacio exterior Telescopio de Monte Wilson Radiotelescopio

11. Nueva visión del universo • Los nuevos observatorios, permitieron a Huble descubrir un Universo de galaxias completamente desconocido. • Además se observó que el Universo se expande • Penzias y Wilson descubrieron la radiación de fondo de microondas. Galaxias E. Huble

12. La teoría del Big-Bang • La expansión observada del Universo y la radiación de fondo de Microondas fueron las bases de las teorías del Big-Bang. • Einstein propone una ecuación para la evolución del universo, acorde con su teoría de la relatividad general: • Curvatura geométrica espacio-tiempo = G x densidad másica espacio-tiempo

13. La Astrofísica nuclear • La simbiosis entre las leyes de la Física y la Astronomía se vuelve cada vez más fructífera. • Posteriormente, la llegada de la Física Nuclear, permite a la Astrofísica desarrollarse de modo pleno y se comprende mucho mejor la producción de energía en las estrellas. • Se describen los estadios evolutivos de las estrellas en relación con los procesos nucleares que tiene lugar en ellas.

14. Astrofísica (resumen) • Gravitación (NEWTON) • Electromagnetismo (MAXWELL) • Física Nuclear (H. BETHE)

15. Astrofísica del más allá • La exploración del universo con sondas lanzadas al espacio exterior y telescopios de diversas longitudes de onda, amplió el horizonte de nuestras observaciones. • Se llegó mucho más cerca de los orígenes de nuestro Universo, en el tiempo y en el espacio. Telescopio espacial Huble

16. Modelo estándar del universo • Se establece el Modelo Estándar del Universo, a partir del Big-Bang, con las siguientes bases experimentales: • Las cantidades de Deuterio y Helio sintetizadas en la fase inicial del Universo • La expansión de las Galaxias • La radiación de fondo de microondas. Evolución del Universo a partir del Big-Bang

17. Evolución del Universo • La sonda COBE manifiesta cómo, a pesar de que el Universo, es homogéneo e isótropo, en muy pequeñas proporciones, 1 en 100.000, presenta unas inhomogeneidades que pueden muy bien explicar el origen de las diversas estructuras que observamos. Cosmic Background Explorer Fluctuaciones detectadas por el COBE

18. Enigmas en el Universo • Actualmente no se comprende por qué se observa menos materia de la que se detecta, según los efectos gravitatorios. Se habla por ello de materia oscura. • Parece que el Universo se está expandiendo pero de modo acelerado, según observaciones del movimiento de alguna supernovas. Se habla de una energía oscura, cuyo contenido no se comprende.

19. Cuestiones pendientes • Según nuestro conocimiento acual se sabe la composición de un 5% de la materia del Universo. Pero se ignora la naturaleza del resto, la materia y la energía oscura. • No sabemos cómo fué el Universo en los primeros momentos? ¿por qué en el Universo hay materia en lugar de antimateria? • ¿Hubo un período de expansión acelerada o inflación? ¿Cómo evolucionará el Universo en el futuro? ¿seguirá expandiéndose?

20. Astrofísica de las partículas • La Astrofísica cercana al Big-Bang enlaza con la Física de las Partículas elementales o Física de Altas Energías. Para comprender cómo fue estado inicial del universo necesitamos conocer la estructura de la materia a muy alta energía. • Así se podremos entender cómo ha evolucionado, como es actualmente y cual será su destino. • Así se espera saber también de qué está hecha la materia oscura, la energía oscura, etc. • La Física de los muy pequeño y de lo muy grande confluyen de modo definitivo.

21. Universo y Partículas • El Universo en sus orígenes, con muy alta temperatura, se demuestra que se puede reproducir en los laboratorios, al hacer colisionar partículas a altas energías. • De esas experiencias se espera que nuevas teorías de partículas puedan contestar a cuestiones sobre la composición del universo, en sus estadios iniciales

22. ¿Pero y la historia del micromundo? • Ahora sabemos que el micromundo y el macromundo convergen. • Hemos descrito someramente cómo fue la historia del descubrimiento del Macromundo. • Se ha visto lo fructíferas que han sido las interacciones entre las leyes de la Física y la Astronomía, que dieron nacimiento a la Astrofísica. • Peró ¿cómo fue la historia del micromundo?

23. ¿De qué está hecha la materia? • Paralelamente al interés por el estudio de los cielos, se desarrolló el estudio de la composición de la materia • Los primeros filósofos propusieron 4 elementos para explicarla: tierra, agua, aire y fuego. • Otros empezaron a hablar de átomos como entes indivisibles: Demócrito La materia según Aristóteles

24. Los nuevos átomos • Las leyes de la Química, establecidas de modo experimental por Lavoisier, Boyle y Gay-Lussac, entre otros, llevaron a Dalton a la hipótesis de la existencia de los átomos: partes más pequeñas de la materia que son indivisibles. • Cada elemento tiene su tipo de átomo, y los átomos de distinguen unos de otros por su propiedades.

25. El concepto de átomo • La hipótesis de Dalton, permitíó explicar las leyes de la Química, y Avogadro propuso la existencia de moléculas. • Sin embargo, a finales del siglo XIX, se demuestra que los átomos tienen estructura. Thomson descubrió el electrón y posteriormente se observó el protón. John Dalton J. Thomson

26. Técnicas de experimentación • Rutherford descubre cómo es el átomo, utilizando la dispersión de partículas. El átomo tiene una parte nuclear que contiene la masa y la carga positiva. • Esta técnica se demostraría eficaz para obtener información sobre los sistemas del micromundo. E. Rutherford

27. Modelo de Rutherford • Utilizando la técnica de dispersión, Rutherford descubrió la estructura del átomo Existe una parte nuclear que contiene la masa y la carga positiva y a grandes distancias, en órbitas se encuentran los electrones

28. Modelo de átomo de Rutherford • Al descubrirse el neutrón, el núcleo del átomo se vió que estaba formado por neutrones (n) y protones (p). 10-10 m.

29. Teorías cuántica del átomo • El advenimiento de la teoría cuántica, con la hipótesis de Planck, permitió asociar a la luz, partículas de energía E=hn siendo h la cte de Planck) • Einstein utilizó esta hipótesis para explicarla interacción de la luz con la materia (efecto fotoeléctrico). • Aparece por primera vez una partícula asociada a una interacción Max Planck E=hn A. Einstein

30. Dualidad onda-corpúsculo • La luz se comporta como partículas, pero también la partículas se comportan como ondas • De Broglie asegura que las partículas llevan una onda asociada l=h/p • Bohr establece ondas estacionarias para los electrones en los átomos l=h/p l: longitud de la onda; p: cantidadd de movimiento

31. Átomo de Bohr • Niels Bohr propone un modelo de átomo consistente con las leyes de la Física: 1) Los electrones se mueven en órbitas estacionarias 2) Las energías de los electrones están cuantizadas, 3) Los átomos emiten o absorben luz al realizarse transiciones de los electrones entre los diversos niveles. Niels Bohr

32. Teoría relativista • La relatividad de Einstein permitió explicar el comportamiento de las partículas y la energética de las reacciones nucleares • Además concluye que la energía de una partícula, se relaciona con su masa y la velocidad de la luz c E=mc2 Postulados de Einstein: C= cte 1º 2º 3º Las leyes de la física son las mismas para todos los sistemas inerciales

33. Teoría cuántica-relativista • Las partículas se comportan como ondas y al moverse a velocidades cercanas a las de la luz, obedecen a la teoría cuántica y relativista • Esto implica que l=h/p y E=mc2 • Y éste será el marco adecuado para el estudio de las estructuras del microcosmos.

34. Técnicas experimentales • La comprensión del comportamiento de las partículas mejoró las técnicas de aceleración y detección • Las técnicas de espectroscopía también se desarrollaron y permitieron estudiar los procesos de desintegración radiactiva. • Con esto se establecieron las bases experimentales para el estudio los sistemas del micromundo.

35. Técnicas de dispersión La Mecánica cuántica nos dice que las partículas se comportan como ondas y viceversa: electrón l =h/p El microscopio electrónico se usa Cuanto mayor es la energía de una partícula, menor es su l y con mayor finura puede sondear un sistema El acelerador LEP fué el mayor microscopio electrónico del mundo

36. Nueva estructura para el átomo carga quarks electrón u e 2 3 e + 1 3 e - d -e • En la nueva estructura del átomo, los neutrones y protones están formados por los quarks up (u) y down (d), que son las nuevas partículas elementales. Los protones contienen uud - carga = +e Los neutrones contienen udd - carga = 0

37. Técnicas de dispersión (2) quark ACELERADOR DETECTOR electrón Los electrones muy energéticos fueron utilizados como sondas para descubrir la estructura del protón.Se vió que estaban compuestos de quarks. El protón y el neutrón tienen una subestructura y están compuestos de quarks.

38. Técnicas de dispersión La aniquilation produce energía - mini Big Bang g g e- e+ Positrón (antimatería) Electrón (materia) g g Partículas y antipartículas se originan • Si los experimentos son colisiones, toda la energía se aprovecha para formar nuevas partículas. De este modo se puede explorar la composición de la materia a alta energía E = mc2

39. Estructura del átomo a altas energías • La construcción de aceleradores cada vez más potentes y detectores más precisos y rápidos, permitió explorar la composición de la materia a más y más alta energía. • Se descubrieron nuevas partículas, de vida efímera, compuestas de nuevos quarks. Se necesitaban nuevas partículas elementales para explicar la estructura de la materia al muy alta energía: charm (c); strange (s); bottom (b) y top (t) • Los grandes aceleradores que eran supermicroscopios, demostraban ser también supermacroscopios, ya que auscultaban la materia tal como era en los primeros momentos del Universo. • La Física de Partículas y el estudio del Universo primitivo confluían de nuevo

40. Grandes aceleradores • Los aceleradores de CERN, Fermilab, Stanford, etc. nos han permitido conocer la composición del Universo hasta una fracción muy pequeña desde su comienzo. • Las grandes energías alcanzadas por las partículas aceleradas, se materializan en nueves partículas, según la ecuación de Einstein: E=mc2 Acelerador LEP de CERN Acelerador lineal de Stanford

41. Grandes detectores • Paralelamente al desarrollo de los aceleradores, se construyeron detectores idóneos para examinar las características de las nuevas partículas. Los detectores se colocan cercanos al punto de la colisión. • Los detectores están formados por un conjunto de detectores superpuestos destinados a examinar las características de las diferentes partículas que surgen de las colisiones, de modo que la información que obtenga cada uno sea complementaria con la de los demás. • Se utiliza la ionización producida por las diferentes partículas al atravesar la materia que compone cada detector.

42. Modelo Estándar (Partículas) Sistema periódico actual de los bloques fundamentales de la materia. • La información obtenida de los experimentos se sintetiza en el Modelo Estándar de Partículas e Interacciones. • Las partículas elementales de la materia se clasifican en familias y generaciones. Existen dos familias (quarks y leptones) y tres generaciones. Las generaciones 2 y 3 la forman los constituyentes de la materia a alta energía.

43. Modelo Estándar (Fuerzas) • El Modelo Estandar de Partículas se completa con el esquema de la fuerzas: • Las interacciones electromagnéticas, las débiles y las interacciones fuertes, cada una con sus cuantos mediadores, explican las interacciones entre todas las partículas. Queda fuera la gravedad, a la que no se le aplica la teoría cuántica.

44. Modelo Estándar (fuerzas) • Según el Modelo Estándar, se reconocen cuatro interacciones bien distintas: Fuerza ó campo partícula mediadora campogravitatorio gravitón (?) campo electromagnético(a) g (fotón) (*)campo nuclear débil Z0, W+, W- campo nuclear fuerte 8 gluones, g • Campo de Higgs (*)h0, H0, H+, H-.. (a) Interacciones eléctrica y magnética unificadaspor Maxwell (1864) (*)Unificando las interacciones débil y electromagnética da masa a las partículas Z y las W y a todas las demás !!! Esta es la cuestión: ¿Pueden todas las Fuerzas unificarse?

45. Cuestiones pendientes (1) • El esquema estándar, que junto a la partículas reconoce sus respectivas antipartículas, busca una mayor simplificación en la descripción de la constitución de la materia, en base a sus partículas e interacciones • Las teorías de unificación, pretenden en un esquema abarcar las cuatro fuerzas, entre ellas la gravitatoria. Hay teorías llamadas supersimétricas que intentan esa unificación y que conducen a la existencia de nueva partículas, llamadas supersimétricas, aún no detectadas. • Hay cuestiones pendientes relacionadas con la diferencia de masa entre los cuantos de las interacciones electromagnética y la débil, atribuida al campo de Higgs cuyas cuantos serían las partículas de Higgs, aún no detectadas

46. Cuestiones pendientes (2) • ¿Por qué hay materia en vez de antimateria? • ¿Por qué hay tres familias de partículas y de masas tan diferentes? • ¿Tienen masa los neutrinos? • ¿Existe algúna fuerza distinta de las ya conocidas? • ¿De qué tipo de materia está formada la materia oscura?

47. Desafíos y esperanzas • Estas cuestiones pendientes se confía en que tendrán su respuesta en los experimentos que están por llegar: en concreto, el proyecto LHC, en el que se alcanzarán energías del orden del TeV, energías que tendría el universo cuando su tiempo de existencia era de 10-12 s. • Examinará la estructura de la materia a una escala de 10-19 m • El estudio de las Partículas a alta Energía, desemboca una vez más en el estudio del universo en las edades más tempranas.

48. El LHC y sus detectores El LHC comenzará a funcionar en el 2007. Sin duda cambiará nuestra visión del Universo.

49. ¿Cómo será el futuro? ¿? Binoculares Telescopios Acceleradores Microscopios

50. FUENTES DE DOCUMENTACIÓN Algunas de las diapositivas han sido tomadas de las siguientes presentaciones ppt: • CERN_PoS3 (Rolf Landua, Antonella del Rosso) • Physics at the LHC (Egil Lillestol) • CERN_50 • Pptalk (Michael Green.Royal Holloway. University of London)