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La Receta Cósmica
Alberto Güijosa
Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM
http://www.nucleares.unam.mx/~alberto
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¿De qué está hecho nuestro universo?
La punta de un lápiz, por ejemplo:
Átomos 0.0000000001 m[Dalton; Einstein; Perrin;...]
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¿De qué está hecho nuestro universo?
Núcleo (+)
10-14 m[Rutherford]
Electrón (-) <10-18 m[Thomson]
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¿De qué está hecho nuestro universo?
Protones (+)
Neutrones
10-15 m[Prout; Chadwick]
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¿De qué está hecho nuestro universo?
Quarks arriba (+) Quarks abajo (-)
<10-18 m[Gell-Mann; Zweig]
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¿De qué está hecho nuestro universo?
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!!
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¿De qué está hecho nuestro universo?
Electrón <10-18 m
Quark arriba <10-18 m
Quark abajo <10-18 m
etc.
son partículas elementales
¿Qué `microscopios‟ usamos para estudiarlas?
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Aceleradores de Partículas
• CERN (Suiza)
• Fermilab(E.U.A.)
• DESY (Alemania)
• SLAC (E.U.A.)
• BNL (E.U.A.)
• KEK (Japón)
• ...
27 km
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Aceleradores de Partículas
• CERN (Suiza)
• Fermilab(E.U.A.)
• DESY (Alemania)
• SLAC (E.U.A.)
• BNL (E.U.A.)
• KEK (Japón)
• ...
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Aceleradores de Partículas
• CERN (Suiza)
• Fermilab(E.U.A.)
• DESY (Alemania)
• SLAC (E.U.A.)
• BNL (E.U.A.)
• KEK (Japón)
• ...
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Aceleradores de Partículas
Imagen tomada con una „cámara de burbujas‟:
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Aceleradores de Partículas
Electrón Electrón
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¡¡Las partículas elementales pueden aparecer y desaparecer!!
Electrón
Antielectrón
Fotografía real (en color falso) tomada en una ̀ cámara de burbujas‟
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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!
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Están obligadas a seguir ciertas reglas básicas, así que no nos preocupemos: ¡no hay riesgo de
que repentinamente desaparezcamos!
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Más Partículas Elementales
Por ejemplo: el muón (-) vive solo 10-6 seg
¿¿Dónde rayos encontramos muones??
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Rayos Cósmicos
Protones
Muones
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Rayos Cósmicos
Protones
Muones
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Rayos Cósmicos
15 km
Protones
Muones
¡¡Viajar rápido le alarga a uno la vida!![Einstein]
A casi 300,000 km por segundo
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¡Las partículas NO son pequeñas canicas!
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¡Las partículas NO son pequeñas canicas!
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¡Las partículas NO son pequeñas canicas!
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¡Las partículas NO son pequeñas canicas!
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¡Las partículas NO son pequeñas canicas!
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¡Las partículas NO son pequeñas canicas!
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X
¡Las partículas NO son pequeñas canicas!
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¡¡¡Cada electrón pasa por las dos ranuras!!!
¡Las partículas NO son pequeñas canicas!
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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
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¡¡Un electrón puede estar en más de un sitio a la vez!!
[Schrödinger; Heisenberg; Born; Dirac; Pauli; Jordan; Bohr; de Broglie; Feynman;...]
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¿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…
¡¡Un electrón puede estar en más de un sitio a la vez!!
[Schrödinger; Heisenberg; Born; Dirac; Pauli; Jordan; Bohr; de Broglie; Feynman;...]
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¡¡Un electrón puede estar en más de un sitio a la vez!!
[Schrödinger; Heisenberg; Born; Dirac; Pauli; Jordan; Bohr; de Broglie; Feynman;...]
La idea es que, en general, el electrón NO tiene una posición definida…
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¡¡Un electrón puede estar en más de un sitio a la vez!!
[Schrödinger; Heisenberg; Born; Dirac; Pauli; Jordan; Bohr; de Broglie; Feynman;...]
… sino que está `indeciso‟ respecto a su posición (y otros de sus atributos)
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Lo mejor que podemos hacer es dar la probabilidad de encontrarlo en cada sitio
5%
0%
27%
10%
1%
¡¡Un electrón puede estar en más de un sitio a la vez!!
[Schrödinger; Heisenberg; Born; Dirac; Pauli; Jordan; Bohr; de Broglie; Feynman;...]
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Este extraño comportamiento...¡es la base de la electrónica!
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Este extraño comportamiento...¡es la base de la electrónica!
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Fuerzas Fundamentales
Por ejemplo:
Electromagnética[Maxwell;Faraday]
Gravedad[Newton;Einstein]
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Fuerzas a Nivel Microscópico
Fotón [Planck; Einstein]
Por ejemplo, repulsión entre 2 electrones:[Feynman; Schwinger; Tomonaga]
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Fuerzas a Nivel Microscópico
Fotón [Planck; Einstein]
Por ejemplo, repulsión entre 2 electrones:[Feynman; Schwinger; Tomonaga]
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Fuerzas a Nivel Microscópico
Fotón [Planck; Einstein]
Por ejemplo, repulsión entre 2 electrones:[Feynman; Schwinger; Tomonaga]
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Fuerzas a Nivel Microscópico
Fotón [Planck; Einstein]
Por ejemplo, repulsión entre 2 electrones:[Feynman; Schwinger; Tomonaga]
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Fuerzas a Nivel Microscópico
Contribuyen también procesos más complicados:[Feynman; Schwinger; Tomonaga]
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Fuerzas a Nivel Microscópico
Contribuyen también procesos más complicados:[Feynman; Schwinger; Tomonaga]
Antielectrón (=Positrón)[Dirac; Anderson]
Por cada partícula existe una correspondiente antipartícula
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Antielectrón (=Positrón)[Dirac; Anderson]
PET:Tomografía por Emisión de Positrones
Por cada partícula existe una correspondiente antipartícula
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Contribuyen también procesos más complicados:[Feynman; Schwinger; Tomonaga]
Fuerzas a Nivel Microscópico
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Contribuyen también procesos más complicados:[Feynman; Schwinger; Tomonaga]
Etc.
Fuerzas a Nivel Microscópico
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Partículas „Virtuales‟Incluso un electrón aislado puede aventarse partículas y
antipartículas a sí mismo…
+ + + + …
¡¡Todas estas posibilidades ocurren al mismo tiempo!!
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Partículas „Virtuales‟… de modo que cada electrón está siempre rodeado por
una nube de partículas y antipartículas „virtuales‟ que
aparecen y desaparecen:
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Partículas „Virtuales‟… de modo que cada electrón está siempre rodeado por
una nube de partículas y antipartículas „virtuales‟ que
aparecen y desaparecen:
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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!
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Partículas+ Mecánica Cuántica+ Relatividad Especial
Campo: propiedad que puede tomar un valor distinto en cada punto del espacio
= Teoría Cuántica de Campos
( , )x t
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Un ejemplo: temperatura
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Otro ejemplo: campo electromagnético
( , ), ( , )E x t B x t ( , ) ( , ), ( , )A x t x t A x t
[Faraday;Maxwell]
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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??
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Partícula= ¡pequeña onda en un campo!
Partícula Campo
Existe un campo por cada tipo de partículas…
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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]
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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…
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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‟
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2 fuerzas básicas:
• Electromagnética: Fotón[Maxwell; Feynman; Schwinger; Tomonaga]
Modelo Estándar
fotón
electrónelectrón
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• Electromagnética: Fotón[Maxwell; Feynman; Schwinger; Tomonaga]
• Débil: W+,W-,Z0
[Curie; Becquerel; Fermi]
Modelo Estándar2 fuerzas básicas:
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• Electromagnética: Fotón[Maxwell; Feynman; Schwinger; Tomonaga]
• Débil: W+,W-,Z0
[Curie; Becquerel; Fermi]
Modelo Estándar
electrón
W-
muón
antineutrino e
neutrino m
2 fuerzas básicas:
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• Electromagnética: Fotón[Maxwell; Feynman; Schwinger; Tomonaga]
• Débil: W+,W-,Z0
[Curie; Becquerel; Fermi]
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:
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• Electromagnética: Fotón[Maxwell; Feynman; Schwinger; Tomonaga]
• Débil: W+,W-,Z0
[Curie; Becquerel; Fermi]
• Fuerte: 8 gluones[Gross, Wilczek; Politzer;...]
Modelo Estándar
Núcleo
Solo los quarks sienten la interacción fuerte
2 fuerzas básicas:
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• Electromagnética: Fotón[Maxwell; Feynman; Schwinger; Tomonaga]
• Débil: W+,W-,Z0
[Curie; Becquerel; Fermi]
• Fuerte: 8 gluones[Gross, Wilczek; Politzer;...]
Modelo Estándar
gluón
quark arribaquark abajo
2 fuerzas básicas:
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• Electromagnética: Fotón[Maxwell; Feynman; Schwinger; Tomonaga]
• Débil: W+,W-,Z0
[Curie; Becquerel; Fermi]
• Fuerte: 8 gluones[Gross, Wilczek; Politzer;...]
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:
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• Electromagnética: Fotón[Maxwell; Feynman; Schwinger; Tomonaga]
• Débil: W+,W-,Z0
[Curie; Becquerel; Fermi]
• Fuerte: 8 gluones[Gross, Wilczek; Politzer;...]
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:
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Modelo EstándarOrigen de la masa (y de la distinción entre
las fuerzas electromagnética y débil): el campo de Higgs
[Higgs; Englert,Brout; Nambu; Anderson]
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Modelo EstándarOrigen de la masa: el campo de Higgs
[Higgs; Englert,Brout; Nambu; Anderson]
Partícula
ligera
Partícula
pesada
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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…
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¡¡ 1 solo ingrediente básico!!
Teoría de Cuerdas
¡Incluye a la gravedad!
Pero aún NO hay evidenciaexperimental que la apoye…
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2010: LHC (CERN, Suiza/Francia)
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2010: LHC (CERN, Suiza/Francia)
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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!!
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• 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?
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Rayos Cósmicos Ultraenergéticos: partículas
con una energía ¡hasta 30 millones de
veces más alta que en el LHC!
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Observatorio Pierre Auger
![Page 83: La Receta Cósmica - Instituto de Ciencias Nucleares UNAMalberto/platicas/recetafac10.pdf · alta precisión en miles de experimentos Pero al día de hoy, por varias razones estamos](https://reader031.vdocumento.com/reader031/viewer/2022041910/5e672a8c60d7c457e23ade95/html5/thumbnails/83.jpg)
La UNAM (y otras instituciones mexicanas)
participa(n) en estas actividades de punta
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¡¡ Vivimos en un universo maravillosamente extraño!!
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¡¡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