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Alberto Casas Residencia de Estudiantes,

Noviembre 2017

La Frontera de la Física Fundamental

.... y más allá

¿Qué es una frontera de la ciencia?

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Algo que no conocemos

y desearíamos conocer

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Cáncer

Células madre

Cambio climático

Energías renovables

Una frontera especial:

La frontera del conocimiento básico

Explicación de las cosas al nivel más profundo posible =

Frontera de la Física Fundamental =

Solo hay que observar cualquier cosa y preguntar:

Viajar hasta la frontera de la

física fundamental es bastante

fácil

¿Por qué?

¿ Por qué... ?

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Tabla Periódica

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Tabla Periódica

?

Átomo

Rutherford (1909)

Bohr (1913)

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

protón neutrón electrón

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

protón neutrón electrón

¿Por qué existen estas tres partículas y a qué se deben sus propiedades?

Esta pregunta sólo ha podido ser respondida parcialmente

Aquí es donde chocamos con la frontera del conocimiento básico

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Todoloquesabemossobrelaspar/culaselementalesestásistema5zadoenunateoríadegranéxito:

ElModeloEstándar

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Frontera actual

Modelo Estándar

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Paréntesis:

¿Cómo hemos llegado a este conocimiento?

Método Científico

Libros de texto

Método científico según los libros de texto:

Observación

Hipótesis

Experimento

Fallo Éxito

Teoría

Ley

Método científico según los libros de texto:

Observación

Hipótesis

Experimento

Fallo Éxito

Teoría

Ley

Método científico según los libros de texto:

Observación

Hipótesis

Experimento

Teoría

Observación

Hipótesis

Experimento

Teoría

Hipótesis

Hipótesis

— Observación

— Falta de consistencia matemática

— Reducción al absurdo

— Búsqueda de simplicidad

— Búsqueda de belleza

basadas en:

Teoría Experimento

Modelo Estándar

(~1980)

Teoría de la Relatividad

Mecánica Cuántica

Modelo Estándar

(~1980)

Componentes de la Materia Interacciones

protón neutrón

u

d

u d

u

d

quarks

Materia

νe

e

u

d

1a familia de partículas elementales

casi todo está hecho con ellas

νe

e

u

d

1a familia

νµ

µ

c

s

2a familia

ντ

τ

t

b

3a familia

¿Por qué?

4 interacciones básicas

gravitatoria fuerte

electromagnética débil

Interacciones

e

e e

e

γ Interacción Electromagnética

Intercambio de fotones

Estas interacciones están mediadas por otras partículas: mensajeras de la interacción

⌘

Tipo de Interacción Partícula Mediadora Electromagnética γ (fotón)

Fuerte g (gluón)

Débil bosones W, Z

Gravitatoria G (gravitón)

Tipo de Interacción Partícula Mediadora Electromagnética γ (fotón)

Fuerte g (gluón)

Débil bosones W, Z

Gravitatoria G (gravitón)

Las interacciones básicas de la naturaleza son consecuencia de simetrías subyacentes

quarks

leptones mediadoras de la

interacción

Higgs

Resumen

quarks

leptones mediadoras de la

interacción

Higgs

Resumen

4-Julio2012

CERN(Ginebra)

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

El bosón de Higgs fue descubierto casi 50 años despúes de haber sido propuesto

Dic 10, 2013

¿Por qué se tardó tanto?

Porque antes no había capacidad experimental para conseguirlo

La física de partículas experimental y la correspondiente tecnología aún no estaban suficientemente maduras

LHC

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Para avanzar en la física fundamental no solo hacen falta buenas ideas

También instalaciones experimentales

Pero si el Mod. Est. funciona tan bien,

¿Por qué ir más allá?

Qué hay de malo con el Mod. Est.?

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Señales de Física más allá del

Modelo Estándar

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Indicaciones experimentales

Indicaciones teóricas

Indicaciones estéticas

Materia Oscura

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Energía Oscura

? ??? Materia Oscura, 26%

Energía Oscura, 69%

Materia Ordinaria, 5%

Composición del Universo

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Asimetría materia - antimateria

¿Por qué el universo está hecho de

materia y no de antimateria?

El ME no posee los ingredientes

para generar esta asimetría

Problemas estéticos

???

Recordar...

νe

e

u

d

1a familia

νµ

µ

c

s

2a familia

ντ

τ

t

b

3a familia

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Problemas estéticos

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

El Modelo Estándar tiene unos 20 parámetros cuyo valor hay que poner “a mano”

— Masas

— Intensidad de cada interacción

Problemas estéticos

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Todo indica que el Modelo Estándar es una teoría efectiva

“a baja energía” de otra teoría más fundamental.

Del mismo modo que la teoría de Galileo de la caída de

cuerpos es una teoría efectiva de la Ley de Newton

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Galileo: a = g = const.

Newton: F = GM m

r2

~a

~F

Creemos que el Modelo

Estándar es una teoría efectiva

de otra más fundamental

¿Cuál?

Problemas teóricos

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Posiblemente los más importantes tienen que ver con la

Gravitación

quarks

leptones mediadoras de la

interacción

Higgs

File:Modelo standard particulassubatómicas.png

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No higher resolution available.Modelo_standard_particulas_subatómicas.png (626 × 600 pixels, file size: 116 KB, MIME type: image/png)

Description Español: Modelo standard particulas subatómicasDate 11 November 2013, 23:33:39

Source Own workAuthor Buckminsterfullereno C60

Traducido por mi, el archivo predecesor de este es, Modelul standard al particulelor fundamentale.svg

I, the copyright holder of this work, hereby publish it under the following license:

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1 de 2 12/11/17 08:57

gravitón

La descripción más exquisita, elegante y exitosa que tenemos de la gravedad es la proporcionada por la Teoría de la Relatividad General, de Einstein (1915)

Gravedad = Geometría

Rµ⌫ � 1

2R gµ⌫ = Tµ⌫

Geometría Energía

— Ley de Newton (mejorada)

— Expansión del Universo (Big Bang)

— Agujeros negros

— Ondas gravitacionales

Problema esencial de la Relatividad General:

No es una teoría cuántica

La geometría ( ) está bien definida

en cada punto del espacio-tiempo

(= teoría clásica)

gµ⌫ , Rµ⌫

Rµ⌫ � 1

2R gµ⌫ = Tµ⌫

Geometría Energía

Pero....

clásica cuántica

¿Por qué no se ha visto esta inconsistencia experimentalmente?

“Mundo cuántico” (gravedad irrelevante)

“Mundo clásico” (Mec. Cuántica irrelevante)

Pero en casos de campo gravitatorio extremo, los efectos cuánticos son cruciales

— Agujeros Negros

— Big Bang

Precisamente estos casos son problemáticos en RG pura debido a la aparición de singularidades

Para resolver estos problemas, se ha trabajado intensamente en las últimas décadas.

La propuesta más importante es la Teoría de Cuerdas.

...aunque todavía no se ha podido comprobar experimentalmente

Hipótesis

— Observación

— Falta de consistencia matemática

— Reducción al absurdo

— Búsqueda de simplicidad

— Búsqueda de belleza

basadas en:

La Teoría de cuerdas podría arrojar luz sobre otros misterios

James C. Maxwell

(1831-1879)

1865: “Ecuaciones de Maxwell”

Ecuaciones de Maxwell (1865)

Las leyes de Maxwell unifican la electricidad y el magnetismo en una sola interacción:

ELECTROMAGNETISMO

de una forma consistente

Pero hay más....

De sus ecuaciones Maxwell dedujo que los campos eléctrico y magnético se pueden propagar como ondas:

ondas electromagnéticas

Maxwell pudo calcular la velocidad de esas ondas:

¡Este valor coincidía con la velocidad de la luz!

v =1

pµ0✏0

= c

La luz es una onda electromagnética

Las ecuaciones de Maxwell unifican electricidad,

magnetismo y óptica

Espectro Electromagnético

Y aún hay más.....

Las ecuaciones de Maxwell llevan dentro de ellas la semilla de la Relatividad

Einstein formuló la Teoría de la Relatividad Especial para hacer consistentes las leyes de la cinemática y la dinámica con las Ecs. de Maxwell

Todo esto surgió....

Historia semejante con

La Teoría de la Relatividad Especial

Las Interacciones Débiles

E s m u y p o s i b l e q u e c u a n d o conozcamos el truco de la naturaleza para hacer consistentes la Mecánica Cuántica y la Relatividad General, a p re n d a m o s c o s a s n u e v a s y fascinantes sobre la naturaleza

Modelo Estándar

Nueva Física

200 GeV 1 TeV

Gravedad Cuántica

MP ≈ 1019 GeV

LHC

Energía

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Problema de la jerarquía/naturalidad

¿Por qué las partículas tienen las masas que tienen?

¿Y no son, por ejemplo, un millón de veces más pesadas?

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

t

H

t

Contribuciones cuánticas a la masa del Higgs:

gigantescas si no hay nueva física a energías

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Problema de la jerarquía/naturalidad

Modelo Estándar

Nueva Física

Gravedad Cuántica

200 GeV MP 1 TeV

LHC

Energía

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

¿Qué nueva física?

Supersimetría

Dimensiones extras

Technicolor

... Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Supersimetría

Simetría que relaciona partículas con distinto espín:

La situación recuerda a la predicción de las antipartículas que realizó Dirac en 1928

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Supersimetría

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Modelo Estándar

Nueva Física

Gravedad Cuántica

200 GeV MP 1 TeV

LHC

Supersimetría ?

Una de estas partículas podría ser la responsable de la materia oscura

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

Hasta ahora no ha aparecido nueva física en el LHC

Aún es pronto para afirmar que esa nueva física (ej. supersimetría) no existe. Aún quedan años en los que el LHC va a seguir explorando.

Es posible que haya algo erróneo en el razonamiento acerca de la naturalidad

Área de investigación

El futuro de la Física

Fundamental

Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid

... seguir investigando

Teoría Experimento

Experimento

LHC

Nuevos aceleradores (10-100 TeV)

Detectores de Materia Oscura

Ondas gravitacionales

Visión pesimista

Modelo Estándar

Gravedad Cuántica

200 GeV MP Energía

“Posiblemente la nueva física esté a energías inaccesibles a cualquier experimento humano”

“Nunca sabremos la composición química de las estrellas, ni su temperatura”

Auguste Comte, 1835

¡... se equivocó completamente!

Curiosamente hoy conocemos las estrellas mejor que la propia Tierra:

— Su composición

— Su temperatura

— Su velocidad

— Cómo nacen, viven y mueren

Teoría

Los misterios sin resolver son una gran fuente de inspiración

Teoría Experimento

Objetivo final de la Física Fundamental:

La explicación última de todas las cosas

Teoría del Todo = ¿Podremos alcanzarlo algún día?

Posibles dificultades:

— ¿Existe una explicación científica “última” de la naturaleza?

— Están nuestros cerebros capacitados para entenderla?

Posibles dificultades:

— Tal vez aún no sabemos lo suficiente para resolver muchos de los misterios pendientes

De la misma forma que hubo que esperar hasta ~1920 para poder comprender por qué brillan las estrellas

Investigar en todos los frentes

Posibles dificultades:

— ¿Podría la humanidad perder el interés en seguir entendiendo la naturaleza?

¡Seamos optimistas!