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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
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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
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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.?
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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
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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
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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
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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
From Wikimedia Commons, the free media repository
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
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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
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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
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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
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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!