¿De qué está hecho el Universo?
DAVID G. CERDEÑO
Universidad Autónoma de Madrid
Instituto de Física Teórica UAM/CSIC
Durante el curso del siglo XX hemos pasado de no saber mucho acerca del Universo en el que vivimos…
… a descubrir parte de sus características principales
Durante el curso del siglo XX hemos pasado de no saber mucho acerca del Universo en el que vivimos…
GN-z11
El Universo es muy extenso
Las observaciones de Edwin Hubble (1929) mostraron que las galaxias más distantes se separan a mayor velocidad
El Universo se está expandiendo
Las galaxias se alejan las unas de las otras!
Velocidad
(km/s)
Distancia
(1 pársec ~ 3.2 años luz)
La ley de Hubble …
La ley de Hubble …
Velocidad
(calculada a través del corrimiento al rojo)
Distancia (log)
(indirecta)
La ley de Hubble … falla a grandes distancias!
Velocidad
(calculada a través del corrimiento al rojo)
Distancia (log)
(indirecta)
Un universo en expansión
13 800 millones de años desde el Big Bang
La velocidad de expansión no es constante, la expansión es ACELERADA!
Un universo en expansión
13 800 millones de años desde el Big Bang
El universo primigenio es extremadamente denso y caliente
La velocidad de expansión no es constante, la expansión es ACELERADA!
Para describirlo necesitamos física de partículas.
BIG BANG
Plasma de partículas elementales
PROTONES Y NEUTRONES
NUCLEOSÍNTESIS
Núcleos ligeros
(D, He, Li)
RECOMBINACIÓN
Los primeros átomos
FONDO DE RADIACIÓN DE MICROONDAS
FORMACIÓN DE ESTRUCTURAS
Planck CMB (2013)
La foto más antigua del Universo (~380.000 años)
De qué está hecho el Universo?
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Design by Roberto Lineros
MATERIA ORDINARIA
Materia que vemos y de la que estamos hechos
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MATERIA ORDINARIA
Materia que vemos y de la que estamos hechos
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MATERIA ORDINARIA
Materia que vemos y de la que estamos hechos
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MATERIA ORDINARIA
Materia que vemos y de la que estamos hechos
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Materia que vemos y de la que estamos hechos
MATERIA ORDINARIA
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Estructura del átomo
El Modelo Estándar de la Física de Partículas
Ingredientes:
Relatividad General �+ �Mecánica Cuántica
Modelo Estándar
Descripción unificada de tres de las cuatro fuerzas fundamentales
Descripción extremadamente precisa de casi todos los fenómenos de física de partículas.
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5%
Materia que vemos y de la que estamos hechos
MATERIA ORDINARIA
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MATERIA OSCURA
5%
Una NUEVA forma de materia que no emite ni absorbe luz
Sólo hemos observado sus efectos GRAVITACIONALES
Podría deberse a una (o varias) nuevas PARTÍCULAS
MATERIA ORDINARIA
27%
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IFIC, Valencia
ENERGÍA OSCURA
5%
68%
Responsible de la aceleración acelerada del Univeso
Podría explicarse mediante un término en las ecuaciones de Einstein (una constante cosmológica)
MATERIA ORDINARIA
MATERIA OSCURA
27%
24
5%
68%
DESCONOCEMOS LA NATURALEZA DEL 95% DEL UNIVERSO
ENERGÍA OSCURA
MATERIA ORDINARIA
MATERIA OSCURA
27%
Si no podemos ver la materia oscura, �
¿Cómo sabemos que está ahí?
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v
La Ley de Gravitación Universal explica el movimiento de los planetas en el Sistema Solar
Fuerza Gravitacional
M
La velocidad de rotación de los planetas (v) es función de la masa de la estrella (M) y distancia a ella.
Igualando la Fuerza Gravitacional a la centrípeta:
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V
M
Fuerza Gravitacional
La Ley de Gravitación Universal explica el movimiento de los planetas en el Sistema Solar
La velocidad de rotación de los planetas (v) es función de la masa de la estrella (M) y distancia a ella.
Si la masa de la estrella aumenta, también lo hace la velocidad.
Igualando la Fuerza Gravitacional a la centrípeta:
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V
Fuerza Gravitacional
?
La Ley de Gravitación Universal explica el movimiento de los planetas en el Sistema Solar
La velocidad de rotación de los planetas (v) es función de la masa de la estrella (M) y distancia a ella.
Si la masa de la estrella aumenta, también lo hace la velocidad.
Podemos “pesar” estrellas mediante el movimiento de los planetas.
También vale para “objetos” invisibles
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Usando esta técnica se demostró la existencia de un agujero negro en el centro de la Vía Láctea con la masa de 4.1 millones de soles
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El ”Event Horizon Telescope” observóen 2017 el agujero negro en el centro de la galaxia M87
Los agujeros negros son comunes en el centro de las Galaxias.
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Aplicado a una Galaxia, la velocidad de rotación debería decaer
Vera Rubin
Los objetos se mueven más rápido de lo “debido”
necesitamos más masa (que no vemos)
🡪
Pero no lo hace!!
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Curva de Rotación de la Vía Láctea
En nuestra posición de la Galaxia, la densidad de la materia oscura es aproximadamente 0.000000000000000000000005 veces la densidad del agua
Bertone, Iocco, Pato 2015
Soto del Real
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Las galaxias están rodeadas de “halos” de Materia Oscura
Simulaciones numéricas con superordenadores para entender sus propiedades.
Aún hay problemas abiertos al comparar las simulaciones con la observación
La materia oscura es no-relativista (fría o templada)
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Picture by Stephen Rahn
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Andromeda (M31)
Edited by Tom Buckley Houston
Aquarius Numerical Simulation
Andromeda (M31)
Edited by D.G. Cerdeño
Entonces, ¿qué es la materia oscura?
Lo que sabemos:
¿Podemos detector la materia oscura?
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Las partículas de Materia oscura están atravesando la Tierra
(y a nosotros) constantemente
¿Por qué no las sentimos?
Quizás no haya muchas
O interaccionan muy débilmente
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Bicarbonatos (CO3H) 80 mg
Cloro (Cl) 7.1 mg
Sulfatos(SO4) 0.85 mg
Flúor (F) 0.25 mg
Calcio(Ca) 3.9 mg
Magnesio (Mg) 2.8 mg
Sodio (Na) 25 mg
Potasio (K) 2.5 mg
Agua mineral
Agua (500 g) 170 ×1024 moléculas de agua
1027 protones, neutrones y electrones
cosmo
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Bicarbonatos (CO3H) 80 mg
Cloro (Cl) 7.1 mg
Sulfatos(SO4) 0.85 mg
Flúor (F) 0.25 mg
Calcio(Ca) 3.9 mg
Magnesio (Mg) 2.8 mg
Sodio (Na) 25 mg
Potasio (K) 2.5 mg
Agua mineral
(enriquecida con reliquias cosmológicas)
Agua (500 g) 170 ×1024 moléculas de agua
~50 000 neutrinos cósmicos
~1 partícula de materia oscura (con masa 100 mp)
1027 protones, neutrones y electrones
cosmo
¿Cuánta materia oscura hay “dentro” de la Tierra?
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La materia oscura nos está atravesando ahora
Nos han cruzado aproximadamente 10 000 000 000 partículas de Materia Oscura durante esta charla
Pero no las sentimos…
300 km s-1
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Necesitamos diseñar detectores muy sensibles para observarlas
Las partículas de materia oscura atraviesan la Tierra y entran en el detector…
… colisionando con el material del mismo.
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Podrían colisionar con los núcleos
O con los electrones
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Luz
Ionización�
Temperatura
Sonido !?
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Sensores de carga y temperatura (fonones)
Carcasa de Cobre
Detector de Germanio ultrapuro
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-2V
2V
hueco
electrones
Sensores de carga y temperatura (fonones)
Carcasa de Cobre
50
20 cm
Total mass: ~ 9 kg
Physics run: 2009-2012
9.0 kg Ge (15 iZIPs x 600g)
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El experimento SuperCDMS
Detectores de Germanio ultrapuros
Dispuestos en torres
Protegidos por un blindaje ultrapuro
PLOMO
POLIETILENO
Y un equipo internacional de ~100 científicos de ~30 instituciones distintas.
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Los detectores se sitúan bajo tierra para apantallarlos de rayos cósmicos
Monte Tobazo (Pirineos)
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Para detector partículas exóticas, se puede usar el agua como medio (el telescopio de neutrinos Km3NeT se está construyendo en el fondo del Mediterráneo)
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O incluso el hielo! El telescopio de neutrinos IceCube se encuentra en la Antártida!
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David G. Cerdeño
Conclusiones
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14/05/2024
¿Cómo de bien conocemos las propiedades del halo de Materia Oscura de la Vía Láctea?
Datos astrométricos del satélite Gaia proporcionan el mapa de ESTRELLAS más detallado hasta la fecha.
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14/05/2024
Au5
Au9
Au22
Au24
Se puede comparar con simulaciones para
Estudiar correlaciones entre la materia oscura y la visible
¿Cómo de bien conocemos las propiedades del halo de Materia Oscura de la Vía Láctea?
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14/05/2024
Incluso se han encontrado “corrientes de materia oscura” con gran potencial periodístico.
Se puede aplicar el mismo principio a cúmulos de galaxias
Las observaciones modernas se basan en el efecto de “lente gravitacional” para determinar la masa invisible
Coma Cluster
Coma Cluster
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La materia oscura es fundamental para explicar la estructura filamentosa de la materia visible (galaxias)
Millennium Simulation
Las Galaxias se forman en las regiones de mayor densidad
Abell 223
Abell 222
Filamento “oscuro” entre dos galaxias
Dietrich et al. 2012
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El experimento ANAIS ha buscado la modulación anual en la señal de materia oscura
30 km/s
220 km/s
60º
eventos
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El experimento ANAIS ha buscado la modulación anual en la señal de materia oscura
30 km/s
220 km/s
60º
Desde el año 2000 había una possible observación del detector DAMA/Libra
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El experimento ANAIS ha buscado la modulación anual en la señal de materia oscura
30 km/s
220 km/s
60º
Desde el año 2000 había una possible observación del detector DAMA/Libra
ANAIS no observa modulación.
Descarta la posibilidad de que esa señal sea Materia Oscura
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Cuanto mayor es el detector, más grande es la probabilidad de detección
Los experimentos futuros tendrán tamaños de varias toneladas!
Xenon1T
Necesitamos nueva física más allá del Modelo Estándar
Lo que sabemos:
Hemos encontrado multitud de posibles soluciones
Extensiones del Modelo Estándar, con masas e interacciones muy diversas
Distintos mecanismos de producción en el Universo temprano.
Supersimetría
Una nueva simetría que relaciona bosones y fermiones. Postula la existencia de nuevas partículas (hermanadas con las del Modelo Estándar)
La partícula Supersimétrica más ligera podría ser estable y un candidato a Materia Oscura.
Sin embargo, no hemos encontrado (aún?) ninguna de estas partículas…
Planck CMB (2013)
La foto más antigua del Universo (~380.000 años)
COBE 1992
WMAP 2003
El blindaje ha de ser también muy limpio
Plomo romano
(naufragios en el Mediterráneo ~ 2000 años)