CATASTROFES COSMICAS, NEUTRINOS Y GRAVEDAD

CUANTICAJorge Alfaro Solís

Facultad de Física

Pontificia Universidad Católica de Chile

Un viaje al origen del tiempo

• La Expansión del Universo

• Ley de Hubble

El Big Bang

Edad del Universo: Entre 10000 y 20000 millones de años.

Edad del Universo: Entre 10000 y 20000 millones de años.

La Radiación de Fondo:t=300000 años después del Big Bang

T=2.735 K. Datos obtenidos por el satélite COBE

T=2.735 K. Datos obtenidos por el satélite COBE

Simetrías y Unificación

Supersimetría:Intercambia bosones con fermiones

• FERMIONES:

• Espín:1/2,3/2,5/2...

• Obedecen el Principio de Exclusión de Pauli:Dos fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico

• Partículas de materia:electrón,quark,neutrino...

• BOSONES

• Espín:0,1,2,3..

• No obedecen el Principio de Exclusión

• Partículas que llevan las fuerzas:fotón,gluón,Z0,W+,W-, gravitón...

Evidencia Indirecta de Supersimetría:Constantes de Acoplamiento

como función de la energía

• Modelo Estándar • Modelo Estándar +Susy

• La fuerza de gravedad entre partículas elementales es despreciable comparada con las otras fuerzas, pero a una energía de Mp=10^19 Gev (La masa de un protón es aprox. 1 Gev), llega a ser dominante.

• El Universo para t<10^(-35) segundos después del Big Bang tenía una energía por partícula del orden de Mp.

• La fuerza de gravedad determina las condiciones iniciales: contenido de materia.; si hubo otro universo antes...

• En este instante, el Universo tiene dimensiones atómicas. Se hace imprescindible utilizar la Mecánica Cuántica.

Gravedad Cuántica?

TERMODINAMICA DE AGUJEROS NEGROS

• Hawking mostró que estudiando la creación de pares cerca del horizonte, es posible deducir que el agujero negro emite partículas. La antipartícula cae en el agujero negro, pero la partícula escapa. El efecto neto es que se detecta radiación proveniente del agujero negro (RADIACION DE HAWKING).

Dado que todo cuerpo que se calienta hasta una cierta temperatura diferente de cero, emite radiación,la existencia de la radiación de Hawking permite asignarle una temperatura al agujero negro.

Termodinámica DE AN II• Se encuentra que T=b/M; b es una constante y M es la

masa del agujero negro.

• Además estudiando como se forma un agujero negro, se puede identificar una cantidad, el área del horizonte, que siempre crece. Por esto se define la ENTROPIA del agujero negro como:

• S=a A, donde a es una constante y A es el área del horizonte.

De esta manera se satisface automáticamente la SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA.La conservación de la energía garantiza también la validez de la PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA.

MECANICA ESTADISTICA DE AGUJEROS NEGROS

• Una predicción muy importante de la Mecánica Estadística consiste en la identificación de la Entropía S de un sistema:

Kb es la constante de BoltzmannW es el número de estados microscópicos accesibles al sistema en una dada configuración macroscópica. Por ejemplo, si el sistema estáaislado, tiene una energía total constante. W esel número de estados macroscópicos que danla energía total constante que tiene el sistema.

S=Kb* ln(W)

Mecánica Estadística de AN II

• Ahora bien, sabemos que existe una entropía asociada a un agujero negro. Cómo la encontramos usando la Mecánica Estadística?

• Para hacer esto debemos aprender a contar estados (configuraciones) microscópicas del agujero negro. Para distinguir estos debemos inventar ROTULOS que los identifiquen, pero....

Los agujeros negros no tienen pelo

• SORPRESA:

• El agujero negro no acepta más rótulos que no sean:

• Su masa: M

• Su cantidad de movimiento angular (rotación) L.

• Su carga eléctrica:Q

• PERO ESTOS CARTELES NO SON SUFICIENTES PARA CALCULAR LA ENTROPIA.

• SE HACE NECESARIA LA GRAVITACION CUANTICA.

Está la gravedad cuántica lista para ser detectada?

• Los efectos predichos son tremendamente pequeños

• Orden de magnitud: E/Mp=10^(-16), para E=1000 Gev disponible en los asceleradores de partículas.

• PERO PUEDEN ACUMULARSE SI SON AMPLIFICADOS POR UNA DISTANCIA GRANDE.

Gamma Ray Bursts are distributed isotropically

Optical Transient of GRB971214

GRB 970228

GRB 970508

X Ray Image of GRB 970226

28/02/97 03/03/97

Fuentes posibles de GRB

• Absorción de un Agujero Negro o Estrella de Neutrones por otra.

• Supernovas Ib fallidas

• Pulsares jóvenes ultramagnéticos

• Muerte subita de estrellas masivas.

Neutrinos

• El misterio de la pérdida de momentum energía en el decaimiento del neutrón:

• n->p+e+ ae• En los años 30 no se podía detectar el neutrino, porque interactúan

muy debilmente con la materia convencional. Se postuló su existencia para “salvar”la ley de conservación de energía-momentum. Finalmente se descubrió en 1956.

• Dado que interactúan muy debilmente con la materia normal son ideales para llevar información a través de grandes distancias en el Cosmos, sin distorsionarla.

• No sucede lo mismo con los fotones de mucha energía. Estos son apantallados por el medio interestelar.

El Espacio Cuántico

Neutrinos y Gravedad Cuántica

Efectos similares a los obtenidos para fotones, se encuentran para neutrinos, pero los retardos esperadosson mucho mayores(del orden de 10^4 s) porque laenergía espreada de los neutrinos es mayor que la de los fotones (E del orden de 10^5 Gev).

Ref.: “Quantum Gravity Corrections to Neutrino Propagation”, J.A., H. Morales-Técotl and L.F. Urrutia, Phys. Rev. Lett. 84(2000)2318.