El Universo en pequeña escala:

Radiación

Materia

Materia Oscura

y Energía Oscura

Una onda electromagnética se produce por la superposición de campos eléctrico y magnético variables, retroalimentando uno al otro.

Radiación

La onda se caracteriza por su longitud de onda y su frecuencia . Longitud de onda y frecuencia están vinculadas por la relación

cDonde c=3 1010 cm/s es la velocidad de la luz. La inversa de la frecuencia es el período T

1TAl considerar el conjunto de ondas electromagnéticas de distintas frecuencias, obtenemos el espectro electromagnético.

Banda λ (m)

ν (Hz)

Radio 1 109

Microondas 10-3 1011

Infrarojo 10-5 1013

Optico 10-7 1015

Rayos X 10-10 1018

Rayos Gama

10-13 1021

La emisión de una onda de frecuencia ν está asociada con fenómenos con una energía típica

donde h 10-15 eV s es la constante de Planck. Asociada con esta energía hay una temperatura

hE

hTkB

Donde kB 10-4 eV K-1 es la constante de Boltzmann

Banda λ (m)

ν (Hz)

E (eV)

T (K)

Radio 1 109 10-6 10-2

Microondas 10-3 1011 10-4 1

Infrarojo 10-5 1013 10-2 102

Optico 10-7 1015 1 104

Rayos X 10-10 1018 103 107

Rayos Gama

10-13 1021 106 1010

De esta manera, cada banda del espectro se puede asociar con un fenómeno característico

Banda λ (m)

ν (Hz)

E (eV)

T (K)

Asociado con

Radio 1 109 10-6 10-2 Electrones acelerados por campos magnéticos, Radio-galaxias

Línea de 21 cm del hidrógeno neutro (estructura hiperfina)

Microondas 10-3 1011 10-4 1 Nubes de polvo, hidrógeno y quasares.

Fondo Cósmico de microondas

Infrarojo 10-5 1013 10-2 102 Nubes de polvo, regiones de formación estelar

Optico 10-7 1015 1 104 Estrellas, galaxias y quasares.

Línea Lyman-alfa del hidrógeno

Rayos X 10-10 1018 103 107 Supernovae

Gases ionizados

Rayos Gama

10-13 1021 106 1010 Núcleos galácticos activos. Agujeros negros

Consideremos una cavidad de paredes espejadas conteniendo una cierta cantidad de radiación. Cuando se establece el equilibrio térmico, se observa que el número de fotones de cada frequencia sigue una ley determinada, que sólo depende de la temperatura de la caja.

Materia

La primer partícula elemental que fue identificada como tal fue el electrón, descubierto por J. J. Thomson alrededor de 1900.

El electrón tiene una masa en reposo de 10-27g, una energía en reposo de 1 MeV, y una carga de -10-19 C.

Se encuentra en las capas externas de los átomos, por lo que es relativamente fácil de extraer.

Hasta donde sabemos, el electrón es completamente estable. Como es la partícula cargada más liviana, está protegido por la ley de conservación de la carga eléctrica.

Hacia 1905, Rutherford demostró que la mayor parte de la masa de un átomo está concentrada en una única estructura, que él llamó "núcleo".

El núcleo más simple, el del Hidrógeno, puede considerarse una partícula, el "protón".

El protón tiene una masa en reposo de 10-24g (mil veces la del electrón), una energía en reposo de 1 GeV, y una carga de +10-19 C (positiva).

Hasta el momento no ha sido posible medir la vida media del protón, aunque se conjetura que no sería absolutamente estable.

Hasta el momento no ha sido posible medir la vida media del protón, aunque se conjetura que no sería absolutamente estable.

(si lo fuera, la asimetría entre partículas y antipartículas sería inexplicable; vamos a volver sobre esto)

Para la mayoría de los núcleos estables, la masa, expresada en múltiplos de la masa del protón, es alrededor del doble de la carga, en múltiplos de la carga del protón.

Por lo tanto, el protón no puede ser el único componente del núcleo. Para explicar la discrepancia se propuso la existencia de una tercera partícula, el neutrón, con una masa similar a la del protón pero eléctricamente neutro.

La existencia efectiva del neutrón fue demostrada por Chadwick en 1932.

Un neutrón libre decae en alrededor de 10 minutos.

El esquema basado en protones, neutrones y electrones describe satisfactoriamente la tabla periódica. Un elemento con número atómico Z y peso atómico A posee Z protones y A-Z neutrones.

Los neutrones y los protones están ligados en el núcleo por las “interacciones fuertes”. El rango de las interacciones fuertes es de 10-15m, lo cual da tiempos característicos de reacción de 10-23s. Es necesario introducir las “interacciones débiles” para dar cuenta del decaimiento del neutrón.

El modelo de protones, neutrones y electrones como constituyentes básicos de la materia fue demolido por una serie de descubrimientos relacionados con los "rayos cósmicos" a partir de la década de 1930.

Descubrimientos con rayos cósmicos 1932 : Se descubre el positrón, confirmando la predicción teórica de la existencia de "antipartículas".

1937 : Descubrimiento del muón. Es como un electrón, pero 200 vecesmás pesado

1947 : descubrimento del pión

A partir de 1950, el desarrollo de grandes aceleradores condujo al descubrimiento de decenas de nuevas partículas. Además, cada partícula tiene una antipartícula. Esto condujo eventualmente al desarrollo del modelo de los quarks.

Para empezar, se divide a las partículas en “hadrones” (que participan de las interacciones fuertes) y “leptones” (los que no). Los hadrones se clasifican en bariones (hadrones pesados) y mesones (más livianos que los bariones, más pesados que los leptones).

La idea es reconstruir la serie de hadrones como combinación de elementos simples, los quarks. Los bariones son compuestos de tres quarks, y los mesones de un quark y un antiquark.

Para reconstruir los protones y neutrones alcanza con dos tipos de quarks, los u de carga 2/3 y los d de carga -1/3. Un protón es uud y un neutrón es udd. Los quarks no pueden ser extraídos del interior de los nucleones (“confinamiento”).

Para explicar las vidas medias demasiado extensas de ciertas partículas es necesario incluir otros tipos de quarks,. Además, cada quark viene en tres “colores”, y cada partícula tiene su antipartícula.

Al día de hoy se han identificado seis tipos de quarks, organizados en tres “familias”. Cada familia contiene dos quarks y dos leptones. Además están las partículas que intermedian las distintas interacciones.

Y también hay neutrinos...

Neutrino!Neutron

ProtonElectron

Los "neutrinos" fueron postulados por Pauli en 1930 para restaurar el balance de energía en el decaimiento beta nuclear

Hay muchas fuentes de neutrinos

109 per m3

Fósiles del Big Bang

SupernovaeSupernovae

Rayos cósmicos

Reactores

Aceleradores de partículas

El Sol

La probabilidad de atrapar un neutrino es100,000,000,000

veces menor que para un protón.

Un neutrino puede atravesar 200 Tierras sin ser atrapado

...

Los neutrinos son eléctricamente neutros. Interactúan por la llamada "fuerza débil".

neutrinos

Pauli (con Heisenberg y Fermi)

Super-Kamiokande

Colaboración EEUU-Japón (~100 físicos)Detector de 50,000 ton de agua> 1000 m de roca en todas las direcciones Más de 10000 tubos fotomultiplicadores de 20"

Control Room

Inner DetectorOuter

Detector Mt. Ikeno

Entrance 2 km

Water System

Tank

Linac caveElectronics Huts

Hay neutrinos de distintos tipos ("sabores"): el neutrino del electrón, el del muón y el del tau.

Todos son eléctricamente neutros, y hasta hace poco, se pensaba que sin masa en reposo...

Neutrinos atmosféricos

cosZ=+1

L=15 km

cosZ= -1

L=13000 km

cosZ=0

L=500 km

Z

ZENITH

NADIR

SK

Producidos por rayos cósmicos en la atmósfera (altura Z=15~20 km)rayo cósmico+núcleo del aire mesones 'sEn promedio, se producen dos neutrinos del muón por cada uno del electrón.La distancia de vuelo L al detector SK depende del ángulo Z: ~15 km para 's descendientes; ~13000 km para 's ascendentes

Número esperado

SK DATA

SK demostró que el déficit se producía sólo para neutrinos ascendentes

El número de neutrinos del muón detectado estaba por debajo de los valores esperados.

Neutrinos Solares

• Los neutrinos provenientes del Sol planteaban un problema similar: se detectaban la mitad de los neutrinos del electrón que se esperaba. En 2001, el Sudbury Neutrino Observatory (SNO) de Canadá demostró que la discrepancia podía explicarse como debida a oscilaciones de neutrinos.

Oscilaciones de neutrinos• La proporción de cada sabor en el mismo haz de neutrinos varía con el

tiempo, que a su vez es proporcional a la distancia al punto de producción

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

0 50 100 150 200 250

x

Y(x

)

La manera más simple de incorporar oscilaciones en la teoría es asumir que algunos sabores de neutrinos tienen masa (las oscilaciones dependen de las diferencias de masa, no de los valores absolutos). Por ejemplo, el neutrino del electrón podría ser no-masivo, y el del muón tener una masa de fracciones de eV.

(demasiado poco para contribuir significativamente a la materia oscura)

El problema es que la teoría está construída alrededor del concepto de neutrinos sin masa. No es tan fácil incorporar neutrinos masivos.

La materia descripta por el modelo estándar no es más de la sexta parte de la materia total en el Universo. El resto es la llamada “materia oscura”

Materia

Oscura

La densidad de masa en el Universo es de 10-28 g/cm3

No sólo masa hay en el Universo…

Las partículas pesadas no contribuyen a la presión

La presión de la radiación es 3/p

0p

La energía oscura tiene presión negativa p

Si radiación en equilibrio se expande adiabáticamente, permanece en equilibrio. La entropía total permanece constante

393 /103

4mkTs B

La densidad de entropía del Universo está dominada por la de la radiación

¿Mucho o poco?¿Cómo variaría la entropía si toda la galaxia colapsara en un único agujero negro?

mMlyR 22101

kgM 4110

BkS 7610

mluzdíasR 1410/10

kgM 4110

BkS 22751010