Chap 03-c Cosmology- The Standard Model ENGLISH.ppt

SEÑALIZA LOS MODELOS ESTANDAR PARA LA COMPRENSION DEL UNIVERSO PARTIENDO CON MODELOS ATOMICOS, TODO DESDE EL PUNTO DE VISTA EINSTENIANO

1. [email protected]

2. The Atom as we used to know it:

J.J. THOMSON
Cambridge, Inglaterra,
Discovered the Electron
in 1897
The WILLIAM THOMSON
ATOM Model
(Lord Kelvin) in 1900
The first model of an ATOM
By ERNEST RUTHERFORD
New Zeland, Great Britain,
in 1911

3. MATTER AS WE NOW KNOW IT:

THE NIELS BOHR (Denmark) THE QUANTUM MECHANICAL
(Copenhagen Model, in 1913) (Early Model)

4. QUANTUM MECHANICS (Later Model)

7. Wave-Particle Duality
Louis de Broglie introduced the idea of duality for electrons in which subatomic
particles have both wave and particle characteristics. Shrödinger described these
behavior with an equation, showing electrons as wave functions. This wave function
gives the probability distribution of the position of an electron around the nucleus of
an atom as part of an “electron cloud”. Electron positions are given as the probability

of finding the electron at a particular
region in the electron cloud around
the nucleus, instead of an orbit as in
the previous Bohr’s model. Not only
electrons are describable in this way,
heavier particles like protons and
neutrons are also subject to it.
However, due to the fact that they
have masses approximately 1840
times greater than electrons, their
locations are easier to define, for the
same energy the resulting uncertainty
in position is smaller and they reside
more in the nucleus than too far away
from it.
Credit:
Serge Mavrode

8. MATTER AS WE KNOW IT TODAY:
The Atomic Model, according to
QUANTUM FIELD THEORY

9. Credit: Serge Mavrodeo

10. The Universe, Structure, Composition, Dynamics
According to the Standard Model
Three main discoveries that lead us to think of the Universe the way we do:
-THE HUBBLE EXPANSION OF THE UNIVERSE
In 1929, Edwin Hubble proposed the Universe in expanding and
published the well known “ Hubble Law”
-BIG BANG NUCLEOSYNTHESIS
The abundance of light elements had to follow a temperature and hence
energy and development at the beginning. Finding this is true was a
formidable discovery.
-THE COSMIC MICROWAVE BACKGROUND RADIATION (CMBR)
The experimental discovery that such a radiation existed with the
expected Doppler shift, constituted

11. The Universe, Structure, Composition, Dynamics
Beyond the Standard Model
Three main discoveries that lead us to think that the Universe is
made up of other still uncertain components:
-THE EXISTANCE OF DARK MATTER and probably also DARK
ENERGY.
-THE STRUCTURE OF PERTURBATIONS AROUND THE SMOOTH
ZERO ORDER CONSTANT
-INFLATION, AS THE GENERATOR OF THESE PERTURBATIONS:
- Anisotropies of the CMBR
- The Flatness Problem
- Non existence of Magnetic Monopoles

12. BARYONIC MATTER
and the

Quantum Mechanics’
STANDARD
MODEL

17. BARYONIC MATTER: THE CLASSICAL ATOMIC MODEL

23. BOSONS

26. Quantum Fields & Mass of Elementary Particles in the Standard Model

31. BEYOND
THE
STANDARD MODEL

34. THE EVOLUTION
OF THE
UNIVERSE

43. •Peter Higgs, Robert Brout y François Englert
plantearon la existencia de un campo que se
formó después del Big Bang, para explicar la
existencia de partículas portadoras de fuerza
que tienen masa (gluón, Z, W- , W+).
•Este campo (campo de Higgs) interactúa con
ciertas partículas, proporcionándoles su
masa a través del bosón de Higgs.

LA PARTÍCULA HIGGS

47. The Following Transparencies
have not been covered in class

48. •El “Gran Colisionador de Hadrones” (LHC) tiene 28 km de
diámetro y esta a unos 100 m. bajo tierra, cruza Francia y
Suiza y pertenece a la organización europea CERN.
•Debe entrar e funcionamiento el 10 de Setiembre 2008 y
una de sus principales tareas es la búsqueda del Bosón
de Higgs.
•También podrá observar desde el inicio otras partículas,
incluyendo agujeros negros microscópicos. Existe temor
por las consecuencias, pero CERN ha establecido
seguridades muy altas.
•La siguiente vista muestra el CMS (Solenoide Compacto
de Muones)

El LHC en CERN, GINEBRA

51. •La siguiente vista muestra el interior del CMS (Solenoide
Compacto de Muones) que contiene unos 100 millones de
sensores, cada uno dispuesto para detectar diversas
partículas y fenómenos.

El LHC en CERN, GINEBRA

53. •La siguiente vista muestra una de las formas más
populares de transporte dentro del tubo principal del LHC

El LHC en CERN, GINEBRA

55. •En la siguiente foto, tomada en el 2008, se esta
instalando una tubería en el detector ATLAS, la última
sección del LHC. Este es el detector de partículas más
grande del mundo, mide 45m de longitud, 25m de ancho y
25 m de altura. Pesa 7,716 toneladas y consta de 100
millones de sensores para detectar las partículas
producidas por las colisiones protón-protón.

El LHC en CERN, GINEBRA

57. •La siguiente vista muestra la cámara de ALICE, que
registra y reconstruye las trayectorias de rayos cósmicos.
•Su diámetro de más de 5m, la hace la mayor de su tipo en
el mundo.

El LHC en CERN, GINEBRA

59. Simulación del detector de ALICE, en el que se muestra lo
que ocurrirá cuando colisiones iones de plomo en el LHC.
El LHC en CERN, GINEBRA

62. •Descubierto en 1897 por J.J. Thomson en el Laboratorio
Cavendish, Univ. de Cambridge, Inglaterra. Fue la primera
partícula subatómica en descubrirse.
•Thomson también descubrió que el electrón formaba parte
del átomo, que su masa era mucho menor que la del protón
y formó los primeros haces de partículas.
•La masa del electrón es 1840 veces menor que la del
protón pero su carga eléctrica es igual.
•El descubrimiento de Thomson empezó la nueva física
atómica, originó la física cuántica, dio nueva interpretación
a la química de valencias, produjo nueva interpretación de
la corriente eléctrica y dio nombre a la nueva disciplina del
Siglo XX : la Electrónica.

Leptones con carga :
EL ELECTRÓN (e)

63. •Descubierto en 1937 por Anderson, Neddmeyer & Stevenson
a través de experimentos para detectar rayos cósmicos
provenientes del espacio exterior.
•Su masa es 200 veces la del electrón, pero su carga es igual.
•Su poca interacción con la materia la hace altamente
penetrante.

Leptones con carga :
EL MUÓN ()

64. •Descubierto en 1975 en el acelerador lineal de Stanford
(SLAC) por Martin Perl y otros por la colisión de un haz de
electrones y otro de positrones y dio orígen al Premio Nóbel
de Física.
•El positrón y el electrón producen un tau y un antitau, los
que decaen, el primero en un positrón, un electrón neutrino
y un tau antineutrino y el segundo en un muón, un muón
antineutrino y un tau neutrino. Los 4 neutrinos resultan
indetectables:
Leptones con carga :
EL TAU ()

65. •El Electrón Neutrino, fue descubierto por Wolfgang Pauli
quien infirió su existencia en 1930 pero no fue observado sino
hasta 1959 por Reines y Cowan.
•El Mu Neutrino fue descubierto en 1961 por Lederman,
Steinberg y Schwartz , y recibieron el Premio Nóbel en 1988.
•El Tau Neutrino fue inferido en 1975 y observado en el
año 2000 en Fermilab por Lundberg y Paolone.
•El Neutrino Estéril, un cuarto tipo de neutrinos según una
teoría de Päs,Pakvasa y Weiler podría saltar de un espacio
extradimensional, fuera del nuestro de cuatro dimensiones y
explicar las oscilaciones de los otros neutrinos. El nuevo
MicroBooNE de Fermilab lo buscará a partir del 2011.

Leptones sin carga :
LOS NEUTRINOS
e






66. • Max Planck used fundamental and universal physical
constants to create a new system of units not based in
anthropological or geomorphic units but rather in the most
common and needed universal physical constants.
•If we choose G = c = h/2 = 1, a series of simplifications are
activated and although the resulting basic units turn out to be
extremely small or large, the system shows some basic
pattern that has a meaning in the physical, astrophysical and
cosmological understanding of our Universe.

UNIVERSAL UNITS

69. •En 1968, Gabriele Veneziano observó que una oscura
expersión matemática llamada la función Beta de Euler :
•describía muy bien algunos aspectos de la Fuerza Nuclear
Fuerte y nadie sabía porqué.
•En 1970, Nambu, Nielsen y Susskind encontraron que si
reemplazaban en una función de su teoría a las partículas
puntuales por una corta “cuerda” de una dimensión, la
solución resultaba ser la función Beta de Euler.
•Si bien la nueva Teoría de Cuerdas daba buenos resultados
intuitivos, pronto resultó dando predicciones contradictorias
con los esperimentos.

TEORÍA DE CUERDAS

70. •Otro de los problemas fue la aparición en la teoría de gran
número de modos de vibrar para las cuerdas y si cada uno
representa una partícula, habían mucho más modos que
partículas conocidas.
•Los éxitos del descubrimiento de los Quarks y la Teoría de la
Cromodinámica Cuántica y los fracasos experimentales de la
Teoría de Cuerdas trajeron un estancamiento a esta.
• Si cada modo-cuerda representa el bosón de una fuerza,
algunos modos no representaban a ninguna.

TEORÍA DE CUERDAS

71. •En 1974, John Schwarz y Joël Scherk encontraron que el
Gravitón, la hipotética partícula de interacción de la Gravedad
era descrito en la Teoría de Cuerdas mediante un modo de
vibración que tenía sus propiedades (dependencia de
radio de acción infinito, naturaleza atractiva únicamente). De
este modo se había hallado por primera vez, una posible
teoría cuántica que incluyera a la gravedad !, cosa que ni el
mismo Einstein había logrado tras décadas de trabajo.
•Sin embargo el trabajo de Schwarz y Scherk fue ignorado por
una década más.
TEORÍA DE CUERDAS

72. •En 1984, Michael Green y John Schwarz dieron nuevos bríos
con la modificación a la teoría para incluir Supersimetría,
cconvirtiéndola en la Teoría Supersimétrica de Cuerdas o
Teoría de SuperCuerdas.
•La teoría original de Veneziano describía sólo a los Bosones
pero era obvio que una “Teoría del Todo” debía incluir a los
Fermiones.
•En 1971 Pierre Ramond y otros en Fermilab ya había tratado
ello y descubierto que las oscilaciones de Bosones y
Fermiones ocurrían en pares. Para 1977 ya se entendía que
estas parejas correspondían a partículas supersimétricas.
TEORÍA DE SUPERCUERDAS

73. •Las cuerdas pueden ser abiertas o cerradas y cada una
puede vibrar en diferentes modos y frecuencias.
TEORÍA DE SUPERCUERDAS