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Estación 1: Camino al Big Bang Palabras claves: Big Bang, partículas subtómicas, fuerzas elementales
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Estación 1: Camino al Big Bang
Palabras claves:
Big Bang, partículas subtómicas, fuerzas elementales
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Estación 1: Camino al Big Bang
Tabla de contenidos
Introducción 1. La física fundamental 2. Física de partículas y astropartículas 3. El "Big Bang" en el laboratorio 4. La materia y antimateria 5. Haciendo visibles las ondas de luz 6. Prueba de impacto para átomos 7. Visualización de una molécula Información adicional
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Preguntas motivadoras
¿Por qué las leyes de la naturaleza son como son? ¿Por qué durante el "Big Bang" el mundo no se
dispersó en forma de luz y formó antes bien materia estable?
¿Cómo se expandió el universo hasta alcanzar su tamaño actual? ¿Qué determinó su velocidad?
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¿Cuán constantes son las constantes naturales? ¿Y por qué las partículas elementales tienen la masa que poseen?
Éstas son las preguntas que se encuentran en el corazón de la física moderna y en la esencia de la creación. La vida humana nunca habría surgido en un mundo que presentase circunstancias apenas diferentes.
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Introducción
La investigación en física fundamental examina las propiedades de la materia a su nivel más primigenio, es decir, la interacción de las partículas elementales y principios de construcción y simetría, que tienen como resultado las abundantes estructuras y fenómenos que observamos en el mundo que nos rodea.
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La física estudia:
Física
Creación del
cosmos
Efectos cuánticos
Estructuras de los
sistemas moleculares
Estructuras de los
sistemas atómicos
Efectos cuánticos
Física de partículas elementales y astro-partículas
Física gravitacional Física atómica y
molecular Física nuclear Óptica cuántica Física gravitacional Física teórica
Disciplinas de la Física
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La investigación sobre los bloques elementales de construcción de la materia y las fuerzas fundamentales del universo ha revolucionado nuestra comprensión y conocimiento del origen, estructura y evolución futura de nuestro mundo.
Los experimentos que emplean rayos de partículas altamente energizados han puesto al descubierto hechos intrigantes que revelan que, además de los electrones dentro del cascarón atómico, existen otros leptones relacionados con los electrones y que los protones y neutrones que forman el núcleo del átomo están compuestos de objetos más pequeños, los llamados quarks.
1. La física fundamental
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Hasta donde sabemos, los leptones y quarks son los bloques elementales con los que se construye la materia tal como la conocemos.
Más aún, gracias a mediciones precisas de las interacciones de leptones y quarks, se logró la impresionante confirmación de la predicción teórica de que las fuerzas electromagnéticas y las débiles son en realidad diferentes manifestaciones de la misma fuerza.
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Se ha realizado también un descubrimiento igualmente sorprendente en el estudio de las fuerzas fundamentales.
Además de las fuerzas electromagnéticas y gravitacionales ya conocidas durante mucho tiempo, se descubrió otras dos fuerzas: la fuerza débil, que causa la degradación de los núcleos radioactivos, y la fuerza nuclear fuerte que enlaza los quarks dentro de los protones y neutrones, y que une a los protones y neutrones entre sí dentro de los núcleos.
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Tormenta eléctrica
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En la última década, la convergencia de la física de partículas elementales y la astrofísica se ha acentuado e intensificado en aun mayor medida. El análisis de las partículas elementales del cosmos proporciona información acerca de nuevas propiedades de estas partículas y, al mismo tiempo, abre una nueva ventana al cosmos.
Un tema central de la astrofísica y física de partículas modernas es la búsqueda de partículas misteriosas que conforman la materia oscura, la misma que constituye la mayor parte de la masa del universo.
2. Física de partículas y astro-partículas
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En el anillo de almacenamiento del GCH del CERN, se puede generar partículas de materia oscura mediante colisiones de alta energía. Para analizar el producto de las colisiones, se requiere complejos detectores de partículas, como el detector ATLAS compuesto por varios millones de elementos de detección.
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Empleando detectores altamente sensibles en laboratorios subterráneos, como en el caso del experimento CRESST, los investigadores buscan visibilizar los más mínimos movimientos que se producen cuando las partículas de materia oscura del halo de la Vía Láctea colisionan con núcleos atómicos.
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Desde 2008, el CERN de Ginebra ha empezado a recrear el "Big Bang". Mediante una intensa concentración de energía, los científicos prevén utilizar el Gran Colisionador de Hadrones para acelerar y hacer colisionar núcleos de plomo unos contra otros.
Como resultado de este proceso, los núcleos se fusionarán creando plasma quark-gluón, el caldo cósmico primigenio, con el cual se creó el universo poco después de su nacimiento hace unos 13 700 millones de años.
3. El "Big Bang" en el laboratorio
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CERN de Ginebra busca recrear el "Big Bang”
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La investigación de esta mezcla extremadamente caliente de partículas elementales arcaicas deberá proporcionar a los científicos nueva información sobre la manera en que las estrellas y las galaxias podrían haberse desarrollado en el joven universo.
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Inmediatamente después del "Big Bang", se produjo una violenta batalla en el caldo cósmico primigenio. Además de la materia normal, se produjo una cantidad similar de antimateria, colisionaron y se destruyeron mutuamente en un rayo de luz enceguecedor.
Esto lleva a los científicos a preguntarse por qué en realidad existe nuestro planeta después de todo. ¿Se creó más materia que anti-materia en el nacimiento de nuestro universo? ¿O es que la anti-materia presenta propiedades que todavía no conocemos? Los científicos que trabajan en experimentos en el Desacelerador Anti-protónico del CERN esperan resolver este misterio.
4. Materia y antimateria
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Los pulsos de luz ultra-cortos, de solo algunos cuantos femtosegundos de duración, son una herramienta extremadamente versátil. Permiten a los científicos desencadenar y examinar todo tipo de procesos atómicos y moleculares a velocidades tan elevadas que muchos fenómenos perturbadores no tienen tiempo para distorsionar la medición. De esta manera, se puede medir el tiempo con una precisión previamente inalcanzable.
5. Haciendo visibles las ondas de luz
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De la onda al aislante Mott
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Los investigadores de Óptica Cuántica del Instituto Max Planck construyen relojes atómicos que no pierden un segundo durante un periodo igual a toda la vida del universo.
Empleando pulsos de luz cortos, se puede generar rayos X que duran solo unos cuantos attosegundos (unas pocas millonésimas de una millonésima de una millonésima de segundo) dentro de plasmas de gas. A su vez, estos pueden ionizar átomos casi instantáneamente.
La luz visible que se añade a esta combinación transforma la energía de los electrones libres, que los investigadores miden utilizando osciloscopios de attosegundos. El resultado son las primeras vistas jamás logradas de las ondas de luz.
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Haciendo visibles las ondas de luz
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Una millonésima de una mil millonésima de un segundo: así de cortos son los pulsos láser con los que los científicos del Instituto Max Planck de Física Nuclear disparan a los átomos individuales en un rayo de átomos enfriados. Luego dirigen los fragmentos creados por el impacto, que son electrones e iones cargados positivamente, a través de campos eléctricos y magnéticos hacia dos placas de detección.
Estas placas registran la ubicación y momento del impacto de la partícula. De esta manera, los científicos pueden determinar las rutas de vuelo de las partículas y obtener información precisa durante la colisión.
6. Prueba de impacto para átomos
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Prueba de impacto en una molécula de plomo
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Los científicos emplean fotografías de alta velocidad con breves destellos estroboscópicos. Estos destellos duran sólo una millonésima de segundo. Sin embargo, para fotografiar reacciones químicas, los destellos tienen que ser inclusive más cortos. A lo más, sólo pueden durar un mil millonésima de un destello estroboscópico.
Los investigadores de Max Planck generan estos destellos ultra-rápidos sobreponiendo rayos láser de diferentes longitudes de onda. En muchas áreas, estos se cancelan mutuamente; en otras, se amplifican mutuamente durante un periodo de tiempo extremadamente corto.
7. Visualización de una molécula
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Impulsada por las extraordinarias exigencias tecnológicas de los aceleradores de partículas de alta energía y los detectores de partículas altamente sensibles, los físicos dedicados a la física de partículas experimental rápidamente tuvieron que organizarse y coordinar esfuerzos a nivel internacional para utilizar los recursos disponibles de manera eficaz y concentrada.
Dicha cooperación internacional no solo permitió alcanzar el éxito deseado para descifrar ciertas leyes de la naturaleza, sino que también condujo al desarrollo de nuevos métodos y tecnologías con gran potencial de aplicación en otras ramas de la ciencia, la economía y la vida cotidiana.
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Visualización de una molécula
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Información adicional
http://cern.ch/ http://www.sciencetunnel.com
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