Lo minúsculo y lo inmenso pueden revelar un poco sobre sí.
Crédito de la imagen: Artwork by Ana Kova
Por Amanda Solliday, para Symmetry Magazinne Septiembre 05 de 2017
En la física de partículas, los científicos estudian las propiedades de los bits más pequeños de materia y cómo interactúan. Otra rama de la física—astrofísica—crea y prueba teorías acerca de lo que está sucediendo a través de nuestro vasto universo.
Mientras que la física de las partículas y la astrofísica parecen centrarse en los extremos opuestos de un espectro, los científicos de los dos campos dependen realmente unos de otros. Varias líneas de investigación actuales vinculan lo muy grande a lo muy pequeño.
Las semillas de la estructura cósmica
Por un lado, físicos de partículas y astrofísicos hacen preguntas sobre el crecimiento del universo primitivo.
En su oficina en la Universidad de Stanford, Eva Silverstein explica su trabajo analizando los detalles matemáticos del período más rápido de ese crecimiento, llamado inflación cósmica.
"Para mí, el tema es particularmente interesante porque se puede entender el origen de la estructura en el universo", dice Silverstein, profesor de física en Stanford y el Instituto Kavli para la astrofísica y cosmología de partículas. "Este paradigma conocido como inflación explica el origen de la estructura de la forma más simple y hermosa que un físico puede imaginar".
Los científicos piensan que después del Big Bang, el universo se enfrió, y las partículas comenzaron a combinarse en átomos de hidrógeno. Este proceso liberó previamente fotones atrapados-partículas elementales de luz.
El resplandor de esa luz, llamada el fondo cósmico de la microonda, permanece en el cielo hoy. Los científicos miden diferentes características del fondo de microondas cósmico para aprender más sobre lo que sucedió en los primeros momentos después del Big Bang.
De acuerdo con los modelos de los científicos, un patrón que primero se formó en el nivel subatómico eventualmente se convirtió en el fundamento de la estructura de todo el universo. Los lugares que eran densos con partículas subatómicas -o incluso sólo fluctuaciones virtuales de partículas subatómicas- atraían cada vez más materia. A medida que el universo crecía, estas áreas de densidad se convirtieron en los lugares donde se formaron galaxias y racimos de galaxias. El muy pequeño creció hasta ser el muy grande.
Los científicos que estudian el fondo de microondas cósmico esperan aprender más que sólo cómo creció el universo-también podría ofrecer una visión de la materia oscura, la energía oscura y la masa del neutrino.
"Es increíble que podamos investigar lo que sucedía hace casi 14.000 millones de años", dice Silverstein. "No podemos aprender todo lo que estaba pasando, pero todavía podemos aprender una cantidad increíble sobre los contenidos y las interacciones".
Para muchos científicos, "el impulso de trazar la historia del universo hasta sus comienzos es irresistible", escribió el físico teórico Stephen Weinberg en su libro de 1977, The First Three Minutes. El premio Nobel añadió: "Desde el comienzo de la ciencia moderna en los siglos XVI y XVII, físicos y astrónomos han vuelto una y otra vez al problema del origen del universo".
Buscando en la oscuridad
Los físicos de las partículas y los astrofísicos piensan tanto en la materia oscura como en la energía oscura. Los astrofísicos quieren saber qué es lo que formó el universo primitivo y qué es lo que constituye nuestro universo hoy. Los físicos de partículas quieren saber si hay partículas y fuerzas no descubiertas por ahí para el hallazgo.
"La materia oscura constituye la mayor parte de la materia en el universo, pero ninguna partícula conocida en el Modelo Estándar (de la física de partículas) tiene las propiedades que debería poseer", dice Michael Peskin, profesor de física teórica en SLAC. "La materia oscura debe ser muy débilmente interactiva, pesada o lenta, y estable durante toda la vida del universo".
Hay evidencia fuerte de la materia oscura a través de sus efectos gravitacionales sobre la materia ordinaria en galaxias y racimos. Estas observaciones indican que el universo se compone de aproximadamente 5 por ciento de materia normal, 25 por ciento de materia oscura y 70 por ciento de energía oscura. Pero hasta la fecha, los científicos no han observado directamente la energía oscura o la materia oscura.
"Esta es realmente la mayor vergüenza para la física de partículas", dice Peskin. "Por mucho que la materia atómica que vemos en el universo, hay cinco veces más materia oscura, y no tenemos idea de lo que es".
Pero los científicos tienen poderosas herramientas para tratar de entender algunas de estas incógnitas. En los últimos años, el número de modelos de materia oscura se ha expandido, junto con el número de formas de detectarlo, dice Tom Rizzo, científico de SLAC y jefe del grupo teórico.
Algunos experimentos buscan evidencia directa de una partícula de materia oscura que choca con una partícula de materia en un detector. Otros buscan evidencia indirecta de partículas de materia oscura que interfieren en otros procesos o se esconden en el fondo cósmico de microondas. Si la materia oscura tiene las propiedades correctas, los científicos podrían potencialmente crearla en un acelerador de partículas como el Large Hadron Collider.
Los físicos también están buscando activamente signos de energía oscura. Es posible medir las propiedades de la energía oscura observando el movimiento de racimos de galaxias en las distancias más grandes que podemos ver en el universo.
"Cada vez que aprendemos una nueva técnica para observar el universo, típicamente recibimos muchas sorpresas", dice Marcelle Soares-Santos, profesora de la Universidad de Brandeis e investigadora de la Encuesta de Energía Oscura. "Y podemos aprovechar estas nuevas maneras de observar el universo para aprender más sobre cosmología y otros aspectos de la física".
Crédito de la imagen: Artwork by Ana Kova
Fuerzas en juego
Los físicos de las partículas y los astrofísicos encuentran que sus intereses también se alinean en el estudio de la gravedad. Para los físicos de partículas, la gravedad es la única fuerza básica de la naturaleza que el Modelo Estándar no explica completamente. Los astrofísicos quieren entender el papel importante que desempeñó la gravedad y continúa jugando en la formación del universo.
En el Modelo Estándar, cada fuerza tiene lo que se llama una partícula portadora de fuerza o un bosón. El electromagnetismo tiene fotones. La fuerza fuerte tiene gluones. La fuerza débil tiene bosones W y Z. Cuando las partículas interactúan a través de una fuerza, intercambian estos portadores de fuerza, transfiriendo pequeñas cantidades de información llamada quanta, que los científicos describen a través de la mecánica cuántica.
La relatividad general explica cómo funciona la fuerza gravitacional en grandes escalas: la Tierra se mueve sobre nuestros propios cuerpos y los objetos planetarios se tiran unos a otros. Pero no se entiende cómo la gravedad se transmite por partículas cuánticas.
Descubrir una partícula de fuerza-portadora subatómica para la gravedad ayudaría a explicar cómo funciona la gravedad en pequeñas escalas e informar una teoría cuántica de la gravedad que conectaría la relatividad general y la mecánica cuántica.
Comparada con otras fuerzas fundamentales, la gravedad interactúa con la materia muy débilmente, pero la fuerza de la interacción rápidamente se hace más grande con las energías más altas. Los teóricos predicen que a energías suficientemente altas, como las que se ven en el universo primitivo, los efectos de la gravedad cuántica son tan fuertes como las otras fuerzas. La gravedad desempeñó un papel esencial en la transferencia del patrón a pequeña escala del fondo de microondas cósmico en el modelo a gran escala de nuestro universo actual.
"Otra forma en que estos efectos pueden llegar a ser importantes para la gravedad es si hay algún proceso que dura mucho tiempo", dice Silverstein. "Incluso si las energías no son tan altas como tendrían que ser sensibles a efectos como la gravedad cuántica instantáneamente".
Los físicos están modelando la gravedad sobre escalas de tiempo largas en un esfuerzo para revelar estos efectos.
Nuestra comprensión de la gravedad también es clave en la búsqueda de materia oscura. Algunos científicos piensan que la materia oscura no existe realmente; dicen que la evidencia que hemos encontrado hasta ahora es en realidad sólo una señal de que no comprendemos completamente la fuerza de la gravedad.
Grandes ideas, pequeños detalles
Aprender más sobre la gravedad podría decirnos sobre el universo oscuro, que también podría revelar una nueva visión de cómo la estructura en el universo se formó por primera vez.
Los científicos están tratando de "cerrar el círculo" entre la física de partículas y el universo primitivo, dice Peskin. A medida que los científicos investigan el espacio y vuelven más lejos en el tiempo, pueden aprender más sobre las reglas que gobiernan la física en las energías altas, que también nos dice algo sobre los componentes más pequeños de nuestro mundo.
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Crédito de la imagen: Artwork by Ana Kova
Por Amanda Solliday, para Symmetry Magazinne Septiembre 05 de 2017
En la física de partículas, los científicos estudian las propiedades de los bits más pequeños de materia y cómo interactúan. Otra rama de la física—astrofísica—crea y prueba teorías acerca de lo que está sucediendo a través de nuestro vasto universo.
Mientras que la física de las partículas y la astrofísica parecen centrarse en los extremos opuestos de un espectro, los científicos de los dos campos dependen realmente unos de otros. Varias líneas de investigación actuales vinculan lo muy grande a lo muy pequeño.
Las semillas de la estructura cósmica
Por un lado, físicos de partículas y astrofísicos hacen preguntas sobre el crecimiento del universo primitivo.
En su oficina en la Universidad de Stanford, Eva Silverstein explica su trabajo analizando los detalles matemáticos del período más rápido de ese crecimiento, llamado inflación cósmica.
"Para mí, el tema es particularmente interesante porque se puede entender el origen de la estructura en el universo", dice Silverstein, profesor de física en Stanford y el Instituto Kavli para la astrofísica y cosmología de partículas. "Este paradigma conocido como inflación explica el origen de la estructura de la forma más simple y hermosa que un físico puede imaginar".
Los científicos piensan que después del Big Bang, el universo se enfrió, y las partículas comenzaron a combinarse en átomos de hidrógeno. Este proceso liberó previamente fotones atrapados-partículas elementales de luz.
El resplandor de esa luz, llamada el fondo cósmico de la microonda, permanece en el cielo hoy. Los científicos miden diferentes características del fondo de microondas cósmico para aprender más sobre lo que sucedió en los primeros momentos después del Big Bang.
De acuerdo con los modelos de los científicos, un patrón que primero se formó en el nivel subatómico eventualmente se convirtió en el fundamento de la estructura de todo el universo. Los lugares que eran densos con partículas subatómicas -o incluso sólo fluctuaciones virtuales de partículas subatómicas- atraían cada vez más materia. A medida que el universo crecía, estas áreas de densidad se convirtieron en los lugares donde se formaron galaxias y racimos de galaxias. El muy pequeño creció hasta ser el muy grande.
Los científicos que estudian el fondo de microondas cósmico esperan aprender más que sólo cómo creció el universo-también podría ofrecer una visión de la materia oscura, la energía oscura y la masa del neutrino.
"Es increíble que podamos investigar lo que sucedía hace casi 14.000 millones de años", dice Silverstein. "No podemos aprender todo lo que estaba pasando, pero todavía podemos aprender una cantidad increíble sobre los contenidos y las interacciones".
Para muchos científicos, "el impulso de trazar la historia del universo hasta sus comienzos es irresistible", escribió el físico teórico Stephen Weinberg en su libro de 1977, The First Three Minutes. El premio Nobel añadió: "Desde el comienzo de la ciencia moderna en los siglos XVI y XVII, físicos y astrónomos han vuelto una y otra vez al problema del origen del universo".
Buscando en la oscuridad
Los físicos de las partículas y los astrofísicos piensan tanto en la materia oscura como en la energía oscura. Los astrofísicos quieren saber qué es lo que formó el universo primitivo y qué es lo que constituye nuestro universo hoy. Los físicos de partículas quieren saber si hay partículas y fuerzas no descubiertas por ahí para el hallazgo.
"La materia oscura constituye la mayor parte de la materia en el universo, pero ninguna partícula conocida en el Modelo Estándar (de la física de partículas) tiene las propiedades que debería poseer", dice Michael Peskin, profesor de física teórica en SLAC. "La materia oscura debe ser muy débilmente interactiva, pesada o lenta, y estable durante toda la vida del universo".
Hay evidencia fuerte de la materia oscura a través de sus efectos gravitacionales sobre la materia ordinaria en galaxias y racimos. Estas observaciones indican que el universo se compone de aproximadamente 5 por ciento de materia normal, 25 por ciento de materia oscura y 70 por ciento de energía oscura. Pero hasta la fecha, los científicos no han observado directamente la energía oscura o la materia oscura.
"Esta es realmente la mayor vergüenza para la física de partículas", dice Peskin. "Por mucho que la materia atómica que vemos en el universo, hay cinco veces más materia oscura, y no tenemos idea de lo que es".
Pero los científicos tienen poderosas herramientas para tratar de entender algunas de estas incógnitas. En los últimos años, el número de modelos de materia oscura se ha expandido, junto con el número de formas de detectarlo, dice Tom Rizzo, científico de SLAC y jefe del grupo teórico.
Algunos experimentos buscan evidencia directa de una partícula de materia oscura que choca con una partícula de materia en un detector. Otros buscan evidencia indirecta de partículas de materia oscura que interfieren en otros procesos o se esconden en el fondo cósmico de microondas. Si la materia oscura tiene las propiedades correctas, los científicos podrían potencialmente crearla en un acelerador de partículas como el Large Hadron Collider.
Los físicos también están buscando activamente signos de energía oscura. Es posible medir las propiedades de la energía oscura observando el movimiento de racimos de galaxias en las distancias más grandes que podemos ver en el universo.
"Cada vez que aprendemos una nueva técnica para observar el universo, típicamente recibimos muchas sorpresas", dice Marcelle Soares-Santos, profesora de la Universidad de Brandeis e investigadora de la Encuesta de Energía Oscura. "Y podemos aprovechar estas nuevas maneras de observar el universo para aprender más sobre cosmología y otros aspectos de la física".
Crédito de la imagen: Artwork by Ana Kova
Fuerzas en juego
Los físicos de las partículas y los astrofísicos encuentran que sus intereses también se alinean en el estudio de la gravedad. Para los físicos de partículas, la gravedad es la única fuerza básica de la naturaleza que el Modelo Estándar no explica completamente. Los astrofísicos quieren entender el papel importante que desempeñó la gravedad y continúa jugando en la formación del universo.
En el Modelo Estándar, cada fuerza tiene lo que se llama una partícula portadora de fuerza o un bosón. El electromagnetismo tiene fotones. La fuerza fuerte tiene gluones. La fuerza débil tiene bosones W y Z. Cuando las partículas interactúan a través de una fuerza, intercambian estos portadores de fuerza, transfiriendo pequeñas cantidades de información llamada quanta, que los científicos describen a través de la mecánica cuántica.
La relatividad general explica cómo funciona la fuerza gravitacional en grandes escalas: la Tierra se mueve sobre nuestros propios cuerpos y los objetos planetarios se tiran unos a otros. Pero no se entiende cómo la gravedad se transmite por partículas cuánticas.
Descubrir una partícula de fuerza-portadora subatómica para la gravedad ayudaría a explicar cómo funciona la gravedad en pequeñas escalas e informar una teoría cuántica de la gravedad que conectaría la relatividad general y la mecánica cuántica.
Comparada con otras fuerzas fundamentales, la gravedad interactúa con la materia muy débilmente, pero la fuerza de la interacción rápidamente se hace más grande con las energías más altas. Los teóricos predicen que a energías suficientemente altas, como las que se ven en el universo primitivo, los efectos de la gravedad cuántica son tan fuertes como las otras fuerzas. La gravedad desempeñó un papel esencial en la transferencia del patrón a pequeña escala del fondo de microondas cósmico en el modelo a gran escala de nuestro universo actual.
"Otra forma en que estos efectos pueden llegar a ser importantes para la gravedad es si hay algún proceso que dura mucho tiempo", dice Silverstein. "Incluso si las energías no son tan altas como tendrían que ser sensibles a efectos como la gravedad cuántica instantáneamente".
Los físicos están modelando la gravedad sobre escalas de tiempo largas en un esfuerzo para revelar estos efectos.
Nuestra comprensión de la gravedad también es clave en la búsqueda de materia oscura. Algunos científicos piensan que la materia oscura no existe realmente; dicen que la evidencia que hemos encontrado hasta ahora es en realidad sólo una señal de que no comprendemos completamente la fuerza de la gravedad.
Grandes ideas, pequeños detalles
Aprender más sobre la gravedad podría decirnos sobre el universo oscuro, que también podría revelar una nueva visión de cómo la estructura en el universo se formó por primera vez.
Los científicos están tratando de "cerrar el círculo" entre la física de partículas y el universo primitivo, dice Peskin. A medida que los científicos investigan el espacio y vuelven más lejos en el tiempo, pueden aprender más sobre las reglas que gobiernan la física en las energías altas, que también nos dice algo sobre los componentes más pequeños de nuestro mundo.
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