Diapositiva 1

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El Universo en pequeña escala
Radiación
Materia
y Materia Oscura
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Radiación
Una onda electromagnética se produce por la
superposición de campos eléctrico y magnético
variables, retroalimentando uno al otro.
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La onda se caracteriza por su longitud de onda ?
y su frecuencia ?. Longitud de onda y frecuencia
están vinculadas por la relación
Donde c3 1010 cm/s es la velocidad de la luz. La
inversa de la frecuencia es el período T
Al considerar el conjunto de ondas
electromagnéticas de distintas frecuencias,
obtenemos el espectro electromagnético.
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Banda ? (m) ? (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
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La emisión de una onda de frecuencia ? 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
Donde kB ? 10-4 eV K-1 es la constante de
Boltzmann
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Banda ? (m) ? (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
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Banda ? (m) ? (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
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Termodinámica de la radiación
La presión de la radiación es
La densidad de energía es
Que equivale a una densidad de masa
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La densidad de entropía es
Si radiación en equilibrio se expande
adiabáticamente, permanece en equilibrio
(comparar con la experiencia de Joule!). La
entropía total permanece constante
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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.
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Materia
La primer partícula elemental que fue
identificada como tal fue el electrón,
descubierto por J. J. Thomson alrededor de 1900.
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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.
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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.
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Hacia 1905, Rutherford demostró que la mayor
parte de la masa de un átomo está concentrada en
una única estructura, que él llamó "núcleo".
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El núcleo más simple, el del Hidrógeno, puede
considerarse una partícula, el "protón".
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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).
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Hasta el momento no ha sido posible medir la vida
media del protón, aunque se conjetura que no
sería absolutamente estable.
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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)
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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.
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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.
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La existencia efectiva del neutrón fue demostrada
por Chadwick en 1932. Un neutrón libre decae en
alrededor de 10 minutos.
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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.
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Los neutrones y los protones están ligados en el
núcleo por las interacciones fuertes. El rango
de las interacciones fuertes es 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.
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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.
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Descubrimientos con rayos cósmicos

• 1937 Descubrimiento del muón.
• Es como un electrón, pero 200 veces
• más pesado

• 1947 descubrimento del pión

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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.
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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.
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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.
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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.
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Y también hay neutrinos...
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Los "neutrinos" fueron postulados por Pauli en
1930 para restaurar el balance de energía en el
decaimiento beta nuclear
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Hay muchas fuentes de neutrinos
El Sol
Supernovae
Fósiles del Big Bang
109 per m3
Aceleradores de partículas
Rayos cósmicos
Reactores
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Los neutrinos son eléctricamente neutros.
Interactúan por la llamada "fuerza débil".
La probabilidad de atrapar un neutrino
es 100,000,000,000 veces menor que para un
protón.
neutrinos
...
Un neutrino puede atravesar 200 Tierras sin ser
atrapado
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Pauli (con Heisenberg y Fermi)
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Detectados por primera vez en 1956 por Reines y
Cowan, utilizando un reactor como fuente
Observaron los destellos producidos por la
aniquilación del positrón
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Super-Kamiokande
Colaboración EEUU-Japón (100 físicos) Detector
de 50,000 ton de agua gt 1000 m de roca en todas
las direcciones Más de 10000 tubos
fotomultiplicadores de 20"
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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...
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Neutrinos atmosféricos
Producidos por rayos cósmicos en la atmósfera
(altura Z1520 km) rayo cósmiconúcleo del aire
mesones p n's En promedio, se producen dos
neutrinos del muón por cada uno del electrón. La
distancia de vuelo L al detector SK depende del
ángulo qZ 15 km para n's descendientes 13000
km para n's ascendentes
cosqZ1 L15 km
ZENITH
qZ
SK
cosqZ0 L500 km
NADIR
cosqZ -1 L13000 km
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Número esperado
El número de neutrinos del muón detectado estaba
por debajo de los valores esperados.
SK DATA
SK demostró que el déficit se producía sólo para
neutrinos ascendentes
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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.

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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

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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)
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El problema es que la teoría está construída
alrededor del concepto de neutrinos sin masa. No
es tan fácil incorporar neutrinos masivos.
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Materia Oscura
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
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La manera usual de medir la materia oscura es a
través de las curvas de rotación de galaxias.
Edge-on LSB galaxy NGC 5084
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(No Transcript)
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Cuando estudiemos el proceso de nucleosíntesis
veremos que la materia oscura NO PUEDE SER
bariónica. La teoría de nucleosíntesis demuestra
que en el Universo hay alrededor de 1010 fotones
por cada barión. Aún cuando cada barión tiene una
energía del orden de 1013 veces la energía de un
fotón de la radiación cósmica de fondo, igual
quedan densidades del orden de 10-32 g/cm3,
demasiado bajas para dar cuenta de las
observaciones.
Desde el punto de vista cosmológico, la pregunta
fundamental es si la materia oscura está
compuesta de partículas pesadas o livianas. La
evidencia parece favorecer la primer posibilidad.
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(No Transcript)