1 La simetría y simplicidad de las Leyes de la FísicaJuan Martín Maldacena Institute for Advanced Study

2 La bella y la bestia

3 Necesitamos a ambos para comprender la naturaleza Simetría Simplicidad Elegancia Fuerzas de la naturaleza Electromagnetismo débil fuerte gravedad Complicado Misterioso Ruptura de la simetría (Bosón de Higgs) Necesitamos a ambos para comprender la naturaleza Somos los hijos de este matrimonio!

4

5 Las simetrías de la naturaleza están ocultas,y llevó tiempo y esfuerzo descubrirlas

6 Las fuerzas de la naturaleza se basanen ciertas simetrías 4 Fuerzas: Electromagnetismo Débil Fuerte Gravedad

7 Electromagnetismo Electricidad y magnetismo.Fuerza dominante en nuestra vida cotidiana: átomos, química, etc. Permaneció casi oculta hasta hace unos 300 años, debido a que las cargas positivas y negativas se cancelan casi exactamente en la materia. Dio lugar a grandes desarrollos tecnológicos.

8 Campo eléctrico Campo magnéticoEmpuja a las cargas Campo magnético Hace doblar a las cargas Relatividad  leyes de la física son las mismas para dos observadores en movimiento Campos eléctricos y magnéticos están relacionados

9 Los campos eléctricos y magnéticos tienen dinámica propia ypueden oscilar. Ondas electromagnéticas: Luz, ondas de radio, rayos X, etc.

10 El electromagnetismo se basa en una simetría: Simetría de “gauge” o de medida.Analogía monetaria

11 Dólar Real 3 reales = 1 dólar 3 pesos = 1 dólar 3.000 A = 1 dólar 1.000 A = 1 real 10 pesos = 1 real 1 peso = 1 real Peso 1 peso = A

12 Figura Rotaciones del círculo en cada punto del espacio-tiempoCambio de moneda  rotación en el círculo, transformación de gauge Tipo de cambio  potencial electromagnético Especuladores  electrones Oportunidades para especular  campo magnético Rotaciones del círculo en cada punto del espacio-tiempo Una partícula cargada se mueve en este círculo Figura

13 Mecánica cuántica A pequeñas distancias las leyes de la física son probabilísticas. Las energías de muchos sistemas suelen estar quantizadas. Ondas electromagnéticas están quantizadas Partículas y ondas.

14 Energía ~ frequencia de la ondaUnidad más pequeña de onda electromagnética: Fotón Menos energía Más energía Energía ~ frequencia de la onda

15 Rotacíon fotón Una partícula elemental puede rotarPero solo una pequeña cantidad de rotación, una mínima unidad Dirección de movimiento fotón Dos fotones con la misma dirección, energía y “spin” son idénticos

16 Electrón spin = ½ Una unidad de carga Para un electrón en reposo relacionados por una rotación

17 Tamaño de un átomo ~ 1/(masa del electrón)Electromagnetismo Un círculo en cada punto del espacio tiempo Electrón tiene carga El electrón tiene spin El electrón tiene una cierta masa Núcleos + electrones con sus interacciones electromagnéticas explican, en principio, la gran mayoría de los fenómenos que observamos diariamente. Tamaño de un átomo ~ 1/(masa del electrón)

18 La fuerza débil Es como tener una esfera en cada punto del espaciorotaciones: 3 variables  3 partículas de spin 1 y de masa cero. 3 “fotones débiles”. El electrón puede rotar en esta esfera La simetría de medida (de rotación de las esferas) determina las interacciones entre todas estas partículas

19 Neutrino flux. About 10^(11) per cm^2 per second . Energy about .5 MevPara la fuerza débil hay dos tipos de electrones spin ordinario electrón diestro zurdo neutrino spin débil (no se mueve en la esfera débil) Sólo parecería funcionar si el electrón no tuviera masa Neutrino flux. About 10^(11) per cm^2 per second . Energy about .5 Mev

20 Zurdo Diestro

21 neutrino Diestro Zurdo Las leyes de la naturaleza no son simétricas ante una reflexión en un espejo. Sólo existen los neutrinos zurdos

22 quarks (zurdos y diestros)Fuerzas Electromagnetismo Débil Partículas electrón zurdo y neutrino electrón diestro Fuerte quarks (zurdos y diestros) Muy simple Todas las partículas no tienen masa Basada en simetrías Magnitud de las fuerzas es bastante similar

23 Una esfera en cada puntoAntiguo Moderno Una esfera en cada punto del espacio Atlas sosteniendo la esfera celeste. Una esfera para todo el espacio

24 No es lo que vemos diariamenteLa masa del electrón es incompatible con la simetría débil No vemos 4 tipos de luz No vemos tan fácilmente a los neutrinos como a los electrones.

25 El bosón de Higgs (o algo similar)La bestia El bosón de Higgs (o algo similar) Partícula spin débil 1/2 sin spin ordinario El vacío esta lleno de estas partículas, todas sin momento y en el mismo estado Deforma la esfera Rompe la simetría Le da masa al electrón Hace que los átomos tenga un tamaño finito Tratar de hacer rotar la esfera en otras direcciones es muy difícil, las partículas tendrán una masa muy grande Bosones W y Z , fueron descubiertos en el CERN en 1983. Su masa sería un valor muy “extraño”.

26 elctrón diestro Electrón zurdo Electrón diestro y el zurdo pueden interactuar con las partículas de Higgs Esta interacción le da masa al electrón. Como el neutrino es solo diestro permanecería sin masa (interacciones con en antineutrino y las partículas de higgs le dan una masa muy pequeña) Los fotones débiles adquieren una masa ya que tienen spin débil  W, Z Cuesta hacer girar las esferas en relación a las partículas de Higgs que llenan el espacio

27 Z fotón electrón electrón neutrino ΔE ΔT > ђ No necesita pasar muy cerca No necesita pasar muy cerca

28 Cómo descubriremos el orígen de la ruptura de la simetría electrodébil?Altas energías  pequeñas distancias Necesitamos un microscopio muy poderoso

29 L H C Ginebra 27 Km de largo

30 LHC = Large Hadron ColiderGran colisionador de partículas gordas Gran colisionador de protones Pequeño colisionador de electrones

31 Pequeño colisionador de electronescampo magnético campo eléctrico

32 Energía que se le imparte a la partículaTelevisor vs LHC Energía que se le imparte a la partícula Televisor: Voltios LHC Voltios El LHC le entrega al protón mil millones de veces mas energía que un televisor

33 de televisores uno atrás del otro ?  Distancia a la lunaPonemos mil millones de televisores uno atrás del otro ?  Distancia a la luna No! Los protones dan vueltas alrededor de un círculo y reciben una pequeña cantidad de energía cada vez

34 ¿Porqué es tan grande el círculo?Es difícil generar un campo magnético tan grande como el que se necesita para hacer doblar a una partícula tan energética

35

36

37

38 Es complicado porque los protones son “gordos”Toda esta lluvia de partículas esta determinada por las simetrías de medida, sobre todo, la de la interacción fuerte. La conferencia que estamos tieniendo aquí en en la UBA se trata de encontrar nuevos métodos para calcular esto.

39 ATLAS

40

41

42 María Teresa Dova, Universidad de La PlataATLAS 2500 físicos 2 grupos en Argentina: María Teresa Dova, Universidad de La Plata Ricardo Piegaia, Universidad de Buenos Aires

43 ¿Tanto lío por el bosón de Higgs?Entender la naturaleza a distancias muy pequeñas Se espera que se descubran nuevas partículas Quizás se descubre la materia oscura O la supersimetría.

44 Materia Oscura Hay más materia de la que vemos. Es distinta a la nuestra.

45 En los próximos años tendremos interesantes descubrimientosen la física de partículas! Tendremos una visión mucho más completa que la actual.

46 Ruptura de La simetría Simetría Lo que ahora nos parece complicado y feo nos parecerá sencillo y claro

47 ¿Destruirá el mundo? No! Rayos cósmicos están constantemente llegando a la tierra Se han producido muchísimas de estas colisiones en la historia y la tierra todavía no ha sido destruida. Se trata de estudiar estas colisiones en forma controlada en el laboratorio

48 Conclusiones Las fuerzas de la naturaleza son muy simples y se basan en la existencia de ciertas simetrías En el LHC descubriremos como se rompe la simetría de la fuerza débil. Probablemente encontraremos algo más además del bosón de Higgs: materia oscura o supersimetría. Entenderemos mucho mejor las leyes fundamentales de la naturaleza

49

50