La Materia Extraña: Un viaje por la física de astropartículas

Summary

El guion explora cómo el comportamiento de la materia, desde la escala macroscópica hasta la subatómica, sigue reglas organizadas o es caótico. Descubre la composición de la materia ordinaria y la existencia de partículas como neutrinos y quarks. Expone la importancia de la Astropartícula Física para comprender fenómenos violentos del universo, como rayos gamma y ondas gravitacionales. Finalmente, plantea preguntas sobre la materia oscura y energía, y cómo proyectos como el Gran Colisionador de Hadrones y el Observatorio Pierre Auger contribuyen a desentrañar los misterios del universo.

Takeaways

• 🔬 La materia, que nos rodea y podemos tocar, está compuesta de moléculas, átomos y partículas elementales más pequeñas.
• 🌌 Desde la década de 1930, se han descubierto nuevas partículas subatómicas, como los neutrinos y los quarks, que forman los protones y neutrones.
• 🔬 Existen doce tipos de partículas fundamentales: seis leptones y seis quarks, que se combinan de diferentes maneras para formar la materia que conocemos.
• 🌟 La física de partículas también estudia cómo interactúan estas partículas fundamentales.
• 🌌 La radiación gamma, una de las energías más poderosas, se produce en estrellas y durante explosiones cósmicas, y su estudio nos ayuda a entender fenómenos violentos en el universo.
• 🛡 La atmósfera terrestre protege a la Tierra de la radiación gamma, transformándola en Cherenkov radiation, que puede ser observada por telescopios como MAGIC.
• 🌌 Los rayos cósmicos, de origen desconocido, son altamente energéticos y su detección es posible gracias a proyectos como el Observatorio Pierre Auger.
• 🔎 Los neutrinos, a pesar de ser una de las partículas más abundantes, tienen una masa muy pequeña y su detección es un desafío para la ciencia, como se busca en experimentos como IceCube y ANTARES.
• 🌌 Las ondas gravitacionales, predichas por Einstein, son un campo de estudio emergente en astropartícula física, con proyectos como LISA en desarrollo para su detección.
• 🌌 El misterioso dark matter y dark energy constituyen el 96% de la composición del universo, y su comprensión es crucial para entender su expansión y futuro.
• 🔬 Proyectos como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) y el futuro Gran Colisionador Lineal (ILC) son parte de los esfuerzos internacionales para explorar más sobre partículas y la naturaleza fundamental de la materia.

Q & A

¿Cómo se comporta la materia? ¿Sigue reglas organizadas o es su comportamiento caótico?

La materia, que es todo lo que podemos tocar y agarrar, sigue ciertas reglas a nivel subatómico y cósmico, pero también hay fenómenos caóticos como las explosiones dentro de las galaxias y las radiaciones gamma.

¿Cuáles son las partículas elementales que componen los átomos?

Los átomos están compuestos de protones, neutrones y electrones. Los protones y neutrones a su vez están hechos de partículas llamadas 'quarks', mientras que los electrones son leptones que no se pueden dividir más.

¿Cuántos tipos de leptones y cuántos tipos de quarks existen?

Existen seis tipos de leptones y seis tipos de quarks, que son las partículas fundamentales que componen la materia que nos rodea.

¿Qué son los neutrinos y cómo se descubrieron?

Los neutrinos son partículas subatómicas que fueron predichos en la década de 1930 y descubiertos en la década de 1950. Son muy difíciles de detectar porque casi no interactúan con la materia.

¿Qué es la radiación de Cherenkov y cómo se relaciona con los rayos gamma?

La radiación de Cherenkov es una luz azul producida cuando los rayos gamma de alta energía entran en la atmósfera y chocan con sus elementos, generando nuevas partículas. Se puede observar con telescopios como el MAGIC en la isla de La Palma.

¿Qué son los rayos cósmicos y de dónde provienen?

Los rayos cósmicos son partícules altamente energéticas de origen desconocido que casi alcanzan la velocidad de la luz. Al interactuar con la atmósfera y el campo magnético terrestre, generan cascadas de partículas.

¿Cómo se detectan los neutrinos si casi no interactúan con la materia?

Aunque los neutrinos casi no interactúan con la materia, en raras ocasiones pueden colisionar con un átomo y producir una partícula llamada 'muón' y una onda de choque que se pueden detectar.

¿Qué son las ondas gravitacionales y cómo se relacionan con la teoría de la relatividad general de Einstein?

Las ondas gravitacionales son cambios en el espaciotiempo creados por fenómenos cataclísmicos en el universo, tal como lo predijo Einstein. Para detectarlas, se están desarrollando herramientas avanzadas como el instrumento LISA.

¿Qué es la materia oscura y cómo se relaciona con el universo?

La materia oscura es una forma de materia que no emite ni interactúa con la radiación del espectro electromagnético, lo que hace que sea difícil de observar. Se cree que representa el 23% de la composición del universo.

¿Cuáles son algunos de los experimentos diseñados para encontrar materia oscura?

Experimentos como CDMS, XENON y DAMA están diseñados para detectar materia oscura, ya sea directamente o indirectamente, lo que podría ayudar a entender mejor el universo y sus propiedades.

¿Qué es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) y qué ha logrado a nivel mundial?

El LHC es un acelerador de partículas diseñado para examinar el comportamiento de protones en colisiones a alta velocidad. Ha logrado aislar átomos de antimateria por primera vez, lo que es un logro sin precedentes.

Outlines

00:00

🌌 Comportamiento de la Materia y Partículas Subatómicas

El primer párrafo explora cómo la materia se comporta a escalas muy pequeñas, desde moléculas y átomos hasta partículas subatómicas como quarks y leptones. Se menciona la historia de la física de partículas, desde la predicción de la existencia del neutrino en los años 30 hasta su descubrimiento en la década de 1950. Además, se aborda la composición de la materia ordinaria y la existencia de otras partículas que solo se pueden observar en laboratorios de alta energía o en la radiación cósmica. La sección también describe fenómenos astronómicos como la radiación gamma y cómo la atmósfera terrestre protege contra ella, así como la investigación de rayos cósmicos y neutrinos a través de proyectos como el Observatorio Pierre Auger y el experimento IceCube.

05:06

🔬 Astropartícula y Materia Oscura

El segundo párrafo se centra en la búsqueda de partículas neutrinos y la comprensión de ondas gravitacionales, fenómenos que son fundamentales en la astropartícula. Se describe cómo se detectan los neutrinos a través de experimentos como IceCube y ANTARES, y cómo se busca detectar ondas gravitacionales con instrumentos como LISA. El párrafo también aborda la misteriosa materia oscura y energía oscura, que juntos representan el 97% de la composición del universo, y cómo experimentos como CDMS, XENON y DAMA están diseñados para encontrar partículas de materia oscura. Finalmente, se mencionan proyectos futuros como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) y el Array de Telescopios Cherenkov (CTA), que buscan expandir nuestro conocimiento de la física de partículas y del universo.

Keywords

💡Materia

La materia es todo lo que podemos tocar y sentir, y constituye los objetos que nos rodean. En el vídeo, se menciona que la materia se compone de moléculas, que a su vez están formadas por átomos y partículas elementales. La exploración de cómo se comporta la materia y sus interacciones es central para entender el universo que nos rodea.

💡Átomos

Los átomos son las unidades básicas de la materia, compuestos por un núcleo de protones y neutrones, y electrones que orbitan alrededor. El vídeo destaca la importancia de entender la estructura de los átomos para descubrir las reglas que gobiernan el comportamiento de la materia.

💡Partículas elementales

Las partículas elementales, como los quarks y los leptones, son las piezas fundamentales que conforman los átomos. El vídeo menciona que hasta los años 1930s, se desconocían muchos de estos componentes, y su descubrimiento ha sido crucial para avanzar en la física de partículas.

💡Quarks

Los quarks son partículas subatómicas que forman parte del núcleo de los átomos, junto con los protones y neutrones. El vídeo explica que los protones y neutrones están compuestos de quarks, y son esenciales para comprender la estructura de la materia.

💡Leptones

Los leptones, como los electrones, son partículas elementales que no pueden dividirse y no interactúan fuertemente con otros tipos de partículas. El vídeo los menciona como un grupo de partículas fundamentales que forman la materia que conocemos.

💡Neutrino

El neutrino es una partícula subatómica que fue predicha en los años 1930 y descubierta en la década de 1950. El vídeo destaca su importancia en la física de partículas y cómo su descubrimiento llevó a la comprensión de niveles más profundos de la materia.

💡Rayos gamma

Los rayos gamma son una forma de radiación electromagnética de alta energía, mencionados en el vídeo como producto de explosiones en el universo y una de las energías más potentes conocidas. Su estudio es crucial para entender fenómenos astronómicos.

💡Radiación de Cherenkov

La radiación de Cherenkov es una forma de luz emitida cuando partículas cargadas viajan a una velocidad superior a la del sonido en un medio. El vídeo la menciona como un fenómeno detectable en la Tierra, que ayuda a los astrónomos a estudiar la radiación de rayos gamma.

💡Oscurezca

La oscurezca se refiere a la materia y energía que no pueden ser observadas directamente pero cuyas presencias son inferidas a través de su efecto en la gravedad. El vídeo destaca que la oscurezca y la energía oscura son las principales componentes del universo, lo que sugiere que solo un pequeño porcentaje de nuestro universo está formado por la materia que conocemos.

💡Detectores

Los detectores son dispositivos utilizados para capturar y medir partículas y radiaciones, como los neutrinos y los rayos gamma. El vídeo menciona experimentos como Icecube y ANTARES, que utilizan detectores inmersos en el hielo y el mar, respectivamente, para investigar partículas subatómicas.

💡LHC (Gran Colisionador de Hadrones)

El Gran Colisionador de Hadrones es un acelerador de partículas que ha permitido a los científicos estudiar la materia y la antimateria a altas energías. El vídeo lo menciona como un proyecto pionero desarrollado por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), que ha aportado conocimientos fundamentales sobre la física de partículas.

Highlights

Materia es todo lo que podemos tocar y agarrar, los objetos que sostemos y a los que nos aferramos.

Materia se vuelve inalcanzable a escalas muy pequeñas, con moléculas compuestas de átomos y átomos de partículas elementales.

Existen protones y neutrones en el núcleo atómico, y electrones alrededor.

La existencia del neutrino fue predicho en la década de 1930 y descubierto en la mitad de la década de 1950.

Los protones y neutrones están compuestos de 'quarks', mientras que los electrones son partículas indivisibles llamadas 'leptones'.

Hay seis tipos de leptones y seis tipos de quarks, que forman la materia que nos rodea.

La Física de Partículas se ocupa de los bloques de construcción fundamentales de la materia y de cómo interactúan.

Todas las partículas que conocemos están hechas de dos leptones y dos quarks.

Otras partículas solo pueden observarse en laboratorios de alta energía o por radiación cósmica.

La radiación Cherenkov es una nube azul que se forma en la Tierra cuando los rayos gamma interactúan con nuestra atmósfera.

Los rayos cósmicos, de origen desconocido, son altamente energéticos y casi alcanzan la velocidad de la luz.

El Observatorio Pierre Auger en España busca detectar rayos cósmicos con más de cinco mil detectores.

Los neutrinos, a pesar de ser una de las partículas más abundantes, tienen masa y pueden interactuar con la materia.

El experimento Icecube en la Antártida busca detectar reacciones de neutrinos usando 5,000 detectores bajo la冰.

Las ondas gravitacionales son creadas por fenómenos catastróficos en el universo y predecidas por Einstein.

El instrumento LISA, en desarrollo por la NASA y la ESA, busca observar ondas gravitacionales.

La materia oscura representa el 23% de la composición del universo, mientras que la energía oscura representa el 73%.

Experimentos como CDMS, XENON y DAMA buscan encontrar materia oscura y entender su papel en la expansión del universo.

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN ha aislado átomos de antimateria por primera vez.

El Cherenkov Telescope Array (CTA) y el International Linear Collider (ILC) son proyectos futuros que complementarán el LHC.

El CPAN de España coordina el papel del país en proyectos internacionales y europeos de investigación científica.

Transcripts

How does matter behave? Does it follow organized rules or is its behaviour just chaotic?

Matter is everything that we can grasp and touch, the things we hold on to, grab,

hang off and get hooked on; what we walk on,

swim in, fall on to, rest on. It is everything around us…

Yet if we let our mind imagine the tiniest of scales,

matter escapes us: it starts to shrink.

Molecules are made up of atoms, and atoms are in turn made up of elemental particles. Until the 1930s very few of these were known about.

We knew that an atom's nucleus contained protons and neutrons and that there were electrons floating around them.

As time went on, new discoveries started to be made...

It began with the neutrino. Its existence was predicted in the 1930s but it was the mid 1950s before it was actually discovered.

Now we had to descend to sub-atomic levels.

Protons and neutrons are made up of the famous “quarks”...

but other particles, lectrons, cannot be divided. They belong to a family called leptons.

Up to now, quarks and leptons had been the elemental particles; in other words they were thought to be indivisible, with no internal structure.

There are six types of leptons and six types of quarks.

The matter around us is entirely made up of different combinations of these twelve sub-subparticles.

Particle Physics is about the fundamental building blocks of matter, but it is also concerned with the way they interact.

All ordinary matter, the matter that we know, is made of two leptons and two quarks.

The other types of particles can only be observed in high energy laboratories or cosmic radiation reaching the Earth.

Finding out more about them will help us answer some of the many questions that matter poses...

A mild night. A sky full of stars that looks completely calm... Yet nothing could be farther from the truth.

Up there, all of the Universe's violence is on show. There are constant explosions inside the galaxies.

...and wild bursts from massive stars that are over a hundred times heavier than our Sun...

All of these phenomena come together to create one of the most powerful energies ever known: gamma rays.

This energy, which reaches us in the form of photons, is also produced by stars like our sun

and by atomic bombs.

The atmosphere protects us from the devastating effects of these rays from outer space.

Yet how does the Earth's covering keep us safe?

High energy gamma rays reach our atmosphere and, as they pass through it and collide with the elements in it, they split and recombine, making new particles that create a cloud.

This blue cloud reaches the surface of the Earth and we know it as Cherenkov radiation.

Telescopes like MAGIC, in the Canary island of La Palma, in Spain, can see this radiation and are used by astronomers to study it.

However, it is not only gamma rays that try to pass through our atmosphere.

Cosmic rays come from an unknown origin and are also highly energetic, almost reaching the speed of light.

What is their origin? Where do they come from?

Like other particles, when they arrive on Earth, cosmic rays encounter, not only the atmosphere of our planet, but also its magnetic field.

This makes them collide, split and mix before reaching us in a shape of cascades.

To detect cosmic rays, Spain's research community is a partner in the Pierre Auger Observatory Project, in which several of its institutions are participating.

When it is finished, the observatory will have more than five thousand detectors.

For a long time it was thought that neutrinos, which are one of the most abundant particles of the universe, had no mass at all.

But they do.

However, it is thought that they are too small to interact in any way with their environment, passing through any object that cross their path with no apparent effect.

If this is true, how can we detect them?

Sometimes, a neutrino collides with an atom. This produces another particle, called a “muon,” and a shock wave, which we can detect.

The Icecube experiment, which is being built in the South Pole, seeks to these reactions using 5,000 detectors.

The experiment will be carried out under the ice, where it is easier to see the blue light produced by this phenomenon.

The ANTARES experiment, a detector immersed in the Mediterranean sea, will also attempt to detect the presence of neutrinos.

How are gravitational waves born? What do they tell us about time and space?

It appears that gravitational waves can simply be created by big cataclysmic phenomena in the universe,

changes in Spacetime that were predicted by Albert Einstein in his General Theory of Relativity.

To detect them we need tools that do not yet exist.

At the moment, the LISA instrument, a joint project of NASA and the European Space Agency, which aims to observe gravitational waves, is in the design stage.

LISA will fire a laser beam that will pass through gravitational waves, giving us information about the changes that they produce.

Here we are, at the end of this journey into the mainstays of Astroparticle Physics...

We arrive here in the dark. Our journey has been full of unanswered questions, but the last one is the biggest of them all.

It is dark matter, truly the great unknown.

Again, we know that it exists because of the effects it produces around it. Dark matter does not emit, absorb or interact in any way with any kind of radiation in the electromagnetic spectrum: This could be why we have still not observed it.

According to the hypothesis, dark matter accounts for 23 per cent of all of the compounds in the Universe compounds.

Dark energy, which is equally mysterious, accounts for 73 per cent. This means that matter, as we know it, makes up just four per cent of the Universe...

Experiments like CDMS, XENON and DAMA are all designed to find dark matter.

In the future we expect there to be many other experiments looking for dark matter, either directly or indirectly.

Proving the existence of dark matter and understanding its properties could help us to understand why the Universe is expanding or even predict what will happen in the future:

will it continue expanding, or will the universe suffer another collapse?

We have asked a lot of questions and most of them remain unanswered

To ask them, and to be able to come up with more in the coming decades, work is beginning on major instruments like the Large Hadron Collider,

a particle accelerator designed to examine the behavior of protons when they collide at high speeds.

This Project, which has been developed by the European Organization for Nuclear Research (CERN), has isolated antimatter atoms for the first time, something that has never been done before.

Other international research groups are also leading the projects of the future,

among them the Cherenkov Telescope Array (CTA) – the next generation of earth-based gamma ray detectors -

and the International Lineal Collider(ILC), a particle accelerator that will complement CERN’s Large Hadron Collider,

which will be between 30 and 50 kilometers long and will enable scientists to find out more about electrons and their antiparticle: positrons.

Spain's National Center for Particle, Astroparticle and Nuclear Physics (CPAN, Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear) co-ordinates the country's role in all of these international and European projects, keeping it at the forefront of scientific research.

We have taken a journey through the open questions of Astroparticle Physics:

violent gamma rays, cascading cosmic rays, almost- imperceptible neutrinos, changes caused by gravitational waves and mysterious dark matter.

Thanks to science, technology and our own curiosity, we have set out on a fascinating adventure that will tell us more about the Universe we live in,

a place made of matter that seems strange to us, that moves in scales that seem very different but which, deep down, are not...