MATERIA OSCURA Y ENERGÍA OSCURA

Hubble Space Telescope:Imagen compuesta mostrando lo que puede ser un anillo de materia oscura en el racimo de galaxias Cl 0024 17. Imagen: NASA, ESA, M. J. Jee and H. Ford (Johns Hopkins University)

INDICE

El origen del misterio

Formas de enfrentarlo

· Reformulación de leyes

o Dinámica Newtoniana Modificada

o Constante Cosmológica de Einstei

HIPOTESIS DE BALANCE DE MATERIAS

LA CAZA DE LA WIMP.

· Preámbulo”. La súper simetría y las nuevas dimensiones

o Creación de la WIMP

o Detección de las WIMP

o Cristales Centellantes Experimento DAMA

o Experimento CDMS en FERMILAB

o Experimento Cámaras de burbujas

PROBANDO LA NO EXISTENCIA DE LA MATERIA OSCURA

PARA TERMINAR

ENTRADAS RELACIONADAS

-o-

EL ORIGEN DEL MISTERIO

Desde hace algunos decenios los astrónomos al calcular masas velocidades, masa y rotación, a nivel de grupos de galaxias han observado movimientos inexplicables que no son coherentes con las leyes de gravitación de Newton.

Por otra parte a nivel del universo todo y de acuerdo a la teoría cosmológica desde el Big Bang este se encontraría en una etapa de expansión como consecuencia de la explosión original, esta expansión duraría hasta que las fuerza gravitacional de atracción compense la fuerza centrífuga y la detuviera momento en cual comenzaría una contracción sobre sí mismo del universo hasta el llamado Big Crunch, en consecuencia el universo debería estar desacelerando su expansión continuamente. Sin embargo de acuerdo a mediciones la expansión se realiza actualmente en forma más rápida que en pasado como sí una fuerza desconocida actuara acelerando la expansión del universo. ¿No habría pues Big Crunch?.

Imagen compuesta mostrando el racimo de galaxias 1E 0657-56, también conocida como “Racimo Bala”. Este racimo se formó después de una colisión entre dos grandes racimos de galaxias, es el evento más enegético conocido desde el Big Bang . En azul lo que podría ser materia oscura. Crédito NASA/ Chandra

FORMAS DE ENFRENTARLO

Ante estos fenómenos hay dos alternativas posibles.

Las leyes de Newton no sirven como modelo para explicar los movimientos de los cúmulos galaxias y la expansión medida del universo y en consecuencia hay que reformularlas.

Hay que buscar otra alternativa.

· Reformulación leyes.

Se han formulado dos posibilidades

o Dinámica Newtoniana MOdificada ( MOND por MOdified Newtonian Dynamics).

En esencia, MOND añade una nueva constante universal de la naturaleza (a0) a la física, además de las existentes como lo son la velocidad de la luz (c), la constante de Planck (h), entre otras. Por encima de a0 las aceleraciones son exactamente como predijo la segunda ley de Newton, que dice que la fuerza de un objeto es igual al producto de su masa por su aceleración. Bajo a0, la gravedad decae con la distancia de una masa, en lugar de la distancia al cuadrado como había predicho Newton. Esta constante es tan pequeña que pasa desapercibida con las grandes aceleraciones que experimentamos en el día a día. Por ejemplo, cuando se suelta un balón la gravedad es de 100 mil millones de veces más fuerte que a0 y el movimiento acelerado de la Tierra alrededor del Sol es de 50 millones de veces más fuerte. Sin embargo, cuando los objetos están acelerando muy lentamente, como se observa en las galaxias o cúmulos de galaxias, entonces la constante a0 consti tuye una diferencia significativa al calcular las fuerzas gravitacionales resultantes.

o La constante cosmológica de Einstein

También de acuerdo a recientes mediciones de posición y velocidad en más de 10.000 galaxias lejanas en el tiempo, se ha estimado que las diferencias observadas en la expansión del universo que contradicen las leyes gravitacionales necesitan de añadir un ingrediente suplementario a la sopa cósmica, ingrediente con el cual el universo habría evolucionado a través del tiempo, este ingrediente bien podría ser una forma simple de energía oscura identificada con la célebre constante cosmológica introducida por Einstein, lo que podría llevar a añadir nuevas dimensiones a la descripción del espacio.

· Otra alternativa

En el caso alternativo que busca otras hipótesis para explicar las observaciones en lo relativo al comportamiento de los grupos galaxias, la hipótesis estándar hoy en día consiste en suponer la existencia de un halo de materia no luminosa alrededor de las galaxias constituido de materia oscura, materia oscura (Dark Matter) a su vez constituida por una partícula elemental no observada ni detectada confiablemente hasta hoy, esta partícula llamada WIMP (WIMP por Weakly-Interacting Massive Particles) sería una partícula masiva ( de mayor masa que las partículas conocidas) de interacción débil con la materia ordinaria, que no está comprendida en el modelo estándar de las partículas e interacciones (EL MODELO DE LAS PARTICULAS Y LAS INTERACCIONES), sin embargo una derivada de esa teoría, la teoría de la súper simetría de ser verificada puede confirmarla.

La búsqueda de la WIMP es el sueño del cazador físico de hoy (dream catch) en todo el mundo, se trata pues de capturar la existencia de esa partícula WIMP a la que se dedica gran esfuerzo teórico experimental.

La partícula, en realidad una súper partícula, WIMP tiene ya un perfil acotado.

  • No se agrupa formando materia o grandes cuerpos celestes, planetas o estrellas pero inclina la balanza al momento de medir
  • Es neutra en relación a todas las interacciones del modelo estándar de partículas.
  • Es masiva, gran masa con respecto a las otras partículas del modelo estándar.
  • Interactúa débilmente con la materia definida por el modelo estándar.
  • Es estable.

HIPOTESIS DE BALANCE DE MATERIAS

Entonces a partir de lo medido hasta ahora, en relación con el movimiento de los grupos de galaxias y la expansión del universo como un todo, se calcula que la composición del universo sería la siguiente.

  • 4 a 5 % aproximadamente de materia bariónica, es decir de materia ordinaria constituida por las partículas establecidas en el EL MODELO ESTANDAR Y DE LAS INTERACCIONES: Bariones; es la materia ordinaria que todos conocemos y palpamos.
  • 20 a 25 % de materia oscura (Dark Matter)constituidas por partículas elementales que no han sido observadas ni detectadas confiablemente, que explicaría el comportamiento de grupos de galaxias
  • 70 a 75%% de energía oscura (Dark Energy), que explicaría la expansión medida del universo.

Como energía igual materia de acuerdo a E=M*C2, se habla usualmente de un 5 % de materia ordinaria y un 95% de materia oscura.

DISTRIBUCION DE WIMP ALREDEDOR DE UNA GLAXIA
zebu.uoregon.edu/~soper/Mass/WIMPS.gif

LA CAZA DE LA WIMP.

Objetivo.Detectar la materia oscura, la cual habría sido detectada solamente a través de interacciones gravitacionales a gran escala.

· Preámbulo. La súper simetría y las nuevas dimensiones

Del modelo estándar de partículas se deducen algunas interrogantes ( INTERROGANTES DEL MODELO ESTANDAR DE LAS PARTICULAS ) una de ellas es la masa de las partículas, del como ellas adquirieron la masa y como es que tienen la masa que tienen, la explicación para ello es el Boson de Higgs (Falta HIGGS) una partícula masiva neutra (no detectada aún y es uno de los objetivos del LHC: LHC / EL GRAN COLISIONADOR DE HADRONES) que tendría la propiedad por interacción con el resto de las partículas de dotar de masa, pero si se verifica la existencia del boson de Higgs esto además de explicar el origen de la masa en el universo implicaría la existencia de una realidad espejo de las partículas del modelo, así para cada partícula del modelo estándar habría una partícula simétrica masiva, el Boson de Higgs es pues un nodo en la teoría. Es lo que se llama la super simetría. Pero hay más, en efecto de la teoría actual se deduce que en realidad habrían dos bosones de Higgs cada uno de los cuales tendría su equivalente super simétrico. Esta realidad super simétrica se encuentra en las cuatros dimensiones que conocemos ( espacio más tiempo), sin embargo hay teorías (teoría de las cuerdas) que la sitúan en otros dimensiones espacio tiempo un super espacio “abstracto” que podemos observar u otras dimensiones espacio tiempo y que también explicarían la materia negra…que tampoco podemos observar.

Partículas y partículas súper simetricas

Algunos experimentos para cazar las wimp.

La caza de las WIMP en el planeta se puede enfrentar ya sea intentando crearla en aceleradores de partículas o intentando detectarla directamente en algún experimento.

o Creación de la WIMP en un acelerador de partículas .

Para producir una WIMP en una acelerador se necesitan grandes cantidades de energía, la WIMP es masiva lo que implica el empleo de grandes cantidad de energía , E=MC2 implica que para crear masa se necesita energía. hay que producir vía una colisión de partículas de materia conocida, por ejemplo protones con anti protones, una partícula super simétrica muy masiva, que esta partícula a su vez se desintegre dejando alguna traza visible , que al desintegrarse decaiga en una partícula super simétrica de menor masa como Wimp sabiendo que la WIMP escapará sin ser detectada por su débil interacción con la materia bariónica, pero que sin embargo su existencia puede ser constatada en el balance energético del experimento por ausencia. Producir aquella partícula super simétrica mas masiva quela Wimp que pueda desintegrarse y dejara trazas en lo detectores actuales es muy difícil. El LHC puede ser la respuesta.

ACELERADOR EN EL LHC
http://estaticos01.cache.el-mundo.net/elmundo/imagenes/2007/04/09/1176153728_g_0.jpg

Detección de las WIMP

o Cristales Centellantes Experimento DAMA en ITALIA (DAMA experiment)

Detectar la Wimp implica también un experimento complejo esto por su débil interacción con la materia lo que obliga a un experimento blindado ante las perturbaciones de otras radiaciones que asolan la superficie terrestre, rayos x, rayos gamma, infrarrojos, radioactividad, fotones, etc.

Una línea es aquella utilización de detectores compuesto de cristales centellantes. Se asume que las WIMP tiene una gran masa sin carga eléctrica, una gran sección que al difundirse en la materia ordinaria e impactara un núcleo (de un átomo) produciría un retroceso de este y por añadidura se generarían fotones los que sí podrían ser detectados . Estos experimentos deben ser realizados por las necesidades de blindaje anti perturbaciones a gran profundidad bajo tierra.

Un experimento en esta línea es el DAMA ( Por DArk MAtter) laboratorio Gran Sasso Italia (http://people.roma2.infn.it/~dama/web/home.html ) en Italia que instalado a unos 1.000 metros de profundidad emplea como detector 100 kg de ioduro de sodio expuesto anualmente, DAMA afirma haber detectado ya WIMP lo que ha provocado una amarga polémica (dream catch) por las dudas que el experimento ha provocado en experimentos competitivos como por ejemplo el experimento del FERMILAB en Chicago EEUU.

DAMA. SENSORES CON BLINDAJE DE COBRE

DAMA:SENSORES EN ATMOSFERA DE NITROGENO

o Experimento CMDS en FERMILAB

El experimento del Fermilab es el llamado CDMS ( por: Cryogenic Dark Matter Search) que consiste en emplear técnicas criogénicas de Germanio y detectores de silicio que serían capaces de detectar WIMP.

Las WPIM se detectan a través de sus interacciones con los núcleos en el germanio. Cuando un núcleo se ve impactado, retrocede, causando que todo el cristal de germanio comience a vibrar. Estas vibraciones, o fonones, se propagan en la superficie del cristal donde calientan sensores de calor que consiste en delgadas de trampas de aluminio conectadas por filamentos de tungstenos. El tungsteno es llevado a temperatura crítica. Cuando los fonones alcanzan el aluminio, excitan partículas, las que se propagan al de tungsteno y lo calientan.

Cuando las partículas cuasi-estados alcanzan el tungsteno, la temperatura del tungsteno sube, y, por tanto, también lo hace la resistencia del circuito. Esto hace que la corriente de polarización circulante baje ya que el voltaje a través del tungteno se mantiene constante . El resultado del pulso resultante es captada por amplificadores SQUID (por Superconducting QUantum Interference Device), dispositivo superconductor cuántico de interferencia.

Además de las WIMP otras partículas pasan por los detectores. Los detectores CDMS están blindados para reducir al mínimo el número de esas otras partículas. Los detectores son capaces de discriminar entre la mayoría de ellos y señal WIMP. (ver: http://ppd.fnal.gov/experiments/cdms).

El experimento del Fermilab esta instalado en la Mina Soudan en Minnesota, alrededor de media milde profundidad (unos 800 metros).

CDMS/BASE DEL CRYOSTATO/ BASE HEXAGONAL DE DETECTOTE INSTALACION DE DETECTORES


TORRE CDMS VISTA DESDE ARRIBA

MUSICA CDMS

[YOUTUBE=http://www.youtube.com/watch?v=vilx7RSlups&eurl=https://guillegg.wordpress.com/]

o Experimento Coupp Cámaras de burbujas.

La historia tiene a veces vueltas atrás sorprendentes, la técnica de las cámaras de burbujas muy empleadas en los años 50 vuelve ahora a la búsqueda de la materia oscura.

El principio es muy simple un líquido transparente es llevado casi a ebullición en un cilindro, sometido a un campo magnético, dotado de un pistón. El líquido sobre calentado de manera a que solo cuando pase un haz de partículas se van a formar burbujas de gas y crecer rápidamente a modo de una cerveza fría. Estas burbujas pueden entonces ser fotografiadas, deducir su trayectoria en el campo magnético, su carga y su masa y determinar así el tipo de partícula. Usando esta técnica se descubrió el boson Z0. Está técnica fue desplazada por los detectores electrónicos ( Detectores de Partículas ) actuales como los empleados en el LHC, ya que estos hacen posibles el análisis de millones de partículas.

PRODUCCIÓN DE PARTICULAS CAMARA DE BURBUJAS / CREDITO.CERN

APARICIÓN DE BURBUJAS CON MATERIA ORDINARIA/ CREDITO COUPP

El experimento Coupp emplea una cámara de burbuja, está situado a unos 100 metros de profundidad bajo tierra en un túnel del FERMILAB. Se emplea un cilindrio de vidrio lleno CF3I (inicialmente 2 litros ahora pasará a 30 litros) líquido de extintor de incendio.. Si una partícula WIMP entra en colisión con un núcleo (de un átomo) en el fluido, el retroceso del núcleo impactado calentaría el fluido hasta al ebullición y formaría una pequeña burbuja. La burbuja se desarrollaría hasta alcanzar un milímetro y podría entonces ser fotografiada con cámaras digitales. Este experimento tiene la ventaja de ser inmune a los ruidos de fondo de partículas normales y como en los otros experimentos se implementa en profundidad para blindarse de los muones, gamma y X.

Además los científicos piensan que SI las partículas WIMP producen reacciones en función del spin ( tipo de rotación o momento cinético de una partícula) la cámara de burbujas los podría ver fácilmente. Lo que implicaría una CARACTERÍSTICA RESTRICTIVA ADICIONAL de la materia oscura

CREDITO : COUPP

PROBANDO LA NO EXISTENCIA DE LA MATERIA OSCURA

· Instituto de investigaciones de Física Teórica en Melbourne, Australia.

Otra alternativa ahora en curso de estudio tiene su origen en un evento peculiar que sucede durante los dos equinoccios ( Ver: http://physicsworld.com/blog/) que ahora traducimos desde el Blog de phisicswordl.

“El 20 de marzo y el 22 de septiembre (o en las cercanías) en dos lugares sobre la superficie de la Tierra, varias de las fuerzas gravitacionales en la Vía Láctea deberían anularse.

Un momento quieto como ese entre las turbulencias de nuestra galaxia proporciona una oportunidad ideal para una despiadada prueba de las leyes del movimiento de Newton. Algunos físicos piensan que sihay alguna desviación en las leyes a muy bajas aceleraciones implicaría que la materia oscura – la esquiva sustancia que se cree compone alrededor del 95% de la masa del universo y el sueño de los experimentos de captura (dream catch) en todo el mundo – no existe. En lugar de ello, todos los fenómenos relacionados con la materia oscura podrían ser explicados por una ligera alteración en las leyes de NEWTON conocida como Dinámica Newtoniana Modificada o MOND por MOdified Newtonian Dynamics.

Cuando Alex Ignatiev del Instituto de Investigaciones de Física Teórica Instituto en Melbourne, Australia, sometió la idea del experimento equinoccial, hubo un par de problemas con su propuesta. En primer lugar, la preocupación de que los icebergs extraviados en las altas latitudes, donde uno de los experimentos tendrían que llevarse a cabo, podrían dar una falsa señal gravitacional. En segundo lugar, Ignatiev no sabía la hora exacta en la que la señal deseada ocurriría.

Ahora, en un nuevo documento (paper), ha resuelto ambos problemas. Él ha demostrado que incluso los más grandes icebergs NO producirían una señal lo suficientemente grande como para confundir los datos. También ha demostrado como predecir las señales de tiempo exactas.

Uno de los árbitros del documento del Ignatiev ha dado un rico respaldo a la propuesta: “MOND es la principal alternativa para la materia oscura cósmica. Ha pasado un número sorprendente de pruebas astronómicas y esta desesperadamente necesitada de pruebas de laboratorio. El autor de la idea para la realización de pruebas MOND en un arreglo terrestre es la única propuesta viable que he escuchado jamás de esa posibilidad. Se trata de un problema sumamente importante, y merece ser explorado tal como el CDMS y los muchos otros experimentos de búsqueda de la materia oscura”.

CDMS: Búsqueda Criogénica de Materia Oscura (Cryogenic Dark Matter Search).

PARA TERMINAR

Finalmente cabe señalar que hay científicos que estiman que las discrepancias en la aceleración del universo que hacen pensar en la energía oscura se deben al polvo interesar que falsifican los cálculos .Otros piensan que el modelo estándar de las partículas y las leyes gravitacionales deben ser afinado antes de formular otras hipótesis “inútiles” cuasi religiosas.

Se comprende pues bien cuando Noam Chomsky ha dicho que nos movemos en una delgada capa de certidumbres posada sobre un mar de oscuridad e incertidumbres, que la ciencia no puede asegurar nada y que finalmente al menos la religión con su fe no tratando de explicarlo todo nos provee al menos de reglas de comportamiento.

Mapa de materia oscura (del telescopio) Hubble.(news.bbc.co.uk/…/img/1.jpg)

ENTRADAS RELACIONADAS:

1 EXPERIMENTOS FISICA PARTICULAS / UNA MIRADA

2 EL MODELO DE LAS PARTICULAS E INTERACCIONES

3 INTERROGANTES DEL MODELO ESTANDAR DE LAS PARTICULAS

4 FISICA DEL LHC

5 LHC / EL GRAN COLISIONADOR DE HADRONES

6MATERIA OSCURA Y ENERGÍA OSCURA

7 MATERIA OSCURA

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3 Respuestas a “MATERIA OSCURA Y ENERGÍA OSCURA

  1. Jose Luis Torres Lopez

    Estoy investigando como posecionarme magneticamente en un lugar especifico en la tierra

  2. Don José Luis

    ¿”Posecionarme” o ” Posicionarme”?

    Para posecionarse magneticamente de un territorio no hay que yo sepa medio ilegal como un arma exclusivamente magnética.

    El magnetismo está presente en todos los desarrollos tecnólogicos, en cada fenómeno eléctrico hay una contra parate mágnética.

    Para posicionarse magenticamente se hace uso del campo magnético terrestre, este campo desvía la aguja de una brújula.

    Sin embargo la brújula entrega como información solo una ángulo respecto del norte magnético, no se entrega pues una información precisa de un punto en la tierra. (por ejemplo Latitud, Longitud)

    Para obtener la coordenadas precisas de un punto se necesitan otros medios además del magnético, cartografía, GPS…etc

  3. todo esto me parece maravilloso me gustariaconocer mas sobre lo del universo

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