cerdeno materia oscura

8/18/2019 Cerdeno Materia Oscura

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El lado oscuro del Universo

¿De qué está hecho el Universo?

David G. Cerdeño

Universidad Autónoma de Madrid

Instituto de Física Teórica IFT-UAM/CSIC


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¿Cu! es e! com"onente "rinci"a! de! Universo#

A$ %tomos &"rotones'neutrones' e!ectrones$


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A$ %tomos &"rotones'neutrones' e!ectrones$

Mo!(cu!as

%tomos

)!ectrón

*rotón' neutrón &+uar,s$


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A$ %tomos &"rotones'neutrones' e!ectrones$ $ eutrinos


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C$ u0 &1otones$


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C$ u0 &1otones$ D$ 2tra cosa##


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C$ us &1otones$ D$ 2tra cosa##


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a materia de !a

+ue estamos3ec3os &+uar,s 4e!ectrones$ es sólo

un 4% delUniverso

C2M*2SICI5 D) UI6)7S2


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a materia de !a


un 4% delUniverso

Desconocemos !a natura!e0a de !os "rinci"a!es com"onentes de! Universo

Materia Oscura8 nueva 1orma de materia +ue no emite ni a9sor9e !u0

Energía Oscura8 :a!;o< &constante cosmo!ó;ica#$ +ue 3ace +ue !ae="ansión de! Universo se ace!ere



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La materia oscura...

¿Cómo sa9emos +ue e=iste#

¿Se "uede detectar#

¿>u( es#

a materia de !a


un 4% delUniverso



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Si no !a "odemos ver... ¿cómo sa9emos +ue 3a4 materia oscura#

Sir Isaac e?ton

Todo o9@eto con masa e@erce una 1uer0a deatracción so9re cua!+uier otro o9@eto conmasa.

e4 de Gravitación universa!

a 1uer0a es directamente "ro"orciona! a !asmasas e inversamente "ro"orciona! a!cuadrado de !a distancia +ue !as se"ara


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Sir Isaac e?ton

)sta 1uer0a nos "ermite entender' "ore@em"!o' e! movimiento de !os "!anetas.


M

v

Fuer0a;ravitaciona!

Fuer0acentrí1u;a

GmM

r

2 =

mv2

r

a 1uer0a de !a ;ravedadcom"ensa !a 1uer0a centrí1u;a


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Sir Isaac e?ton



a ve!ocidad derotación es 1unciónde !a masa 4 de !adistancia

v= G M

r

M

v

Fuer0a;ravitaciona!

Fuer0acentrí1u;a


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Sir Isaac e?ton


M

6


a ve!ocidad derotación es 1unciónde !a masa 4 de !adistancia

v= G M

r


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Sir Isaac e?ton

*odemos conocer !a masa de o9@etosinvisi9!es mediante e! movimiento deo9@etos visi9!es.



6

M =r

Gv2

M


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A"!icado a una ;a!a=ia' este m(todo nos "ermite ca!cu!ar !amasa total contenida &de o9@etos !uminosos 4 no !uminosos$

Adems' !a luminosidad de !a;a!a=ia est re!acionada con !amasa contenida en objetosluminosos.

v=

G M

r

Masa luminosa Masa total

Ba4 &MUCA$ materia &masa$ +ue no vemos MATERA O!"URA


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a ve!ocidad de rotación no se corres"onde con !a masaluminosa &!a +ue "odemos ver$

v=

G

M

r



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as ;a!a=ias estn rodeadas de un :3a!o< es1(rico de materia oscura

#alo demateria oscura

$&& '(c

$& '(c

a materia oscura esres"onsa9!e de! )&%de !a masa de !a;a!a=ia.

a4 muc3a msmateria oscura +uemateria ordinaria&!uminosa$


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Frit0 E?ic,4 H

Coma C!uster

Bos movimientos de !as;a!a=ias tam"oco soncom"ati9!es con !a materia!uminosa +ue se ve

)sto se a"!ica a todos !os cuer"os ce!estes)n cJmu!os de ;a!a=ias...



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a teoría de !a 7e!atividad Genera! "redice +ue !a !u0 se vea1ectada "or e! cam"o ;ravitaciona!

Cru0 de )instein

a !u0 se curva cuando "asa en !a cercanía de o9@etos mu4 masivos

A!9ert )instein

CJmu!o de Ga!a=ias

Ga!a=ia e@ana

:Ima;en<

:Ima;en<

Como si de una !ente se tratase K LE*TE! +RA,TA"O*ALE!


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Cru0 de )instein

Ga!a=4 C!uster A9e!! LH &ST$

a teoría de !a 7e!atividad Genera! "redice +ue !a !u0 se vea1ectada "or e! cam"o ;ravitaciona!

)stas !entes ;ravitaciona!es&1uertes$ dan !u;ar a mJ!ti"!esim;enes de un mismo o9@eto


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a materia oscura tam9i(n se "uede :ver< mediante :lentesgravitacionales<

" - m u l

o d e

+ a l a .

i a s

U s t e

d e s t /

a 0 u í

+ a l a .

i a s l e j a n a

s

)studiando !a distorsión de !as im;enes de ;a!a=ias !e@anas "odemosin1erir !a cantidad de materia +ue cru0a !a !u0 en su camino

*ro"orciona unamedida de !a cantidad

de materia invisi9!e&oscura$


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a materia oscura tam9i(n se "uede :ver< mediante :lentesgravitacionales<

)studiando !a distorsión de !as im;enes de ;a!a=ias !e@anas "odemosin1erir !a cantidad de materia +ue cru0a !a !u0

*odemos inc!usoca!cu!ar !a distri9ución

de materia oscura

A "artir de medidas de! Te!esco"io )s"acia! u99!e

Con1irma !ae=istencia de ;ran

cantidad de

MATERA O!"URA


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Fina!mente' todo esto est con1irmado "or estudios de !a:radiación de 1ondo de microondas


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)! sat(!ite NMA* 3a medido !atem"eratura de! 1ondo deradiación de microondas con;ran "recisión

Fina!mente' todo esto viene con1irmado "or estudios de! :1ondode radiación de microondas


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1*o sabemos de 0u2 est/ 3ec3a la maor (arte del Universo5

...!a materia de !a+ue estamos

3ec3os &+uar,s 4e!ectrones$ 1ormasó!o un de!

Universo

¿Se "uede detectar#

¿>u( es !a materia oscura#

Todas estaso9servaciones

con1irman +ue...

¿Cómo sa9emos +ue e=iste#


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EL LA6O O!"URO 6EL U*,ER!O


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¿>u( es !a materia oscura#

B)s un nuevo ti(o de materia

¿*uede ser materia ordinaria +ue no vemos &"or+ue emite"oca !u0$#

● *!anetas' enanas marrones' ;as 1río... no 3a4 su1icientes

"ara e="!icar toda !a materia oscura● Sería incom"ati9!e con !a teoría de! i; an;' +ue "redice!a a9undancia de e!ementos !i;eros &e!io' itio' etc$

● o emite ni a9sor9e !u0 &es oscura$

●

o decae &es esta9!e 4 e=iste desde !os "rimerosmomentos de! Universo$

● o tiene car;a e!(ctrica

●

Sa9emos cunta 3a4


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¿Un nuevo ti"o de materia# ........... uevas "artícu!as

ecesitamos *UE,A 78!"A ms a!! de! Mode!o )stndar de

*artícu!as e!ementa!es "ara e="!icar !a natura!e0a de !a materiaoscura.

Muc3as "osi9i!idades teóricas8

● A=iones

● Su"ersimetría

● Dimensiones )=tra&e! universo "odría tener msde dimensiones$

● )tc

A!;unas de estas teorías "odrían estudiarse con ace!eradores de"artícu!as como e! L#" &ar;e adron Co!!ider$


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Tiem"o

Tem"eratura

o4 . mi!!ones de años

TR

*artícu!as en e+ui!i9riot(rmico

Su nJmero decrece a

menor tem"eratura

a materia oscura se "roduce en e! Universo tem"rano

9roducción "or c3o+ues de "artícu!as ordinarias&+uar,s' e!ectrones$

Ani0uilación en "artícu!as ordinarias

D e

n s i d a d

d e


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Tiem"o

Tem"eratura


TR

*artícu!as en e+ui!i9riot(rmico De9ido a !a e="ansión de! Universo' !a densidad

de "artícu!as disminu4e 4 dejan de ani0uilarse


El resultado es una

cantidad de materiaoscura (resente 3oen dia

Su nJmero decrece a

menor tem"eratura

D e

n s i d a d

d e


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Tiem"o

Tem"eratura


TR




El resultado es una


La cantidad demateria oscura viene

determinada (or la:uer;a de suinteracción

Su nJmero decrece a

menor tem"eratura

D e

n s i d a d

d e


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Tiem"o

Tem"eratura


TR




El resultado es una


La cantidad demateria oscura viene

determinada (or la:uer;a de suinteracción

Su nJmero decrece a

menor tem"eratura

D e

n s i d a d

d e

1La 7ísica de 9artículas determina (ro(iedadesglobales del Universo5


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)! "roceso de 1ormación de estructuras en e! Universo se estudiacom"utaciona!mente "or medio de simu!aciones num(ricas demuc3os cuer"os.

2tro e@em"!o de! Institute 1or Com"utationa! Cosmo!o;4 Dur3am

a distri9ución demateria oscura 1ormauna estructura

1i!amentosa as ;a!a=ias se 1ormaríanen !as re;iones conma4or densidad

Simu!ación :Mare ostrum<

http://home/cerdeno/presentacion/2009Murcia/simulation-durham.mpghttp://home/cerdeno/presentacion/2009Murcia/simulation-durham.mpg


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as ;a!a=ias estn rodeadas de un :3a!o< es1(rico de materia oscura

a materia oscura esres"onsa9!e de! )&%de !a masa de !a;a!a=ia.

B)stamos rodeados demateria oscura


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*artícu!as de materia oscura :cru0an< a trav(s de !a Tierra &4 atrav(s nuestro$ constantemente.

¿Cómo !a "odemos detectar# UE6A! 6RE"TA!


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*artícu!as de materia oscura :cru0an< a trav(s de !a Tierra &4 atrav(s nuestro$ constantemente.

VDar, Matter W O × -P ; cm-

BA"ro=imadamente unas & &&& &&& &&& "artícu!as de materiaoscura nos 3an atravesado &a cada uno$ durante esta c3ar!a

v W ,m s-

Usando medidas de !a ve!ocidad de rotación "odemos ca!cu!ar !adensidad de materia oscura en !a 6ia ctea

*ero no !as notamos....

as "artícu!as de materia oscura tienenuna ve!ocidad media de


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*odemos em"!ear detectores mu sensibles "ara 9uscar estas"artícu!as

a "artícu!a de materiaoscura entra en e!detector...

C3oca con un nJc!eo 4 !odes"!a0a

)n e="erimentos actua!es intentamos o9servar e! des"!a0amiento de

nJc!eos de9ido a c3o+ues con materia oscura


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*odemos em"!ear detectores mu sensibles "ara 9uscar estas"artícu!as

)! des"!a0amiento de! nJc!eo "rovoca

● )misión de !u0

●

Ioni0ación

● Aumento de !a tem"eratura

os e="erimentos de detección

DI7)CTA intentan o9servar estasseña!es


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)stas "artícu!as interaccionan tan "oco +ue !os e="erimentos+ienen +ue estar ais!ados de otros ti"os de "artícu!as...

Ban de estar 9a@o tierra "ara "rote;erse de !os ra4os cósmicos)stos e="erimentos sesitJan en a9oratoriosSu9terrneos.

*or e@em"!o e! de"an:ranc


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Ban de estar 9a@o tierra "ara "rote;erse de !os ra4os cósmicos

IG)X' aIP'

72S)UD' AAIS

)stos e="erimentos sesitJan en a9oratoriosSu9terrneos.

*or e@em"!o e! de"an:ranc


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Ban de estar 9a@o tierra "ara "rote;erse de !os ra4os cósmicos

os e="erimentos se :9!indan< 1rente a ra4oscósmicos

AAIS' a9oratorio Su9terrneo de Can1ranc

)n su interior' crista!es de Yoduro de Sodiodetectan retrocesos nuc!eares emitiendo !u0


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Una "osi9!e 1orma de identi1icar !a seña! de materia oscura8

a Tierra or9ita a!rededor de! So!' +ue a su ve0 se des"!a0a a!rededor

de !a Ga!a=ia...

...!a ve!ocidad de !a Tierra dentrode! :;as< de materia oscurade"ende de !a ("oca de! año.

*or !o tanto !a interacción demateria oscura tiene una

de(endencia estacional

Zunio

Diciem9re


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Un e="erimento "odría 3a9er detectado 4a !a materia oscura

a co!a9oración 6AMA?L


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Actua!mente otros e="erimentos a!rededor de! mundo 9uscan seña!esdirectas de materia oscura' em"!eando otras t(cnicas 4 materia!es.

CDMS' Soudan mine

C2U**' C3ica;o


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2tra "osi9i!idad... UE6A! *6RE"TA!

as "artícu!as de materia oscura co!isionan entre e!!as 4 se ani+ui!andando !u;ar a otras "artícu!as &+ue intentamos detectar$

eutrinos

Fotones &!u0$

Antimateria

Diversos e="erimentos8

Detectores de neutrinos

Detectores de 7a4os cósmicos

Te!esco"ios &"ara ra4os ;amma$


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eutrinos

Fotones &!u0$

Antimateria

)n e! centro de !a Ga!a=ia

2 en otras ;a!a=ias


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eutrinos

Fotones &!u0$

Antimateria

Dentro de! So!

BInc!uso dentro de !a Tierra


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a ani+ui!ación de materia oscura dentro de !a Tierra "uede "roducirneutrinos' +ue interaccionan con !a roca 4 "roducen muones

eutrino

Muon

Detector *or e@em"!o' e! detectorATA7)S en e! Mediterrneo


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)stos muones se "ueden detectar "or+ue "roducen !u0 &radiación deCeren,ov$ a! atravesar a;ua o 3ie!o

a radiación Ceren,ov sedetecta con cientos de :o@os<e!ectrónicos


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a ani+ui!ación de materia oscura en e! 3a!o ;a!ctico se "uededetectar con sat(!ites o te!esco"ios

*or e@em"!o' e! te!esco"ioMAGIC en e! Canarias&29servatorio de! 7o+ue de!os Muc3ac3os$

2 e! sat(!ite *AM)A...


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E(erimentos de materia oscura alrededor del mundo


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+ru(os es(a@oles de detección de materia oscura

Universidad de Eara;o0a en e! a9oratorio Su9terrneo de Can1ranc&IG)X' aIP' 72S)UD' AAIS$

Detección directa

Detección indirecta

Universidad de MurciaUniversidad de A!ca! de enares &Au;er' Z)M-)US2$

Instituto de Astro1ísica de Anda!ucíaInstituto Astro1ísica de CanariasUniversidad de Com"!utense de MadridInstituto de Física de A!tas )ner;ías IFA) &MAGIC' CTA$

Instituto de Física Cor"uscu!ar IFICUniversidad *o!it(cnica de 6a!encia &Antares' RMet$


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+ru(os es(a@oles teóricos de materia oscura

Universidad Autónoma de MadridInstituto de Física Teórica IFTUniversidad Com"!utense de MadridUniversidad de arce!ona

Instituto de Física Cor"uscu!ar IFICUniversidad de MurciaUniversidad de ue!va...

Mode!os de materia oscura 4 1ísica ms a!! de! mode!o estndar


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"onclusiones

a ma4or "arte de! Universo es :2SCU72< 4 aJn D)SC22CID2

*ara e="!icar !a materia oscura necesitamos U)6A F[SICA

a materia oscura se "odría D)T)CTA7 en e="erimentos actua!es 41uturos

cerdeno materia oscura

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