La física de astropartículas , también llamada astrofísica de partículas , es una rama de la física de partículas que estudia las partículas elementales de origen astronómico y su relación con la astrofísica y la cosmología . Es un campo de investigación relativamente nuevo que surge en la intersección de la física de partículas, la astronomía , la astrofísica, la física de detectores , la relatividad , la física del estado sólido y la cosmología. En parte motivado por el descubrimiento de la oscilación de neutrinos , el campo ha experimentado un rápido desarrollo, tanto teórica como experimentalmente, desde principios de la década de 2000. [1]
Historia
El campo de la física de astropartículas se desarrolló a partir de la astronomía óptica. Con el crecimiento de la tecnología de detectores llegó la astrofísica más madura, que incluía múltiples subtemas de la física, como la mecánica , la electrodinámica , la termodinámica , la física del plasma , la física nuclear , la relatividad y la física de partículas. Los físicos de partículas encontraron que la astrofísica era necesaria debido a la dificultad para producir partículas con energía comparable a las que se encuentran en el espacio. Por ejemplo, el espectro de rayos cósmicos contiene partículas con energías tan altas como 10 20 eV , donde ocurre una colisión protón-protón en el Gran Colisionador de Hadrones a una energía de ~ 10 12 eV.
Se puede decir que el campo comenzó en 1910, cuando un físico alemán llamado Theodor Wulf midió la ionización en el aire, un indicador de radiación gamma, en la parte inferior y superior de la Torre Eiffel . Descubrió que había mucha más ionización en la parte superior de lo que se esperaba si solo se atribuyeran fuentes terrestres a esta radiación. [2]
El físico austriaco Victor Francis Hess planteó la hipótesis de que parte de la ionización se debía a la radiación del cielo. Para defender esta hipótesis, Hess diseñó instrumentos capaces de operar a grandes altitudes y realizó observaciones de ionización hasta una altitud de 5,3 km. De 1911 a 1913, Hess realizó diez vuelos para medir meticulosamente los niveles de ionización. A través de cálculos anteriores, no esperaba que hubiera ninguna ionización por encima de una altitud de 500 m si las fuentes terrestres fueran la única causa de la radiación. Sin embargo, sus mediciones revelaron que aunque los niveles de ionización inicialmente disminuyeron con la altitud, comenzaron a aumentar bruscamente en algún momento. En los picos de sus vuelos, encontró que los niveles de ionización eran mucho mayores que en la superficie. Hess pudo entonces concluir que "una radiación de muy alto poder de penetración entra en nuestra atmósfera desde arriba". Además, uno de los vuelos de Hess fue durante un eclipse de Sol casi total. Dado que no observó una caída en los niveles de ionización, Hess razonó que la fuente tenía que estar más lejos en el espacio. Por este descubrimiento, Hess fue una de las personas galardonadas con el Premio Nobel de Física en 1936. En 1925, Robert Millikan confirmó los hallazgos de Hess y posteriormente acuñó el término " rayos cósmicos ". [3]
Muchos físicos conocedores de los orígenes del campo de la física de astropartículas prefieren atribuir este "descubrimiento" de los rayos cósmicos por Hess como el punto de partida para el campo. [4]
Temas de investigación
Si bien puede ser difícil decidir sobre una descripción estándar de "libro de texto" del campo de la física de astropartículas, el campo puede caracterizarse por los temas de investigación que se están investigando activamente. La revista Astroparticle Physics acepta artículos que se centran en nuevos desarrollos en las siguientes áreas: [5]
- Física y astrofísica de rayos cósmicos de alta energía ;
- Cosmología de partículas;
- Astrofísica de partículas;
- Astrofísica relacionada: supernova , núcleos galácticos activos , abundancias cósmicas, materia oscura , etc .;
- Astronomía de rayos gamma de alta energía, VHE y UHE;
- Astronomía de neutrinos de alta y baja energía;
- Desarrollos de instrumentación y detectores relacionados con los campos antes mencionados.
Preguntas abiertas
Una tarea principal para el futuro del campo es simplemente definirse completamente a sí mismo más allá de las definiciones de trabajo y diferenciarse claramente de la astrofísica y otros temas relacionados. [4]
Los problemas actuales sin resolver para el campo de la física de astropartículas incluyen la caracterización de la materia oscura y la energía oscura . Las observaciones de las velocidades orbitales de las estrellas en la Vía Láctea y otras galaxias a partir de Walter Baade y Fritz Zwicky en la década de 1930, junto con las velocidades observadas de las galaxias en los cúmulos galácticos, encontraron un movimiento que excedía con creces la densidad de energía de la materia visible necesaria para explicar su dinámica. Desde principios de los noventa, se ha descubierto que algunos candidatos explican parcialmente parte de la materia oscura que falta, pero no son suficientes para ofrecer una explicación completa. El hallazgo de un universo en aceleración sugiere que una gran parte de la materia oscura que falta se almacena como energía oscura en un vacío dinámico. [6]
Otra pregunta para los físicos de astropartículas es por qué hay mucha más materia que antimateria en el universo de hoy. Bariogénesis es el término para los procesos hipotéticos que produjeron el número desigual de bariones y antibariones en el universo temprano, razón por la cual el universo está hecho de materia hoy en día, y no de antimateria. [6]
Instalaciones experimentales
El rápido desarrollo de este campo ha llevado al diseño de nuevos tipos de infraestructura. En laboratorios subterráneos o con telescopios, antenas y experimentos satelitales especialmente diseñados, los físicos de astropartículas emplean nuevos métodos de detección para observar una amplia gama de partículas cósmicas, incluidos neutrinos, rayos gamma y rayos cósmicos a las energías más altas. También buscan materia oscura y ondas gravitacionales . Los físicos de partículas experimentales están limitados por la tecnología de sus aceleradores terrestres, que solo pueden producir una pequeña fracción de las energías que se encuentran en la naturaleza.
Las instalaciones, experimentos y laboratorios involucrados en la física de astropartículas incluyen:
- IceCube ( Antártida ). El detector de partículas más largo del mundo se completó en diciembre de 2010. El propósito del detector es investigar neutrinos de alta energía, buscar materia oscura, observar explosiones de supernovas y buscar partículas exóticas como monopolos magnéticos. [7]
- ANTARES (telescopio) . ( Toulon , Francia ). Un detector de neutrinos a 2,5 km bajo el mar Mediterráneo frente a la costa de Toulon, Francia. Diseñado para localizar y observar el flujo de neutrinos en la dirección del hemisferio sur.
- XENONnT, la actualización de XENON1T , es un experimento de búsqueda directa de materia oscura ubicado en los Laboratorios Nacionales del Gran Sasso y será sensible a los WIMP con una sección transversal SI de 10-48 cm 2 .
- BOREXINO , un detector en tiempo real, instalado en Laboratori Nazionali del Gran Sasso , diseñado para detectar neutrinos del Sol con un objetivo centelleador líquido orgánico . [8]
- Observatorio Pierre Auger ( Malargüe , Argentina ). Detecta e investiga rayos cósmicos de alta energía utilizando dos técnicas. Una es estudiar las interacciones de las partículas con el agua colocada en los tanques detectores de superficie. La otra técnica consiste en seguir el desarrollo de las lluvias de aire mediante la observación de la luz ultravioleta emitida en lo alto de la atmósfera de la Tierra. [9]
- Telescopio Solar CERN Axion (CERN, Suiza). Busca axiones que se originan en el sol.
- Proyecto NESTOR ( Pylos , Grecia ). El objetivo de la colaboración internacional es el despliegue de un telescopio de neutrinos en el fondo del mar frente a Pylos, Grecia.
- El Observatorio Kamioka es un laboratorio de neutrinos y ondas gravitacionales ubicado bajo tierra en la mina Mozumi cerca de la sección Kamioka de la ciudad de Hida en la prefectura de Gifu, Japón.
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso es un laboratorio que alberga experimentos que requieren un entorno de fondo de bajo ruido. Situado dentro de la montaña Gran Sasso , cerca de L'Aquila (Italia). Sus salas experimentales están cubiertas por 1400 m de roca, que protege los experimentos de los rayos cósmicos.
- SNOLAB
- Red europea de astropartículas Aspera Iniciada en julio de 2006 y es responsable de coordinar y financiar los esfuerzos nacionales de investigación en física de astropartículas.
- Proyecto Telescope Array ( Delta, Utah ) Un experimento para la detección de rayos cósmicos de energía ultra alta (UHECR) utilizando una matriz terrestre y técnicas de fluorescencia en el desierto del oeste de Utah.
Ver también
- Física de astropartículas (revista)
- Proceso urca
- Problemas sin resolver en física
Referencias
- ^ De Angelis, Alessandro; Pimenta, Mario (2018). Introducción a la física de partículas y astropartículas (astronomía de múltiples mensajeros y sus fundamentos de la física de partículas) . Saltador. doi : 10.1007 / 978-3-319-78181-5 . ISBN 978-3-319-78181-5.
- ^ Longair, MS (1981). Astrofísica de altas energías . Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press . pag. 11. ISBN 978-0-521-23513-6.
- ^ "17 de abril de 1912: Vuelo en globo de Victor Hess durante el eclipse total para medir los rayos cósmicos" . Consultado el 18 de septiembre de 2013 .
- ^ a b Cirkel-Bartelt, Vanessa (2008). "Historia de la física de astropartículas y sus componentes" . Reseñas vivientes en relatividad . Instituto Max Planck de Física Gravitacional. 11 (2): 7. Bibcode : 2008LRR .... 11 .... 7F . doi : 10.12942 / lrr-2008-7 . PMC 5256108 . PMID 28179823 . Consultado el 23 de enero de 2013 .
- ^ Física de astropartículas . Consultado el 18 de septiembre de 2013 .
- ^ a b Grupen, Claus (2005). Física de astropartículas . Saltador. ISBN 978-3-540-25312-9.
- ^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 23 de enero de 2013 . Consultado el 24 de enero de 2013 .Mantenimiento de CS1: copia archivada como título ( enlace )
- ^ http://borex.lngs.infn.it Archivado el 23 de julio de 2012 en la Wayback Machine.
- ^ "Inicio" . Archivado desde el original el 6 de mayo de 2013 . Consultado el 29 de abril de 2013 .
- Perkins, DH (2009). Astrofísica de partículas (2ª ed.). Prensa de la Universidad de Oxford . ISBN 978-0-19-954546-9.
enlaces externos
- Portal de la red europea Aspera
- www.astroparticle.org: todo sobre la física de las astropartículas ...
- Noticias de Aspera
- Noticias de física de astropartículas en Twitter [ enlace muerto permanente ]
- Instituto Virtual de Física de Astropartículas
- Alianza Helmholtz para la Física de Astropartículas
- Física de astropartículas de UCLA en UCLA
- Revista de cosmología y física de astropartículas
- Física de astropartículas en los Países Bajos
- Física de astropartículas y altas energías
- TEA: Laboratorio de Física de Astropartículas en la NASA
- Enseñanza de la física de las astropartículas