En busca de dimensiones adicionales en el universo, mediante

En busca de dimensiones adicionales, en el
universo mediante colisiones con neutrones
A. Frank, UNAM, México
P. Van Isacker, GANIL Francia
J. Gómez-Camacho, Sevilla, España
Physics Letters B
Volume 582, 26
February 2004,
Paginas 15-20
INSTITUTO DE CIENCIAS
NUCLEARES
EMFN Junio 27,2007
La Escuela de Atenas
Rafael 1510-1511
EMFN Junio 27,2007
Teoría y Experimento
EMFN Junio 27,2007
La Mecánica Cuántica
EMFN Junio 27,2007
La naturaleza y tecnologías
cu
á
nticas
¿Ondas o partículas?
Teleportación cuántica
Paradojas:
EMFN Junio 27,2007
Relatividad
EMFN Junio 27,2007
Es la ley de gravitación universal
(o la relatividad general de Einstein) correcta para cualquier
escala?
EMFN Junio 27,2007
Además de la gravedad, existen tres fuerzas
fundamentales en la naturaleza:
electro-magnética, fuerte y débil.
Eléctrica y Magnética: Maxwell demostró en 1860
que son en realidad la misma fuerza!
„
EMFN Junio 27,2007
Las Fuerzas en la Naturaleza
EMFN Junio 27,2007
Escala de Predominio
EMFN Junio 27,2007
Podría haber mas dimensiones?
Recordemos la conversación entre Esfera y Un Cuadrado
en Flatland: Una historia en muchas dimensiones (Edwin
A. Abbott, 1884):
„
„
„
Esfera: Pero donde está esa
tierra de cuatro
dimensiones?
Sr. Cuadrado: No lo sé. Pero
seguramente mi Maestro lo
sabe.
Esfera: Yo no! No hay tal
tierra. La misma idea me
parece totalmente
inconcebible.
EMFN Junio 27,2007
Pero la topología del espacio puede ser compleja:
compactificación del espacio
EMFN Junio 27,2007
Dimensionalidad y simetría
„
„
Ejemplo simple de simetría « b q d p »:
„
En dos dimensiones b puede convertirse en q y d en p.
„
En tres dimensiones b, d, p y q pueden todas transformarse entre sí.
En general: mayores dimensiones dan cabida a una mayor simetría.
O será que la simetría puede ser un reflejo de la existencia de mas
dimensiones?
EMFN Junio 27,2007
Reflexión Espacial (inversión)
Rotaciones y Traslaciones Discretas
Reflexión Especular
EMFN Junio 27,2007
(a) the two-headed winged lion (Tell Hallaf, about 5000 B.C.); (b) formation of
motifs (cave paintings, La Pileta, Spain); (c) art of the pre-dynastic period of
Egypt; (d) motif from the Ionian amphora; (e) two-headed Mayans snake; (f)
primitive art of the American Indians.
EMFN Junio 27,2007
EMFN Junio 27,2007
EMFN Junio 27,2007
Invariancia de Escala: fractales y caos
EMFN Junio 27,2007
Otro Concepto Básico: Rompimiento de la
Simetría
EMFN Junio 27,2007
Unificación
EMFN Junio 27,2007
El modelo estandard
„
„
„
Unificación de tres de las fuerzas: electromagnética, fuerte y débil.
Ningún dato experimental contradice al
Modelo Standard , con la excepción de la
masa no nula del neutrino.
Aun no se observa “el bosón de Higgs”
que explica la masa de las partículas
EMFN Junio 27,2007
modelo standard: la teoría última?
„
El Modelo Standard no es la última palabra, tiene 19
parámetros libres.
Estos parámetros deben ajustarse con mucho cuidado,
los efectos cuánticos desestabilizan la teoría.
No incluye a la gravedad.
EMFN Junio 27,2007
Y la gravedad?
De hecho las teorías modernas
de la física, como la teoría de
cuerdas y la aparición de
muchas dimensiones,
provienen de los esfuerzos por
comprender la gravedad (y
unificarla con las otras fuerzas)
EMFN Junio 27,2007
La “insoportable levedad del ser” de la gravedad
(con permiso de Milan Kundera)
„
„
„
Con un pequeño imán
podemos levantar un
trozo de hierro,
venciendo a la fuerza de
gravedad de la tierra
entera!!
La fuerza eléctrica entre
dos electrones es 1043
veces mas grande que la
atracción gravitacional!
Por qué la gravedad es
tanto más débil que
las otras fuerzas?
EMFN Junio 27,2007
„
Problema de jerarquía:
esencialmente la enorme
diferencia entre las
intensidades de las fuerzas de
norma del modelo standard y
la gravedad
La escala de Planck
Una escala fundamental de la naturaleza
h de Planck: mecánica cuántica
Estas son las tres
teorías más
fundamentales de la
naturaleza
G gravedad
c relatividad
EMFN Junio 27,2007
La escala electro-débil
Otra escala fundamental de la
naturaleza (primer rompimiento
de simetría)
GF = constante de Fermi: asociada con los
decaimientos débiles (beta+, beta-) y la
masa de las partículas (Higgs)
ES 14 ORDENES DE MAGNITUD MAS
PEQUEÑA QUE Rp
EMFN Junio 27,2007
Que es la unificación?
“Constantes” de acoplamiento variables
Escala de
Planck
10^(-35) m
EMFN Junio 27,2007
Cualitativamente
„
„
„
A que se debe esta dependencia de las fuerzas en la
energía (o la distancia)?A la polarización del vacío!
El “vacío” no es tal!! El vacío es un océano de
partículas, es “granuloso”.Las partículas virtuales
pueden influir en la interacción:
Ejemplo: Las cargas eléctricas están rodeadas de pares
de partícula-antipartícula que “visten” a la carga y la
apantallan. Cuando nos acercamos más vemos una
carga efectiva mucho mayor Æ el acoplamiento
electromagnético crece
EMFN Junio 27,2007
Fuerzas Nucleares
„
„
En cambio, las fuerzas nucleares (p. ej :
entre quark y antiquark) al alejarse
aumenta su intensidad por la carga de los
gluones
A esto se llama libertad asintótica (la
interacción Æ cero a cortas distancias: Æ
el acoplamiento fuerte disminuye (P.Nobel
2004)
EMFN Junio 27,2007
Además: la simetría aumenta a escalas menores
Analogía: en un cristal, L = 10-8 cm Æ la
simetría de los electrones a escala atómica
(asociada a cada átomo individual) se
reduce a escalas mayores:
a)Para las interacciones
electrodébiles, la escala de mayor
simetría(unificación) es de 10-19 cm
b) Gravedad: (strings) escala de Planck
10-33 cm?
EMFN Junio 27,2007
La Gravedad y su “Vacío”
„
„
„
„
Pero tal vez la “espuma” gravitacional
existe a escalas mayores?
Literalmente el espacio-tiempo sería
también espumoso (EN ESTE CASO LAS
BURBUJAS DE N-DiMENSIONES!)
Es G también variable con la distancia?
A escalas mayores: “rompimiento espontáneo”
de la simetría Æ
EMFN Junio 27,2007
como unificar a la gravedad?
„
Soluciones “convencionales” via supersimetría (con
dimensiones del orden de la escala de Planck):
Portadores de fuerza: bosones (de norma)
Materia: fermiones.
„
“Loop Quantum Gravity”
EMFN Junio 27,2007
Supercuerdas: la única teoría finita de la gravedad
cuántica (pero con 10 o 11 dimensiones , 6 o 7 enrolladas a
la escala de Planck).
„
Sin embargo: “La teoría de supercuerdas es la primera teoría
física que parece terminar
con la necesidad de experimentos” S. Glashow
„
„
Solución Radical: Arkani-Hamed, Dimopoulos &
Dvali (ADD-1999): “dimensiones adicionales
grandes” (LED) o DAG.
EMFN Junio 27,2007
Cuerdas abiertas y cerradas
De acuerdo a la Teoría de Membranas (M-Theory) las
cuerdas asociadas a las fuerzas de norma (electrodébil y
fuerte) son abiertas (open strings). Están “sujetas” en
sus extremos a nuestra membrana tridimensional.
„
En cambio los gravitones son cuerdas cerradas (closed
strings) capaces de explorar otras dimensiones.
EMFN Junio 27,2007
La hipótesis LED
Las fuerzas electromagnéticas, débiles y nucleares fuertes están
confinadas a tres dimensiones espaciales pero la gravedad no lo está.
(De la teoría de D-branas).
EMFN Junio 27,2007
La hipótesis LED
„
„
„
Las dimensiones adicionales
(compactificadas)pueden tener
una escala mucho mayor que
la escala de Planck.
La fuerza de gravedad actúa
en todas las dimensiones a
pequeñas distancias, pero
queda confinada a tres
dimensiones a mayores
distancias.
La teoría LED ha provocado
una gran actividad teórica y
experimental > 1500 artículos
que lo citan
EMFN Junio 27,2007
¿Como puede ser que no veamos la
gravedad de las dimensiones compactas?
EMFN Junio 27,2007
Fuerzas internas, simetrías y dimensiones
„
„
Serán las fuerzas de norma reflejo
también de dimensiones adicionales
“compactificadas” ?
Los espacios “internos”: spin, isospin,
hipercarga, …. serán reflejo de estas
dimensiones?
EMFN Junio 27,2007
LED
„ Recapitulando:
idea central:
„
tal vez las dimensiones
adicionales son mucho
mayores que la escala de
Planck: RcÆ de hasta
una fracción de milímetro
(pero solo la gravedad
“explora estas
dimensiones”)
“Son las supercuerdas mas
apropiadas para un
departamento de
Matemáticas o uno de
estudios religiosos?
Sheldon Glashow (The
Charm of Physics”1991)
EMFN Junio 27,2007
Debilidad de la Gravedad
„
Por qué es tan débil?
(ADD)
La gravedad es mas
intensa en el espacio Ndimensional y solo un
mínimo residuo se filtra a
las tres dimensiones de
nuestra “membrana 3dimensional”?(La
“sombra” de la intensidad
real N-dimensional
(Sci Am. Julio 2005))
„
EMFN Junio 27,2007
Vemos solamente una parte de la realidad?
EMFN Junio 27,2007
Dimensiones Grandes(LED)
„
„
„
„
LED: modifica la concepción de la longitud a la que la
gravedad se hace “suficientemente” grande: alrededor
de la escala electrodébil: aprox: 10-19 cm (primer
rompimiento espontáneo de simetría).
La fuerza gravitacional (1/r2) solo ha sido verificada
experimentalmente hasta ~10-4 m.
Las hipótesis y teorías actuales requieren SUPONER la
gravedad 1/r2 por ~32 ordenes de magnitud.
Ningún dato experimental excluye la posibilidad
de más dimensiones, no detectadas!
EMFN Junio 27,2007
LED explicaría algo mas?
„
„
„
Resolvería problema de jerarquía (por
diseño)
El bosón de Higgs, o: ¿Como adquieren
masa las partículas?
Materia y Energía obscuras?(Ver “Out of the
Darkness” de Georgi Dvali, Scientific
American , Febrero 2004)
EMFN Junio 27,2007
Como imaginar estas
dimensiones?
EMFN Junio 27,2007
Porqué no vemos estas
dimensiones adicionales?
EMFN Junio 27,2007
Gravedad en N Dimensiones
Esfera: superficie
S3= 4π r^2
„
Para N
dimensiones nocompactas:
m1
r12
Esfera en 4
dimensiones:
S4=2 π^2 r^3
5-dim S5=
(8/3)π^2 r^ 4……
Acoplamiento
dependiente
de N
m2
N-1
EMFN Junio 27,2007
Potencia
dependiente
de N
Una derivación simple de Rc (ordenes de
magnitud)
Supongamos que la
transición desde N- a 3
dimensiones ocurre
súbitamente en el
“radio de compactificación”
r=RC
„
„
La condición
FN(Rc)=F3(Rc)
implica
GN=G Rc N-3
„
Conjetura: La fuerza Ngravitacional a la escala
electrodébil RW es igual
que la fuerza 3d a la
escala de Planck RP
EMFN Junio 27,2007
1 fermi:
10^-13 cm
„
Encontramos una
relación entre
constantes
fundamentales y Rc:
Predicción de Rc como función de N (en fermis)
EMFN Junio 27,2007
Teoría Alternativa:5 Dimensiones(metrica no-diagonal)
„
„
„
Sun, 20 Jan 2002 19:16:28 -0500 (EST)
Hello.
In our scenario, the KK modes are
relatively heavy (TeV scale vs 10-4 eV).
This will only affect gravity at distances
far too short to be measured. However,
these modes would appear at colliders at
the TeV scale. They could appear as
resonances, as opposed to missing
energy in the ADD scenario,
although a variant of the model I did
with Lykken also gives rise to missing
energy signatures.
I hope this is clear.
Best, Prof Randall
EMFN Junio 27,2007
„
No hay predicción medible
sobre cambios en la ley de
Newton, excepto a grandes
escalas (Scientific American,
febrero 2004)
Constricciones Experimentales
„
„
N=4 se excluye por las órbitas planetarias
N=5 está en el límite actual de los
experimentos de torsion que no observan
desviaciones de 1/r2 hasta ~0.1 mm
(Adelberger, pero éstos solo miden en el
borde exterior de esta región)
EMFN Junio 27,2007
Pero pueden detectarse? Mini-balanzas de
Torsión
„
„
„
Physicists Find Extra Dimensions
Must Be Smaller Than 0.2
Millimeter
Péndulos de torsión modernos:
Experimento de Cavendish del
siglo XXI (Adelberger et al)
A torsion pendulum with 10 holes is
suspended by a tungsten fiber so thin it is
barely visible in the photo. The pendulum
hangs less than a millimeter above a
rotating plate that also has 10 holes. The
plate exerts gravitational twist on the
pendulum that is measured by bouncing a
laser beam off a mirror at the top of the
pendulum. Feb. 19, 2001
EMFN Junio 27,2007
En el otro límite: Experimentos a altas energías
A altas energías >1019
ev (Experimentos en
CERN y otros labs) se
espera pérdidas de
energía por gravitones
escapando a las otras
dimensiones
EMFN Junio 27,2007
Que hacer en el rango intermedio?
„
Podemos explorar el
rango intermedio? Queda
una gran zona
inexplorada entre 10-2 cm
hasta 10-19 cm !!
(Nuevo exp de
Rutherford?)
•Nuestra propuesta es
usar dispersión de
neutrones para buscar
efectos
gravitacionales!!
EMFN Junio 27,2007
Por qué usar neutrones?
De acuerdo a : D Dubbers del I. de Física de la U. de
Heidelberg (Nuclear Physics News, Vol 5, 1995):
“Los neutrones reaccionan a todas las fuerzas, excepto la fuerza
electrostática de larga distancia. Las técnicas experimentales con
neutrones “fríos” y “utrafríos” no tienen rival en la física
experimental. Por ejemplo, con la resolución de momento que
puede lograrse hoy en día, un cambio en las trayectorias de los
neutrones de un angstrom (10-8 cm) sobre una longitud de haz
de 10 metros puede ser detectada , y cambios de energía de
10-21 ev pueden ser detectados” (!!)
También pueden polarizarse en un 98% y la polarización ser
controlada con < 10-6 radianes.
La situación ha mejorado sustancialmente en la última década.
EMFN Junio 27,2007
EMFN Junio 27,2007
Dispersión de partículas
Rutherford:
Medición de
ángulos
de dispersión
EMFN Junio 27,2007
Dispersión de neutrones
„
„
„
Los físicos nucleares han adquirido mucha experiencia con
reacciones con neutrones.
Los neutrones, por no estar cargados y por la facilidad para
producirlos, se han convertido en un proyectil de gran utilidad como
partículas de sondeo.
(reactorÆselector de velocidad(ventilador)ÆblancoÆdetector)
Experimentos con neutrones ultra-fríos:
Nature 415, 297 - 299 (17 January 2002)
Quantum states of neutrons in the Earth's gravitational field
VALERY V. NESVIZHEVSKY*, HANS G. BÖRNER*, ALEXANDER K. PETUKHOV*, HARTMUT ABELE†,
STEFAN BAE LER†, FRANK J. RUE †, THILO STÖFERLE†, ALEXANDER WESTPHAL†,
ALEXEI M. GAGARSKI‡, GUENNADY A. PETROV‡ & ALEXANDER V. STRELKOV§
* Institute Laue-Langevin, 6 rue Jules Horowitz, Grenoble F-38042, France
EMFN Junio 27,2007
Detectores
EMFN Junio 27,2007
Neutrones exhiben estados cuantizados en el
campo gravitacional de la tierra
„
„
„
<< News for January 2002 >>
Neutrons reveal quantum effects of gravity
17 January 2002
Physicists have observed quantized states of matter under the
influence of gravity for the first time. Valery Nesvizhevsky of the
Institute Laue-Langevin and colleagues found that cold neutrons
moving in a gravitational field do not move smoothly but jump
from one height to another, as predicted by quantum theory. The
finding could be used to probe fundamental physics such as the
equivalence principle, which states that different masses
accelerate at the same rate in a gravitational field (V Nesvizhevsky
et al 2001 Nature 415 297).
EMFN Junio 27,2007
EMFN Junio 27,2007
Un calculo “simplista” de carácter clásico
„
El ángulo de deflección Θ en la
dispersión clásica (Ndimensional para r<Rc) para
una partícula con energía E y
parametro de impacto b es
EMFN Junio 27,2007
“Predicciones” clasicas
Tomando parámetro de impacto b≈1
fm, E≈1 meV, m1=m2=m
nucleon:
Para N=5 o más, todas las
predicciones parecen ser
medibles! Pero:De Broglie
se interpone: neutrones de
1 meV tienen λ≈1.5 10-10 m.
EMFN Junio 27,2007
Estimaciones con Mecánica Cuántica
„
Suponiendo potenciales
gravitacionales y nucleares para
208Pb + neutron de la forma:
Fuerzas comparables (en MeV) a distancias R= (en
fm):
EMFN Junio 27,2007
EMFN Junio 27,2007
Resultados
EMFN Junio 27,2007
Resultados
„
Para las energías ideales en (n+Pb)
encontramos que el caso mas favorable es N=5.
En ese caso esperamos detectar un efecto de
interferencia entre la fuerza nuclear (a valores
bajos de L) y la fuerza N-gravitacional (a L mas
altos)-> “arcoiris”
Para el Plomo 208, en condiciones ideales:
„
Es solo un “suspiro en el rugido de fondo”
„
„
Pero, la dependencia angular es muy
diferente!
EMFN Junio 27,2007
Podemos detectar este murmullo en el rugido de
fondo?
„
„
„
„
A diferencia de la amplitud nuclear que es esencialmente
independiente del angulo :
la amplitud gravitacional varía fuertemente con L y E:
Æseñal específica.
Sección nuclearÆ 5 b/sr
interferencia nuclear- gravitacionalÆ .4 nb/sr
EMFN Junio 27,2007
EMFN Junio 27,2007
Propuesta experimental
„
„
Se requiere de dos detectores: uno a un
angulo muy cercano a cero. El segundo
debe variar a angulos pequeños, buscando
variaciones de la señal (el número de
neutrones detectados),que oscile en forma
correlacionada con la sección eficaz total.
Una posibilidad: el dispositivo n-TOF
(neutron time-of-flight experiment) en
CERN
EMFN Junio 27,2007
Segunda posibilidad: experimento de V.Nesvizhevsky en Grenoble: Mediciones
Directas en el Reactor o desviaciones en la detección de neutrones en el
campo gravitacional terrestre.
EMFN Junio 27,2007
„
„
„
„
„
„
„
„
„
„
„
„
„
„
„
„
„
„
„
ILL MILLENNIUM SYMPOSIUM
and European Users Meeting
Thursday, 27th April 2006
11:00-14:00 Registration at Europole (Rail Station Complex, Grenoble)
12:30-13:30 Lunch
Plenary Session - Setting the Scene (Chair: D. Dubbers)
14:00-15:30 C. J. Carlile: Perspectives and Opportunities
D. Richter: The view from the ILL Scientific Council
P. Radaelli: The ILL on the World Scene
15:30-16:00 Coffee Break
Plenary Session - Scientific Advances (Chair: D. Richter)
16:00-17:30 C. Alba-Simionesco: Slow dynamics of polymers and the glass transition
A. Harrison: Magnetism and polarized Neutrons
P. Schurtenberger: Soft Matter and Neutrons
17:30-18:00 Break
Evening Plenary Session (Chair: C. Carlile)
18:00-20:00 D. Dubbers: The Institute Laue-Langevin and the role of Neutron Science
A. Frank: Gravity and Additional Dimensions
H.-U. Güdel: Molecular Nanomagnets
EMFN Junio 27,2007
Area Primaria de n-TOF
EMFN Junio 27,2007
Miniball
EMFN Junio 27,2007
„
„
Fecha: Mon, 15 Dec 2003 14:53:16 +0100De: Valery Nesvizhevsky <nesvizh@ill.fr>
Para: Alejandro Frank <frank@nuclecu.unam.mx> Asunto: Re: neutron
experimentsParte(s): 2NP2.psapplication/postscript274,90 KB
Dear Alejandro,
Thank very much for your letters and for good news about
acceptance of your article. Your article contains clear
and constructive approach and was extremely useful for
me. We (my collaborators and me) are interested
to discuss with you in details a possible experiment in this
direction and hope to come
together to a feasible measurement.
„
It would be very interesting to estimate, which change in the
parameters of quantum states of neutrons in the Earth's gravitational
field would you predict ? How far is this prediction from the present
experimental accuracy ?
Best regards also to Piet van Isacker,
Yours, Valery Nesvizhevsky.
EMFN Junio 27,2007
„
„
Hi Alejandro and Piet,
As you've read in Jorge's email I'm thinking about
performing your neutron scaterring experiment.
I need to give a presentation and try to convince people about the
possibility of feasibility of this project.
Could you please send me any other papers or presentations?
I would appretiate it a lot and I'd rather like to keep in touch with
you
for now on and inform you about future developments in this
project.
It's not certain whether we're going to perform this project since for
sure
requires a lot of man power and time, but in principle,
I think it worths it and we've got the right facility for such a project!
Best Regards,
Nico
Propuestas Alternativas: Kentucky y recientemente una
posibilidad en la UNAM: grupo de ININ y E. Chávez
EMFN Junio 27,2007
conclusiones
„
„
La exploración de la fuerza de gravedad a distancias muy
pequeñas mediante neutrones puede abrir una ventana a
las dimensiones adicionales, si es que existen!
Cálculos más precisos, relatividad general, otras
condiciones (cristal-efectos de interferencia) y nuevas
propuestas experimentales :(n p), decaimiento o emisión de
neutrones ((n,gama) – comportamiento en driplines)?.
EMFN Junio 27,2007
Dispersión de Neutrones en Cristales: efectos de coherencia
EMFN Junio 27,2007
Análisis Dimensional?
Esperamos que el concepto de “análisis
dimensional” adquiera pronto un significado
completamente distinto!
EMFN Junio 27,2007
La preocupación de los teóricos:
“La gran tragedia de la Ciencia – El
asesinato de una bella hipótesis por culpa de
un desagradable hecho experimental”
Thomas Huxley
EMFN Junio 27,2007
Enrico Fermi
„
“ Antes de escuchar su conferencia, no
comprendía el tema. Ahora sigo sin
comprenderlo, pero a un nivel mas
elevado”.
EMFN Junio 27,2007