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Inflación y los nuevos resultados del experimento Bicep
Gustavo Niz
ColimaJunio 2014
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Contenido
● ¿Qué sabemos del Universo?
-Radiación cósmica de fondo
-Resultados de Bicep
● Inflación Cósmica
-Implicaciones
-Problemas
● Conclusiones
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¿Qué sabemos del Universo?
Grabado de Flammarion, 1888
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¿Qué sabemos del Universo?
Punto de partida
Einstein (1915)
Geometría del Materia/Energía
Espacio-tiempo
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¿Qué sabemos del Universo?
Imagen de BBC
El espacio-tiempo es como una “manta” invisible
deformado por la materia o energía
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¿Qué sabemos del Universo?
Ondas gravitacionales
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¿Qué sabemos del Universo?
Ondas gravitacionales
Hulse, TaylorNobel 1993
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¿Qué sabemos del Universo?
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¿Qué sabemos del Universo?
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¿Qué sabemos del Universo?
¿Dondé hay más agricultura?
¿en las regiones con luz o sin luz?
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¿Qué sabemos del Universo?
Hipótesis
(P. Bayesiana)
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¿Qué sabemos del Universo?
Pero....
Cuidado!
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¿Qué sabemos del Universo?
Observamos al Universo
1) mayoritariamente por la LUZ (fotones) que recibimos o dejamos de recibir
2) minoritariamente por: neutrinos, partículas alfa, etc.
3) vemos el pasado (velocidad de la luz) y sólo sobre el “cono de luz”
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¿Qué sabemos del Universo?
Espectro de luz de Galaxias
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Las galaxías se alejan de nosotros (Ley de Hubble)
El Universo se Expande!!
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Las galaxías se alejan de nosotros (Ley de Hubble)
El Universo se Expande!!
Y aceleradamente!!
Premio Nobel 2011 (Perlmutter, Riess, Schmidt)
Probabilidad de 5 sigmascon la siguiente hipótesis
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Asumiendo homegeidad e isotropía (y Rel. Gral.)
(FRWL)
Hipótesis de FRWL
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Asumiendo homegeidad e isotropía (y Rel. Gral.)
(FRWL)
(SDSS)
Homogeneidad>200Mpc
Hipótesis de FRWL
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Un pasado más denso y caliente!
Teoría de la Gran Explosión Caliente (Hot Big Bang)
Hipótesis de FRWL
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BICEP
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BICEP
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El Universo temprano es como un horno caliente
Debe existir un resplandor de fondo (Gamow y Alpher)
Descubierta por Penzias y Willson 2964 (Nobel, 1978)
Radiación cósmica de fondo
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La radiación tiene un espectro de cuerpo negro
Radiación cósmica de fondo
T = 2.7 K
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La radiación es Isotrópica y Homogénea
Radiación cósmica de fondo
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Pero hay pequeñas fluctuaciones!
Radiación cósmica de fondo
Smoot y Mather, Nobel, 2006
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Las perturbaciones son
Gaussianas
Casi invariantes de escala
Radiación cósmica de fondo
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¿Qué otra información podemos extraer?
Correlación de pares
Radiación cósmica de fondo
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¿Qué otra información podemos extraer?
Correlación de pares
Espectro de potenciasCoeficientes de los esféricos armónicos
Radiación cósmica de fondo
Planck, 2013
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~.25°
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Nuestro Universo
es Plano
(error < 0.1%)
Planck, 2013
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~.25°
Los otros picos dicen la cantidad de
Materia Visible, Materia Obscura
Y Energía Obscura del Universo
5%
27%
68%
Materia VisibleMateria ObscuraEnergía Obscura
Planck, 2013
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Otros efectos
Lentes gravitacionales afectan las trayectorias
de los fotones
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Modos E y B
Polarización
Equivalentes al campoEléctrico y Magnético
E B
Divergencia Rotacional
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Modos E y B
EE
BB
Minúscula señal!!!
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Modos E y B
EE
BB
Minúscula señal!!!
TT
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Modos E y B
EE
BB
Minúscula señal!!!
r=0
r=0.3
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Modos E y B
El pasado! Contaminación
Modos B
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Modos E y B
Los nuevos datos!
Modos B
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Modos E y B
Los nuevos datos!
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¿ Y esto qué ?
¿Qué tiene que ver todo esto con:
Inflación?
Ondas gravitacionales?
Gravedad cuántica?
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¿Qué es Inflación?
Problemas del modelo de Big Bang Caliente
1) Monopolos magnéticos
¿Con tantas transiciones de fase por qué no hay reliquias topológicas?
2) Problema del horizon
¿Por qué regiones desconectas del Universo tienen la misma temperatura en la radiación de fondo?
3) ¿Tamaño?
4) ¿Universo Plano?
5) La singularidad inicial
Expansión13.7 G años
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¿Qué es Inflación?
Mecanismo de Inflación
Fase de expansión exponencial del Universo temprano
t=10 s-35
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¿Qué es Inflación?
Problemas del modelo de Big Bang Caliente
1) Monopolos magnéticos Los diluye!
2) Problema del horizon
3) ¿Tamaño? Expansión exponencial
4) ¿Universo Plano?
5) La singularidad inicial Sin resolver satisfactoriamente
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Inflación
Realización más sencilla: Campo escalar canónico rodando lento por un potencial
Modelo sencillo (Linde)
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Ecuaciones de Friedmann
Si asumimos rodamiento despacio (energía potencial domina sobre cinética), entonces
Que implica la solución
Inflación
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Para resolver los problemas anteriores, inflación debe durar
N =50 - 60 e-foldings
Inflación
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Parametros de Rodamiento Lento
Deben de ser <0.01 para que inflación ocurra.
Miden cuando inflación termina.
Después, es necesario recalentar el Universo
Inflación
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El gran bonus: las fluctuaciones cuánticas son las anisotropías de la radiación cósmica de fondo!
Inflación
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Matemáticamente
Perturbaciones escalares
Cambiando Variables
Inflación
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Es un oscilador armónico!
Puede realizarse un tratamiento cuántico
La función de correlación de pares es
Inflación
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Uno obtiene
En completo acuerdo con la radiación cósmica de fondo.
Planck (2013)
Los modos escalares sólo producen polarización en el modo E (Zaldarriaga y Seljak, 1997)
Inflación
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Perturbaciones tensoriales = ondas gravitacionales
Inflación
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Perturbaciones tensoriales = ondas gravitacionales
Tambien obtenemos un oscilador armónico para los tensores, y su espectro de potencias esta dado por
Y podemos definir
Los modos tensoriales producen polarización tanto de modos E como B (Zaldarriaga y Seljak, 1997)
Inflación
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Perturbaciones tensoriales = ondas gravitacionales
Otra manera de escribirlo es
r=0.2 corresponde a la escala de GUT, o bien, casi a la escala de Planck (gravedad cuántica?).
12 órdenes de magnitud más que en el LHC!!
Inflación
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Perturbaciones tensoriales = ondas gravitacionales
Genericamente, se encuentra la desigualdad (Lyth)
Si r ~ 0.2 el campo se desplaza más de una unidad en masas de Planck (modelos de campo grande)
Teoría de perturbaciones deja de ser válida
Se necesita entender gravedad cuántica!
Inflación
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Perturbaciones tensoriales = ondas gravitacionales
Inflación
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Inflación
Antes de BICEP, Planck puso en duda inflación
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Inflación
A menos que el índice espectral corra (ie )
Ahora BICEP está en conflicto con Planck
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Introduce nuevos / tiene problemas
No explica la amplitud de las perturbaciones
¿Qué es el inflatón?
¿Por qué empieza arriba en el potencial?
¿Condiciones iniciales (singularidad)?
¿Multiversos?
Inflación
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¿Es real la señal?
¿Es realmente producida por inflacion?
(c.f. Cuerdas cósmicas)
Otros problemas con BICEP
arXiv:1003.3701
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Si todo es verdad, entonces seguro el siguiente
premio Nobel en el área será para A. Guth y A. Linde
(aunque hay debate sobre otros!)
….
GRACIA
S