Outreach Talks

Sabes como naceu o Universo e como se formou a materia que compón as estrelas, os planetas e a nós mesmos? Como se xera a masa das partículas elementais, esenciais para a formación dos átomos? Contáronche que a materia que nos compón ten unha xemelga case idéntica, a antimateria, que se esvaeceu misteriosamente tras o Big Bang? A Física de Partículas busca resposta ás preguntas relacionadas cos elementos esenciais que constitúen o Universo, así como as forzas que as gobernan. Canto máis pequeno é o obxecto que estudamos, son precisos instrumentos científicos máis grandes e complexos. O Gran Colisor de Hadróns ou LHC, o maior e máis potente acelerador de partículas do mundo, é un bo exemplo.

Os raios cósmicos son partículas que chegan desde o espazo e bombardean constantemente a Terra (si, tamén a nós) desde todas direccións. A maioría destas partículas son protóns ou núcleos de átomos, e algunhas delas son máis enerxéticas que calquera outra partícula observada na natureza. Estes raios cósmicos viaxan a unha velocidade próxima á da luz e teñen centos de millóns de veces máis enerxía que as partículas producidas no acelerador máis potente construído polo ser humano, o LHC. A orixe destes raios cósmicos segue sendo un misterio, xa que a súa traxectoria é desviada polos campos magnéticos do espazo. Como se producen estes mensaxeiros cósmicos?

Marie Sklodowska-Curie é un nome de referencia cando falamos do papel femenino na historia da Física. Porén, a Academia tentou negarlle o seu primeiro Nobel por ser muller, algo que só impediu a intervención do seu marido Pierre. Hai moitas outras figuras que fixeron achegas esenciais no avance desta ciencia, a pesares de seren ocultadas durante moito tempo pola discriminación heteropatriarcal. A vida de Alan Turing, pioneiro da computación, quedou segada á que foi sometido pola súa condición sexual. O papel esencial de Lise Meitner no descubrimento da fisión nuclear estivo infravalorado fronte aos laureis que recibiu Otto Hahn. Nesta charla falaremos da historia destas e otras figuras que, desde hai centos de anos, contribúen a que coñezamos mellor o Universo, desde as galaxias máis afastadas ata as partículas máis elementais. E que, ao mesmo tempo, abriron as portas cara a unha ciencia máis divers

A materia escura constitúe un dos máis importantes desafíos que afronta a física actual. Correspóndese cun 80% da materia total do Universo, e as únicas probas dispoñibles da súa existencia proceden da súa interacción gravitatoria a escalas cosmolóxicas, xa que se mantén completamente invisible en todo o espectro electromagnético. Entón, como a detectamos? Durante décadas, enormes experimentos buscaron o choque entre partículas e os átomos de medios detectores inertes. Por outra banda, potentes satélites buscaron os produtos da destrución entre partículas e antipartículas de materia escura. Pero non houbo froitos, por agora: ningunha proba suxire a observación de tan fuxidía materia.Porén, novas teorías apoian a posibilidade de observala indirectamente en aceleradores de partículas como o LHC; neste experimento, detectores como ATLAS ou CMS xa deron os primeiros pasos na súa procura, e outros como LHCb serían especialmente adecuados para a súa busca en contextos teóricos concretos. Polo tanto, a física de partículas podería ter a última palabra no que á súa existencia se refire.

A catástrofe do accidente nuclear de Chernóbil, en 1986, supuxo a morte directa de case un cento de persoas (e miles a posteriori), así como outros moitos efectos biolóxicos diversos. Enormes cantidades de materiais radioactivos foron liberados ao ambiente, cunha cantidade de enerxía similar a 500 bombas nucleares como as que impactaron en Hiroshima. Pero a enerxía nuclear alberga tamén unha cara máis positiva fronte a estes riscos. Nesta charla, entre outras cuestións, aprenderemos se radiación e radioactividade significan o mesmo. Ademais de usala a gran escala para obter electricidade, a enerxía nuclear permítenos, entre outras aplicacións, desenvolver dispositivos e técnicas de diagnóstico de imaxe médica, e alternativas máis seguras para o tratamento de enfermidades como o cancro.

O Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), naceu oficialmente o 2 de xullo de 1999. En 2024 cumprirá, por tanto, un cuarto de século. Neste tempo, alén de formar a miles de estudantes en diversas áreas da Física, o traballo do persoal do IGFAE contribuíu á participación de Galicia en grandes experimentos internacionais, como o CERN, LIGO (ondas gravitacionais), Pierre Auger (raios cósmicos), GSI/FAIR ou GANIL. Co gallo deste aniversario, nesta charla lembramos os fitos da historia do Instituto, así como os seus principais retos de presente e futuro, no marco das prometedoras perspectivas que ofrece a Física nas vindeiras décadas.

O control da información afecta hoxe a todos os niveis da vida cotiá. Tras a revolución dixital do século XX, a revolución cuántica do século XXI é xa unha realidade. Supón un gran cambio de paradigma, que presenta enormes e complexos retos para a mocidade de hoxe, con implicacións intelectuais, científicas e xeopolíticas. Un mundo novo está a abrirse diante dos nosos ollos e, neste escenario, Galicia está a facer unha aposta importante para subirse a el. Para iso, é moi importante comprender as bases da cuántica, que é un cúbit e un computador cuántico, como se mide e se manipula a información cuántica, onde estamos agora mesmo, quen son os actores principais, cal será o impacto a nosa vida cotiá e por que debemos prestar atención a esta revolución que vén.

Nos seus inicios, a astronomía era algo moi semellante ao que calquera de nós pode facer hoxe nunha noite estrelada: observar a luz que nos chega desde todo tipo de obxectos cósmicos. Pero nas últimas décadas a ciencia abriu unha nova xanela: desde comezos do século XX, identificouse a radiación cósmica, composta por partículas cargadas, como outro mensaxeiro que tiña moito que contarnos. Máis adiante, xa no século XXI, o descubrimento dos neutrinos cosmolóxicos no experimento IceCube (2012) e das ondas gravitacionais por parte de LIGO (2015), foron un enorme salto para facer astronomía alén da luz. Deste xeito, os catro elementos combinados (luz, radiación cósmica, neutrinos e ondas gravitacionais), están dando pé a un novo campo da física, cuxo potencial aínda está por explotar.

O inicio do século XX marcou o inicio dunha época de gran desenvolvemento no eido da física nuclear e a comprensión da radioactividade. Entre o descubrimento case accidental da radiación e o desenvolvemento da primeira bomba atómica no Proxecto Manhattan pasaron menos de 50 anos, Neste tempo, déronse grandes pasos para coñecer o interior do núcleo atómico. Todo ese traballo desembocou na creación do CERN, o laboratorio internacional máis grande do mundo, no que participa o IGFAE.

Os neutrinos son unha parte fundamental do noso Universo. Xunto aos electróns, os protóns e neutróns constitúen a materia que coñecemos.  Con todo, e ao contrario que as demais partículas fundamentais, os neutrinos son moi “trastes”. E, por tanto, resultan difíciles de detectar. Por iso debemos construír detectores xigantescos, ou situalos en contornas de repouso, sen ruído. Os experimentos NEXT, DUNE ou HyperKamiokande, nos que está involucrado o IGFAE, son algún destes exemplos. Os neutrinos son unha fonte inesgotábel de sorpresas e serven de guía para comprender algún dos elementos máis peculiares e sorprendentes do modelo estándar de partículas. Na actualidade, arredor dos neutrinos persisten algúns enigmas fundamentais para a física. É o neutrino a súa propia anti-partícula? Como se propagan? Cantos tipos existen? Todas estas preguntas agardan a unha nova xeración científica que pode achegar novas ideas para resolvelas.

As estrelas nacen e se transforman durante millóns de anos. Porén, a todas lles chega o seu final. E esta historia depende da súa masa.  As estrelas máis masivas dan lugar aos famosísimos buracos negros, unha rexión onde a gravidade é tan intensa que nin a luz pode escapar. Pero esta non é a única posibilidade: estrelas como o noso Sol acaban como ananas brancas, esferas densas e frías que esgotaron o seu combustible. Outras estrelas, despois dunha violenta explosión en forma de supernova, poden facer xurdir estrelas de neutróns, obxectos tan densos que un terrón de azucre da súa materia súa pesaría máis de 100 millóns de toneladas aquí na Terra. Imos fascinarnos por estes incribles entes estelares, obxecto de estudo dos científicos de todo o mundo.

O LHC (Large Hadron Collider) é o maior acelerador de partículas creado polo ser humano: un enorme anel de 27 km de perímetro. Está situado a 100 metros baixo o solo da fronteira entre Francia e Suíza, onde se construíron as instalacións do CERN (Organización Europea para a Investigación Nuclear). Aquí fanse chocar feixes de partículas subatómicas a velocidades moi próximas á da luz. E para que? O obxectivo é estudar o resultado destas colisións e as súas interaccións, para desentrañar os misterios da materia que compón todo o que conforma o Universo. En 2012, o LHC abraiou ao mundo coa detección do bosón de Higgs. Hoxe, este grande experimento continúa a estudar as partículas elementais. Poderás descubrir o seu funcionamento da man de persoas que traballan nel.

Desde hai décadas, o descubrimento de novas partículas e modelos físicos baseouse nos experimentos dos aceleradores e colisores de partículas. Pero a xeración destas novas partículas require construír aceleradores cada vez máis grandes. Isto é debido a que cada vez buscamos enerxías máis altas, pero o campo eléctrico máximo está limitado polos materiais dos aceleradores. Pero existen alternativas para ter aceleradores máis compactos. Hai laboratorios capaces de producir pulsos láser con potencias de ata 1 petavatio (1015 vatios); 9.000 veces a potencia total da rede eléctrica de España! Cando diriximos estes láseres a un material, a intensidade é tan alta que o material queda ionizado, e pasa a ser un plasma. Grazas aos campos eléctricos extremos do láser, é posible acelerar partículas dese plasma, conseguindo aceleradores moito máis compactos para conseguir a mesma enerxía. Deste xeito conseguimos ‘miniaceleradores’, non só para chocar partículas, senón con aplicacións en medicina e enxeñería. No IGFAE contamos con algúns destes aparellos, e nesta charla explicamos o que facemos con eles.

As ondas gravitacionais, postuladas por Albert Einstein en 1915, e detectadas xusto 100 anos despois, son unha nova xanela para coñecer o Universo. Grazas a detectores extremadamente precisos, como LIGO, podemos “escoitar” as colisións máis violentas e espectaculares de buracos negros ou estrelas de neutróns a miles de millóns de anos luz de distancia. A súa gravidade é tan extrema que provoca engurras no espazo-tempo. Que está a supoñer o descubrimento das ondas gravitacionais, e que novas revelacións nos depararán os futuros detectores espaciais que se están deseñando?

Os buracos negros, preditos por Albert Einstein, son sorprendentes e misteriosos obxectos. Nun principio estaban considerados pouco máis que artefactos matemáticos non realistas. Pero durante a segunda metade do século XX e as primeiras décadas do XXI tivemos numerosos indicios de que son relativamente comúns no noso Universo: desde os primeiros sinais indirectos, observando estrelas a orbitar no centro da nosa galaxia, ás máis recentes observacións de ondas gravitacionais, e chegando ao fito da primeira imaxe proporcionada polo Event Horizon Telescope. A pesar da aura misteriosa que os envolve, algúns dos principios que nos axudan a comprendelos poden amosarse con simples debuxos, plasmando unha das ideas centrais de Einstein: nada pode viaxar máis rápido que a luz. Imos debuxar unha hipotética caída nun destes monstros!

Sabemos, dende fai case 100 anos, que o noso Universo naceu a partir dunha colosal explosión, o Big Bang. E despois diso, que pasou? Todo o que hai arredor de nós, dende o outro lado da rúa ata a galaxia máis afastada, a millóns de anos luz, procede do que aconteceu xusto despois do grande estourido. Nun ínfimo instante, millóns de veces máis curto do que tardamos en pasar un vídeo no Tik Tok, todo o espazo quedou cuberto dun enigmático material. Revelar as súas propiedades permitiranos desenmascarar os segredos do nacemento do Universo.

Ás veces, atopar a orixe das cousas máis pequenas nas que se pode pensar require descubrir como nacen e morren as estrelas. E os mecanismos que inventamos no laboratorio para entender os misterios dos núcleos atómicos serven para diagnosticar e curar enfermidades. Nesta charla facemos un apaixonante percorrido polo mundo subatómico, levándonos a comprender como e por que a nosa esencia está feita de po de estrelas.

A partir de algo tan familiar como a escuridade da noite podemos deducir que, no pasado, o Universo foi moito máis pequeno e quente, que non existiu desde sempre, e que tivo unha orixe, nalgún momento. Nese manto escuro da noite, aínda que os nosos ollos non a poidan ver, hai unha luz que o enche todo, moito máis abundante que a de todas as estrelas e galaxias. Pero como a podemos observar? Que deducimos a partir dela? Que nos conta sobre o pasado, o presente e o futuro do Universo?

Como son as interaccións entre os elementos máis fundamentais de todo o que coñecemos? Despois dunha charla introdutoria sobre física de partículas e a estrutura dos átomos, esta actividade propón a construción de núcleos, átomos, moléculas e diversos isótopos mediante o uso de pezas de construción de diferentes cores, que representan a cada partícula elemental. Esta iniciativa forma parte do kit singular “A materia peza a peza”, proxecto realizado en colaboración co programa Polos Creativos da Consellería de Educación da Xunta de Galicia.
* Actividade deseñada para alumnado de educación secundaria