Centro Atómico Bariloche

Grupo Partículas y Campos


Física experimental de partículas

Se desarrollan en el Laboratorio Detección de Partículas y Radiación detectores enfocados en la física de las astropartículas, contemplando todas las fases del desarrollo del detector, desde su diseño, construcción, instalación, operación, y el análisis de los datos producidos.
En particular, se trabaja principalmente en detectores de rayos cósmicos (Observatorio Pierre Auger, proyecto LAGO), detectores de radiacion de alta frecuencia (proyecto QUBIC) y sensores de muy bajo umbral para eventos muy infrecuentes (sensores CCD para los proyectos CONNIE, SENSEI, DAMIC-M, DM2).
Más detalles se encuentran en la página web del laboratorio.

Física más allá del modelo Estándar

El Modelo Estándar es la teoría que describe las partículas fundamentales y sus interacciones. Su poder predictivo ha sido probado con una precisión asombrosa. Sin embargo hay motivaciones fenomenológicas y teóricas que indican que el Modelo Estándar no ofrece una descripción completa de la naturaleza. Algunos ejemplos son la falta de explicaciones para los siguientes fenómenos: las masas de los neutrinos, la asimetría materia-antimateria y la materia oscura, así como la ausencia de una descripción de: la gravedad a nivel cuántico y el origen de las jerarquía de masas de las partículas fundamentales. Hay varios experimentos diseñados para descubrir la naturaleza de estos fenómenos, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de CERN, en Ginebra. También hay varias teorías que pueden resolver parcialmente estos problemas, llamadas Teorías Más Allá del Modelo Estándar, que incluyen nuevas partículas e interacciones, como teorías fuertemente interactuantes, supersimetría y dimensiones extra, entre otras.
Nuestro grupo está involucrado en el estudio de aspectos teóricos y fenomenológicos de las Teorías Más Allá del Modelo Estándar. Modelos en los que el bosón de Higgs es un estado compuesto, o con dimensiones extra, pueden resolver el problema de la jerarquía entre la escala electrodébil y la escala de Planck, así como el problema de las mezclas y jerarquías fermiónicas, introduciendo torres de nuevas partículas, con masas de orden TeV. También estudiamos la fenomenología de las nuevas partículas en los experimentos como LHC, para determinar cuáles son los canales óptimos para su descubrimiento.

Información cuántica

En las últimas décadas, el uso de conceptos o herramientas de la teoría de información cuántica ha dado lugar a importantes avances en física teórica. Esta teoría ha servido tanto como punto de partida de nuevos enfoques útiles para antiguos problemas, así como de lenguaje común a investigaciones de naturaleza interdisciplinaria.
Medidas de información y entrelazado (entanglement en inglés) combinadas con la causalidad relativista se han utilizado como herramientas poderosas para el análisis del grupo de renormalización y la estructura general de la teoría de campos. Además, la entropía de entrelazado es un indicador de confinamiento y transiciones de fase, y es el parámetro de orden natural para sistemas con orden topológico. Propiedades de la entropía relativa dan lugar a una gran variedad de cotas generales a la entropía y la energía de sistemas cuánticos, como la cota de Bekenstein, la segunda ley generalizada, y condiciones de energía en teorías de campos.
La entropía de entrelazado es también un elemento esencial del diccionario holográfico, que relaciona teorías de gravedad cuántica con teorías de campos no gravitatorias en una dimensión menos. El entrelazado es esencial para la conectividad del espacio y para la descripción de la física detrás del horizonte. Ideas profundas de la teoría de información cuántica como códigos de corrección de errores, descripciones de estados en términos de tensor networks, la monotonicidad y positividad de medidas de información, han dado importantes aportes conceptuales en el correlato gravitatorio. Asimismo, una observación simple, sugerida por analogía con la física de agujeros negros, como la ley de área para la entropía de sistemas extendidos en el estado fundamental, ha dado lugar a importantes ideas para la simulación de sistemas de física de materia condensada, como las que utilizan anzats variacionales de tensor networks (MPS, PEPS, MERA).

Materia Condensada

Sistemas de materia condensada con muchos grados de libertad e interacciones fuertes exhiben sorprendentes fenómenos emergentes y poseen múltiples aplicaciones experimentales. Esto incluye la superconductividad de altas temperaturas, puntos críticos cuánticos, el efecto Hall cuántico fraccionario y entero, entre otros.
Los nuevos desafíos planteados por los sistemas fuertemente correlacionados hacen que investigaciones en la interfase entre materia condensada y física de altas energías jueguen un papel cada vez más importante. Las investigaciones del grupo se centran en esta intersección entre ambas áreas. Se estudian técnicas analíticas que provienen de la expansión N grande, dualidades, holografía y el grupo de renormalización, en sistemas de materia condensada. Asimismo, se aplican métodos de información cuántica, como entropía de entrelazamiento y teoremas de irreversibilidad, y se estudian modelos de MPS (matix product states) y tensor networks.

Métodos no perturbativos en teoría de campos

La teoría cuántica de campos describe la materia cuántica con muchos o infinitos grados de libertad. Esto es así tanto en física de altas energías (donde el Modelo Estándar, una teoría de campos, describe las interacciones y partículas fundamentales a distancias mayores que la escala de Planck) como también en sistemas de materia condensada, donde la teoría de campos provee modelos efectivos a escalas mucho mayores que las distancias atómicas.
Las investigaciones de nuestro grupo en esta área se centran en desarrollar nuevos métodos para entender sistemas fuertemente interactuantes. Esto requiere de técnicas no perturbativas, más allá de la teoría de perturbaciones y los diagramas de Feynman.
Uno de las principales métodos en esta dirección se conoce como el "grupo de renormalización". Esto relaciona la física a bajas energías con la física a altas energías, mediante acoplamientos que cambian con la escala. Investigamos la existencia de nuevos puntos críticos del grupo de renormalización; el grupo de renormalización exacto, y su relación con regularización dimensional; teorías en 2 y 3 dimensiones; dinámica de modelos no locales.
También se estudian dualidades en teorías de campos. Estas permiten mapear sistemas fuertemente interactuantes, a sistemas descriptos en términos de variables libres. Se analizan dualidades en teorías supersimétricas, sus deformaciones no-supersimétricas, y aplicaciones a materia condensada y información cuántica.

Rayos cósmicos y astropartículas

Se investiga para avanzar en el conocimiento de propiedades de los rayos cósmicos de mayor energía a partir del análisis de las mediciones del Observatorio Pierre Auger (www.auger.org), instalado y operado en Malargüe, Mendoza, por la colaboración internacional en la que participamos desde hace más de quince años. El trabajo de investigación incluye análisis de datos, su interpretación en términos de modelos astrofísicos y de efectos de propagación, y el perfeccionamiento de técnicas de reconstrucción de los eventos observados, tanto con los detectores originales como con las extensiones que están actualmente en proceso de construcción, instalación y calibración.
Se investigan también aspectos de la astrofísica y cosmología de neutrinos. Se participa además en el proyecto QUBIC, que planea medir la polarización de la radiación cósmica de fondo desde Alto Chorrillos, Salta (qubic.in2p3.fr).

Teoría de campos en espacios curvos y efecto Casimir

Las fluctuaciones cuánticas del vacío se manifiestan en una gran cantidad de fenómenos físicos: desde el corrimiento Lamb en los niveles atómicos hasta la radiación de Hawking en los agujeros negros, pasando por las fuerzas de Van der Waals entre átomos y moléculas, fuerzas de Casimir–Polder entre átomos y superficies conductoras, fuerzas de contacto en nanodispositivos, fuerzas de Casimir entre conductores neutros, fricción cuántica, etc. Son relevantes también para el análisis del problema de la energía oscura en astrofísica y en la formulación de los modelos cosmológicos del universo temprano.
El desarrollo reciente de novedosas y más precisas técnicas experimentales para la medición de la fuerza de Casimir ha revitalizado el interés en estos temas, generando la necesidad de contar con las descripciones teóricas adecuadas a los sistemas considerados. En lo que concierne a aspectos cosmológicos y astrofísicos, luego del importantísimo descubrimiento observacional acerca de la expansión acelerada del universo, han habido innumerables esfuerzos por comprender las razones físicas de dicha aceleración, y la eventual relevancia de las fluctuaciones cuánticas en escalas cosmológicas.
Nuestras líneas de investigación están centradas en el análisis de las consecuencias observables de las fluctuaciones cuánticas del vacío principalmente en el marco de la teoría cuántica de campos. Estamos interesados en el estudio de las fuerzas entre objetos neutros (fuerzas de Van der Waals y Casimir), la producción de fotones y aparición de efectos disipativos y de entrelazamiento en cavidades con paredes móviles y/o con propiedades electromagnéticas dependientes del tiempo (efecto Casimir dinámico), y los efectos de la polarización de vacío en teoría cuántica de campos en espacios curvos, con particular énfasis en efectos infrarojos producidos por campos livianos.

Teoría de cuerdas y holografía

La Física de partículas apunta a dar una descripción y comprensión sobre cuáles son las componentes más fundamentales de la materia en el universo y cómo son sus interacciones. Uno de los desafíos más grandes sigue siendo cómo compatibilizar la Mecánica Cuántica con la teoría de la Gravedad de Einstein.
En ese sentido la Teoría de Cuerdas aparece como la candidata más promisoria a una teoría cuántica de la gravedad. En esta teoría los objetos fundamentales no son partículas sino objetos extendidos. En la teoría de cuerdas la gravedad de Einstein aparece como una manifestación de la teoría a bajas energías y, más aún, junto con ella aparecen también las llamadas simetrías de calibre con las interacciones asociadas y fermiones quirales que son constituyentes básicos en la formulación del Modelo Estándar de las partículas elementales.
La teoría de cuerdas provee además una variedad de ingredientes que pueden permitir el abordaje de posible nueva física más allá del Modelo Estándar.
Por otro lado, la teoría de cuerdas brinda un marco para abordar diversas preguntas como la descripción de los grados de libertad microscópicos de un agujero negro, la paradoja de la pérdida de información en la evaporación de los agujeros negros, el origen de la quiralidad y del número de generaciones, etc.
La teoría permite además establecer una rica serie de conexiones con teorías de campos (a través de la holografía y la correspondencia AdS/CFT) y con sistemas de materia condensada o la física de iones pesados.
La teoría de cuerdas es una teoría en construcción y hay todavía varios aspectos, como el comportamiento en regímenes no perturbativos, que solo se conocen parcialmente.
La investigación el grupo de Bariloche aborda diversos aspectos de la teoría de cuerdas. Un enfoque es hacia la llamada fenomenología de cuerdas, que intenta entender cómo la física de partículas (el Modelo Estándar o posibles extensiones) se embeben dentro de la teoría de cuerdas. Otro tema de investigación es la dualidad AdS/CFT, aspectos de gravedad cuántica y conexiones con la teoría de la información. Asimismo, nos enfocamos en extender la dualidad holográfica AdS/CFT a espacios cosmológicos realistas, como el espacio-tiempo de Sitter, con el objetivo de proporcionar una formulación cuántica para la cosmología.

Experimental particle physics

At the Laboratorio Detección de Partículas y Radiación (Radiation and Particle detection laboratory) we develop detectors for astroparticle physics, from the early stages of design, to construction, installation, operation and analysis of data produced.
In particular, we focus on cosmic ray detectors (Pierre Auger Observatory, LAGO project), high frequency detectors (QUBIC) and low threshold rare events detectors (CCD sensors for the projects CONNIE, SENSEI, DAMIC-M, DM2).
More details can be found in the laboratory web page.

Beyond the Standard Model Physics

The Standard Model is the theory that describes the fundamental particles and their interactions. Its predictive power has been tested with an impressive accuracy. However there are several experimental and theoretical reasons that suggest that the Standard Model is not the ultimate theory of nature. Some examples are the lack of explanations for the following phenomena: neutrino masses, the matter-antimatter asymmetry and dark matter, as well as the the lack of fundamental descriptions of: a quantum theory of gravity and the origin and hierarchy of the masses of the fundamental particles. There are several experiments designed to discover the nature of these phenomena, like the Large Hadron Collider at CERN, Geneva. There are also a number of theories aiming to solve these problems, they are called theories Beyond the Standard Model, including new particles and interactions, strongly coupled theories, supersymmetry and extra-dimensions, among others.
Our group is involved in the study of theoretical and phenomenological aspects of theories Beyond the Standard Model. Models describing a composite Higgs and theories with extra dimensions can solve the hierarchy problem, as well as the flavor problem, predicting towers of new particles with TeV masses. We also study the phenomenology of these particles at Tevatron and LHC to find the best channels for their discovery in the present high energy accelerators.

Quantum information

Condensed matter physics

Nonperturbative methods in quantum field theory

Cosmic rays and astroparticles

Research focuses on advancing our knowledge of the properties of cosmic rays with the highest energies, through the analysis of measurements made with the Pierre Auger Observatory (www.auger.org), built and operated in Malargüe, Mendoza, by an international collaboration in which we participate since more than fifteen years ago. Our research program includes data analysis, it's interpretation in terms of astrophysical models and propagation effects, and the improvement of techniques for reconstruction of the events observed, both with the original detector system as well as with the enhancements currently under construction, deployment and calibration.
Research is also done on aspects of neutrino astrophysics and cosmology. We also participate in the QUBIC project aimed at measuring the polarization of the cosmic microwave background from Alto Chorrillos, Salta (qubic.in2p3.fr).

Quantum field theory in curved space and Casimir effect

Quantum vacuum fluctuations are relevant in a plethora of physical phenomena: from Lamb shift of atomic levels to Hawking radiation in black holes, including Van der Waals forces between atoms and molecules, Casimir-Polder forces between atoms and conducting surfaces, contact forces in nano-devices, Casimir forces between neutral conductors, quantum friction, etc. They are also relevant for the analysis of the dark energy problem is astrophysics and in the formulation of cosmological models of the early universe.
Recent experimental developments for the precise measurement of Casimir and related forces triggered new interest in these topics and demands for adequate theoretical descriptions of the physical systems involved. On the astrophysical and cosmological sides, after the observational discovery of the accelerated expansion of the universe, there has been a large number of theoretical proposals to explain the physical origin of such acceleration, and to understand the eventual role of vacuum fluctuations at cosmological scales.
Our lines of research are centered on the analysis of observational consequences of vacuum quantum fluctuations mainly in the context of quantum field theory. We are interested in the study of forces between neutral objects (Van der Waals and Casimir forces), photon production and dissipative and entanglement effects in cavities with moving boundaries and/or with time-dependent electromagnetic properties (dynamical Casimir effect), quantum friction, and in the relevance of vacuum polarization in the context of quantum field theory in curved spacetimes, with emphasis in the infrared effects due to light fields.

String theory and holography

Particle Physics aims at providing a deep understanding of the fundamental constituents of matter and their interactions in our universe. One of the main challenges in this respect is how to make compatible Quantum Mechanics and Einstein's theory of gravity.
String Theory is considered the most promising candidate for a quantum theory of gravity. Elementary objects are not particles but extended objects like strings. In String theory Einstein's gravity emerges as a low energy limit, along with gauge interactions and chiral fermions, which are the basic constituents in the formulation of the Standard Model of elementary particles. String theory provides also a consistent formulation that encompasses several ingredients that appear in many extensions of the Standard Model that have been put forward.
String Theory constitutes in turn a frame in which several fundamental questions can be addressed, such as the paradox of information loss in black hole evaporation, the microscopic degrees of freedom of black holes, the origin of chirality and the number of generations, etc. The theory also provides a rich web of connections with field theory (through holography and the AdS-CFT correspondence) and even with other strongly coupled systems in condensed matter and heavy ion physics.
At present there is no closed formulation for string theory and several aspects, such as its behaviour in non-perturbative regimes, are only partially known.
Research on string theory within the Bariloche group focuses on different topics. One is string phenomenology, which aims to understand the way in which particle physics (the Standard Model and its possible extensions) are embedded within string theory. Another research area is AdS/CFT, including aspects of quantum gravity and connections with quantum information. Furthermore, we focus on extending the holographic AdS/CFT duality to cosmological spacetimes, such as de Sitter space, with the goal of providing a quantum formulation of cosmology.

Grupo Partículas y Campos, Centro Atómico Bariloche, Av. Bustillo 9500, San Carlos de Bariloche (8400), Río Negro, Argentina