Introducción Física Partículas Carlos Pajares Departamento de Física de Partículas & Instituto Galego de Fisica de Altas Enerxías
Tengo 2 preguntas para usted… Prof. Albert Einstein
¿De qué está hecho el mundo que nos rodea?
¿Qué lo mantiene unido?
¿De qué está hecho el mundo? El filósofo griego Empédocles en el S.V a.C. : tierra, aire, fuego y agua
Hoy sabemos que existe algo más fundamental…
El átomo Demócrito (S. V-VI a.C. ): Toda la materia está constituída de partículas INDIVISIBLES llamadas ÁTOMOS TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS
D. Mendeleev (1869)
Pero… ¿es realmente el átomo indivisible ?
El átomo se puede dividir !
Helio (He) Neon (Ne) Todos, pero todos todos, los átomos tienen un núcleo cargado positivamente, y electrones con carga negativa orbitando alrededor. (El electrón fue descubierto por J.J. Thomson en 1897).
Evidencia de subestructura en el átomo Partículas alpha radiactivas (carga positiva)
(Rutherford 1911)
-10
1 Angstrom =10 Pero… ¿y el núcleo?, ¿es indivisible ?
m
¡El núcleo se puede dividir !
-14
10
m
Pero… ¿y los protones y neutrones?, ¿son indivisibles ?
El núcleo contiene protones de carga +e y neutrones sin carga.
Pues no… ¡Los protones y neutrones también se pueden dividir ! Neutrón u d
1 fermi = 10
d
-15
Protón u u d Pero… ¿y los quarks?, ¿también se pueden dividir?
m
Neutrones y protones contienen “quarks” up and down
En resumen… Prof. Einstein… MATERIA ~ 10-9 m
Átomo
ÁTOMO ~ 10-10 m NÚCLEO ~ 10-14 m NUCLEÓN ~ 10-15 m
Electrón
Protón Neutrón
Quarks
…hoy sabemos que la materia está hecha de átomos, los átomos están hechos de protones, neutrones y electrones, los protones y neutrones están hechos de quarks y éstos, a su vez, al igual que los electrones, puede (o no) que estén hechos de partículas incluso MÁS elementales...
Las 3 familias de partículas elementales
6 QUARKS (Todos los hadrones están _ formados por combinaciones de qq o qqq)
6 LEPTONES (Indivisibles = elementales)
Las 3 familias
La materia ordinaria está formada por quarks u y d, y por electrones
Además, por cada partícula elemental hay… una antipartícula
Electrón e-
Antielectrón e+ (positrón)
Ya hemos respondido a la pregunta: "¿De qué está hecho el mundo?"
QUARKS y LEPTONES
¿Qué mantiene unida la materia? Existen 4 interacciones (fuerzas) fundamentales en la Naturaleza: Interacción = atracción, repulsión, aniquilación ó desintegración
Gravitatoria Electromagnética Fuerte Débil
Las interacciones entre partículas se producen por intercambio de una serie de partículas elementales llamadas BOSONES.
4 interacciones fundamentales Fuerte
Electromagnética
carga de color
carga eléctrica
Gravitatoria
masa
Débil
carga débil
MODELO ESTÁNDAR
3 FAMILIAS
INTERACCIONES FUNDAMENTALES PARTÍCULAS PORTADORAS DE FUERZA
LEPTONES
QUARKS
PARTÍCULAS ELEMENTALES
Fotón γ : Electromagnética (quarks y leptones cargados) Gluón g : Fuerte (quarks) W+, W-, Z0: Débil (quarks y leptones)
partícula Higgs
¿Por qué es importante el bosón de Higgs? --¿Qué es el bosón de Higgs-?(Higgs y Englert P.N 2013) --Campo existente en todo el espacio.Los quarks y los Ws y Z al moverse por el espacio interaccionan con ese campo y adquieren masa --El valor de la interacción débil es debida la gran masa de los Ws y Z.Ese valor es crucial para que se pueda formar deuterón en el orígen del Universo.Sino existiese el boson de Higgs no existiriamos.
Nucleosíntesis n+p d+ fotón d+fotón n+p n e+p+neutrino (via interacción débil) --------------------------------------------------------Al expandirse el Universo a partir de una determinada Temperatura,los fotones no tienen energía suficiente para romper el deuteron y la segunda reacción no se da, obteniendose deuteron Si la interacción débil fuese un poco más fuerte,la tercera reacción seria más rápida y nos quedariamos sin n para obtener deuteron.Si fuese todavia más débil,tendriamos muchos n que nos cosumirian todos los protones.Nos quedariamos sin protones,sin hidrógeno y sin agua
Solo 4% materia ordinaria,96% origen desconocido(70% energía oscura,26% materia oscura) Materia ordinaria,fundamentalmente núcleos atómicos, dentro de estos hidrógeno es decir protones(proton esta formado por los quarks uud y gluones,un neutron esta formado por los quarks udd y gluones)
¡Ignoramos la naturaleza de la mayor parte del Universo¡
¿Cómo trabajan los físicos de partículas?
Dos pasos básicos 1ª Encontrar una fuente de partículas, acelerarlas hasta que alcancen grandes energías y hacerlas chocar entre ellas o contra un blanco. 2ª Estudiar las partículas resultantes de esas colisiones en detectores y sacar conclusiones acerca del interior de la materia.
Acelerador lineal: la TV ! Un acelerador de partículas en mi propia casa !
El voltaje en una TV es de 20 kiloVoltios = 20 mil Voltios. La energía de un electrón es por tanto 20 keV. En SLAC (EEUU) la energía de un e- es 20 GeV = 1 millón de veces mayor que la de una TV.
Aceleradores Lineales
SLAC (EEUU) 3.2 km !! e+e- E=20 GeV
Largos y muy costosos: más energía cuanto mayor longitud.
Aceleradores circulares El ciclotrón Fuente de partículas E. O. Lawrence (1927)
Vacío Diferencia de potencial (alterna)
En cada vuelta la partícula adquiere energía. La energía máxima está limitada por el tamaño del ciclotrón.
Campo magnético constante dirigido “hacia arriba”
Aceleradores circulares El sincrotrón Se aumenta progresivamente el campo magnético a medida que la energía de la partícula aumenta. De esta forma se consigue que el radio de la trayectoria circular se mantenga constante y que de muchas vueltas acelerándose. Energía limitada por las pérdidas de energía por radiación sincrotrón
zona de aceleración imán
Detectores de partículas cargadas Formados por “capas” de distintos tipos de detectores para identificar distintos tipos de partículas y medir su trayectoria y energía.
Cada tipo de partícula deja una “firma” distinta en las distintas “capas” del detector.
neutrino
invisible
LHC Large Hadron Collider Se comenz贸 a dise帽ar en 1984. Se termino de construir en 2008 Vista aerea del acelerador.A la derecha se ve la pista del aeropuerto de Ginebra Colisionador prot贸nprot贸n hasta 14000 GeV 4 detectores: ATLAS CMS LHC-B (Santiago) ALICE (Santiago)
• Aplicaciones GRID,PET,TAC,Hadroterapia,gammagrafía tecnologia del vacío,tecnología del frío, ensambaje mecánico imanes superconduct ,soldaduras de precisión,aplicaciones de detectores para mejora de la eficiencia paneles solares,nanotecnología,ciencia de materiales. Se estudia la manera de trabajar en elCERN en la mayor parte de escuelas de negocios del mundo
• La búsqueda y el descubrimiento del Bosón de Higgs muestra que la creatividad Ilusión,tesón y energías existentes en la vieja Europa son capaces de llevar a cabo, a lo largo de décadas, grandes empresas que intentan responder a grandes preguntas de la humanidad Por eso no es de una importancia menor que España,Galicia y la USC participen de una manera natural en esta gran empresa científica y tecnológica
¿De qué está hecha la materia ? Busquemos un trozo de materia, por ejemploooo… CHOCOLATE !! 1
1/2
1/22 1/23 1/24
1/25
1/26
1/27 1/28 1/29
16384 trocitos 1/210
1/211
1/212 1/213 1/214
Si hacemos esto mismo otras 70 veces !! llegaremos a conseguir UN ÁTOMO.
Pero… ¿y los quarks?, ¿también se pueden dividir?
u d
d
? <10
-18
No hay evidencia experimental m
¿Y los electrones?, ¿se pueden dividir?
Hay evidencia experimental de que no…
LOS 6 QUARKS
Los quarks tienen carga elĂŠctrica fraccionaria
Gell-Mann (1963)
Todos los hadrones estĂĄn formados por combinaciones de qqq o qq
Otra partícula elemental: el fotón El efecto fotoeléctrico: Un haz de “luz” puede arrancar electrones de la materia. Luz incidente
Electrones arrancados
La “luz” está formada por partículas llamadas fotones
Einstein (1905)
NEUTRINOS Propuestos por W. Pauli (1930) para evitar la no conservación de la energía en la desintegración del neutrón. Descubiertos por Cowan y Reines (1956)
Los neutrinos son extremadamente difíciles de detectar…
600.000 millones de neutrinos (procedentes del Sol) atraviesan la palma de vuestra mano cada segundo !!!, sólo uno (con suerte) chocará en 100 años !!!
CONFINAMIENTO DE LOS QUARKS La energía se puede convertir en masa
Hadrón
E = mc2
Hadrón
Hadrón
Los quarks no existen en estado libre. Si trato de separar dos quarks se forman hadrones (chorros de partículas)
¿Cuánta energía tiene la materia?
=
+ E = mc2 1 gramo de materia
1 gramo de antimateria
Liberan una energía equivalente a la explosión de una bomba atómica
Aniquilación electrón-positrón La materia se puede convertir en energía y viceversa:
La aniquilación produce energía
γ
E = mc2 La masa es una forma de energía.
γ
eelectrón (materia)
e+
γ
γ
positrón (antimateria)
Se producen nuevas partículas y antipartículas
e+e- → D+DNº de partículas = Nº antipartículas
Excelente forma de producir nuevas partículas
Rayos Cósmicos En el Universo también hay aceleradores de partículas, pero todavía no sabemos muy bien como funcionan…
Observatorio Pierre Auger (Mendoza, Argentina) Rayos Cósmicos: Las partículas de más energía jamás observadas, son 1000 veces más energéticas que los protones de LHC
Rayos Cósmicos En el Universo también hay aceleradores de partículas, pero todavía no sabemos muy bien como funcionan…
LOS LEPTONES Los leptones pueden existir como partículas libres. Electrón = gato
Tau = 85 tigres
Neutrinos < pulgas
Muón = 10 leones
e, µ y τ tienen carga eléctrica. El muón penetra mucho en la materia.
Los neutrinos son neutros, tienen una masa muy pequeña y son extremadamente penetrantes (interaccionan muy poco con la materia)
¿Existen más partículas elementales? Ya sabemos que existen: Quarks up & down, electrones y fotones Leptones
Los físicos han descubierto cerca de 300 partículas…
µ− µ+
e+ νe
Y siempre se hacen la misma pregunta… ¿serán verdaderamente indivisibles?.
νµ
τ− τ+ ντ
Hadrones
π0
ππ+
η ρ
K+ J/ψ /ψ
∆+ K0
K-
∆∆++
Λ+ Λ0
ΣΩ… y más
Un campo magnético desvía las partículas cargadas en movimiento
+
+ B
B F
+ B
v + B
El radio de la trayectoria circular es mayor cuanto mayor sea la velocidad (energía) de la partícula y menor cuanto mayor sea el campo magnético
¿Por qué queremos acelerar partículas a altas energías? (1) Equivalencia ó dualidad onda-corpúsculo E=hc/λ
L. de Broglie (1924)
⇑ constante de Planck
⇑ longitud de onda
Cuanta más energía más pequeña es la longitud de onda asociada a la partícula y podremos ver estructuras más pequeñas (el interior de los quarks tal vez ? )
2a PARTE Experimentos en Física de Partículas
Aceleración: Un campo eléctrico acelera las partículas cargadas -
+ E
Unidad de energía en Física de Partículas: 1 eV = 1.6 10-19 Julios 1 MeV = 106 eV 1 GeV = 109 eV 1 TeV = 1012 eV
Fuentes de partículas Electrones: se calienta una lámina metálica, los electrones se liberan de los átomos y se extraen de la lámina mediante una corriente eléctrica.
Protones: se lanzan electrones contra átomos de hidrógeno. Los electrones arrancan el electrón del átomo y nos queda un protón que se extrae mediante campos eléctricos y magnéticos.
Ejemplos de interacciones entre partículas Aniquilación Repulsión electromagnética débil de electrón yentre positrón dos y electrones conversión mediante en muón intercambio negativo yde positivo un fotón mediante intercambio de un Z0
e- τ- q
e+ τ+ anti-q R.P. Feynman
El resultado final también puede ser un e-e+, un τ-τ+ o un quark-antiquark (que al separarse producirán hadrones)
a 1
PARTE El mundo de las partĂculas
Fin de la
a 2
PARTE
¿Por qué queremos acelerar partículas a altas energías? (2) Cuanta más energía más masa, más partículas y de mayor masa se forman en p.ej. una aniquilación e-e+ o en la colisión de dos núcleos pesados.
E = mc2
¿Cómo producir antimateria? e+
γ
e-
e+ e-
e-
Hilo de metal Región de campo magnético
e-
Eγ > pocos MeV mec2 = 0.5 MeV
Antipartículas: un haz de partículas energéticas golpean un blanco y se crean pares de partículas y antipartículas que posteriormente pueden ser separadas usando campo magnéticos.
Fin de la PARTE
a 1
Aceleradores circulares El sincrotr贸n Interior del Proton Synchrotron en el CERN Ginebra (Suiza)
European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble (Francia)
Detectores de partículas cargadas Principio básico: Cuando una partícula cargada pasa por un medio arranca electrones de los átomos (ioniza el medio). Objetivo: Determinar la carga, el momento y la energía de la partícula
Detectores de partículas cargadas Detectores multihilo Georges Charpak (1968)
El paso de una partícula cargada ioniza el medio: los electrones arrancados son atraídos por los hilos y los iones por las placas. La corriente eléctrica producida es proporcional a la energía perdida por la partícula en el medio. La trayectoria de la partícula se conoce a partir de la posición de los hilos con corriente eléctrica.
Detectores de partículas cargadas Cámara de burbujas
Contiene un líquido a mucha presión y a punto de hervir. Cuando una partícula lo atraviesa el líquido comienza a hervir a lo largo de la trayectoria seguida por la partícula (se forman burbujas de vapor). Se hace una fotografía de las burbujas y del análisis de la trayectoria se pueden obtener la carga eléctrica y el momento lineal de la partícula.
Aceleradores circulares ¿Cómo reducir las pérdidas de energía por radiación sincrotrón y alcanzar E mayores? LHC up to 14Tev pp collisions Colisionador e- e+ (hasta 200 GeV)
Energía limitada por las pérdidas de energía por radiación sincrotrón 27 km de circunferencia !!
Aumentando el radio de curvatura !!
¿Por qué queremos acelerar partículas a altas energías? (3) Cuanta más energía más densidad y temperatura, más cerca estaremos de reproducir las condiciones que se dieron en el origen del Universo (Big Bang).
Big Bang
Colisión de iones pesados
Ejemplo de una colisión en LHC
22 m
44 m
Sólo en ATLAS se recogen datos como para llenar un CD cada 7 segundos !, es decir 12,000 CDs al día !!, 4 millones de CDs al año !!!. La altura del detector es 22metros Si ponemos todos los “CDs” de ATLAS y CMS uno encima de otro harían una torre que tendría unos 20 km de altura !!!!