Masterclass 2007
Jaime Álvarez Muñiz
Departamento de Física de Partículas
&
Instituto Galego de Altas Enerxías
29 Marzo 2007
Facultade de Física
PREÁMBULO
Pero…¿para qué
estudiar Física?
El problema
¿La solución?
Vaya pues ahora tenemos...
2 problemas !!
¿ Y ahora qué ?
Bueno, vamos a ver ahora…
Problema 1
resuelto
Moraleja de la historia:
La Física tiene un papel
crucial en el día a día!
Problema 2
resuelto
a P > A p
p
A
a
P
¿Pero cómo… todavía pensáis
que la Física no es divertida?
FIN DEL PREÁMBULO
a
1
PARTE
El mundo de las partículas
Tengo 2 preguntas para usted… Prof.Sr.
Albert
Einstein
Zapatero
¿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…
¿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.
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)
1 Angstrom =10
Pero… ¿y el núcleo?, ¿es indivisible ?
-10
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
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…
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...
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)
¿Existen más partículas
elementales?
Ya sabemos que existen: Quarks up & down, electrones y fotones
Leptones
Los físicos han descubierto cerca de
200 partículas…
m- m+
e+
ne
Y siempre se hacen la misma
pregunta… ¿serán verdaderamente
indivisibles?.
nm
t- t+
nt
Hadrones
p0
pp+
h
r
K+
D+
K0
J/y
K-
DD++
L+
L0
SW… y más
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)
Aniquilación electrón-positrón
La materia se puede
convertir en energía y
viceversa:
La aniquilación produce
energía
g
E = mc2
La masa es una forma
de energía.
g
eelectrón
(materia)
e+
g
g
positrón
(antimateria)
Se producen nuevas
partículas y antipartículas
e+e- → D+DNº de partículas = Nº antipartículas
Excelente forma de producir nuevas 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
LOS 6 QUARKS
Los quarks tienen carga eléctrica
fraccionaria
Gell-Mann
(1963)
Todos los hadrones están formados
por combinaciones de qqq o qq
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)
LOS LEPTONES
Los leptones pueden existir como partículas libres.
Electrón = gato
Tau = 85 tigres
Neutrinos < pulgas
Muón =
10 leones
e, m y t 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)
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 !!!
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
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- t- q
e+ t+ anti-q
R.P. Feynman
El resultado final también puede ser un e-e+, un t-t+ o un
quark-antiquark (que al separarse producirán hadrones)
MODELO ESTÁNDAR
3 FAMILIAS
INTERACCIONES
FUNDAMENTALES
PARTÍCULAS PORTADORAS
DE FUERZA
LEPTONES
QUARKS
PARTÍCULAS
ELEMENTALES
Fotón g : Electromagnética
(quarks y leptones cargados)
Gluón g : Fuerte
(quarks)
W+, W-, Z0: Débil
(quarks y leptones)
partícula Higgs
Fin de la
PARTE
a
1
2a PARTE
Experimentos en
Física de Partículas
¿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.
Es como en una radiografía…
Bombardeamos partículas
(fotones = rayos X) contra un
blanco (cuerpo humano) y de lo
que observamos en el detector
(la radiografía) sacamos
conclusiones acerca de lo que
hay dentro…
¿Por qué queremos acelerar
partículas a altas energías?
(1) Equivalencia ó dualidad onda-corpúsculo
E=hc/l
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 ? )
¿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
¿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
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.
¿Cómo producir antimateria?
e+
g
e-
e+ e-
e-
Hilo de metal
Región de campo magnético
e-
Eg > 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.
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
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
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
Aceleradores circulares
El sincrotrón
Interior del Proton Synchrotron
en el CERN Ginebra (Suiza)
European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble (Francia)
Aceleradores circulares
¿Cómo reducir las pérdidas de energía por
radiación sincrotrón y alcanzar E mayores?
LEP en el CERN
Colisionador e- e+ (hasta 200 GeV)
(entre Suiza y Francia)
Energía limitada por las pérdidas
de energía por radiación
sincrotrón
27 km
de
circunferencia !!
Aumentando el radio de curvatura !!
CERN:
Centre Europeene
pour la Recherche
Nucleaire
LEP (1989-2000)
LEP: Large Electron Positron collider
Las colisiones e- e+
se producen en 4
puntos de cruce
donde se colocan
los detectores de
partículas:
ALEPH
100 m
DELPHI
L3
OPAL
Detectores de partículas cargadas
Principio básico:
Objetivo:
Cuando una partícula cargada pasa por un medio arranca
Determinar
la carga,deellos
momento
la energía
de la partícula
electrones
átomosy(ioniza
el medio).
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.
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
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
Delphi
Delphi: Detector with Lepton Photon and
Hadron Identification
Colaboración Delphi:
56 universidades
550 físicos de 22 países
EJERCICIO: hoy a la tarde
ANÁLISIS DE TRAYECTORIAS DE PARTÍCULAS EN EL DETECTOR DELPHI
El futuro: LHC
Large Hadron Collider
Se comenzó a diseñar en 1984.
Se terminará de construir en 2007
Mismo túnel que LEP
Colisionador protónprotón hasta 14000 GeV
4 detectores:
ATLAS
CMS
LHC-B (Santiago)
ALICE (Santiago)
Ejemplo de una colisión en LHC
22 m
44 m
Sólo en ATLAS se recogerán datos como
para llenar un CD cada 7 segundos !, es
decir 12,000 CDs al día !!, 4 millones de
CDs al año !!!.
Si ponemos todos los “CDs” de ATLAS y
CMS uno encima de otro harían una torre
que tendría unos 20 km de altura !!!!
http://hands-on-cern.physto.se/ani/acc_lhc_atlas/lhc_atlas.swf
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
Fin de la
a
2
PARTE
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Física de Partículas