Medidas en Física de Partículas. (Identificación y Reconstrucción de la resonancia J/Ψ) M.I. Josa CIEMAT 22 Marzo 2011

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Julia del Río Mora
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1 Medidas en Física de Partículas (Identificación y Reconstrucción de la resonancia J/Ψ) M.I. Josa CIEMAT 22 Marzo 2011

2 Índice o Conservación de la energía y del momento o De qué están hechas las partículas? o La partícula que vamos a estudiar esta tarde 2

3 Conservación de la energía y del momento 3

4 Conservación de la energía Energía potencial Energía cinética 4

5 Choque elástico o Una bola de billar choca contra otra que está en reposo. La primera se desvía de su trayectoria y la segunda abandona el reposo y empieza a moverse 5

6 Choque elástico o Estado inicial: p 1 = mv 1, p 2 = 0 E 1 = ½ mv 12, E 2 =0 o Estado final: p 1 = m v 1, p 2 = mv 2 E 1 = ½ mv 1 2, E 2 = ½ mv 2 2 o p 1 + p 2 = p 1 + p 2 o E 1 + E 2 = E 1 +E 2 Bola 1 Bola 1 Bola 2 6

7 Choque elástico o Estado inicial: p 1 = mv 1, p 2 = 0 E 1 = ½ mv 12, E 2 =0 o Estado final: p 1 = m v 1, p 2 = mv 2 E 1 = ½ mv 1 2, E 2 = ½ mv 2 2 o p 1 + p 2 = p 1 + p 2 o E 1 + E 2 = E 1 +E 2 p 2 p 1 p 1 7

8 Choque inelástico v v p 1 = mv E cinética,1 = ½ mv 2 p 2 = mv E cinética,2 = ½ mv 2 o La energía cinética de los coches se convierte en energía de deformación, calorífica, acústica... o El momento lineal se conserva: p final = 0 8

9 Inciso: Momento y energía de las partículas o La velocidad de las partículas que colisionan en el LHC y de las partículas resultantes de la colisión es prácticamente la velocidad de la luz, v = c 39 km/h (c= km/s) o En una carrera a la luna, la luz gana a un protón del LHC por 14 m, después de un viaje de km γ p 9

10 Mecánica relativista o Mecánica clásica (I. Newton) Momento: p = m v Energía: E = ½ m v 2 o Mecánica relativista (A. Einstein) Momento: p = m v / (1-β 2 ) ½ β =v/c Energía: E = [p 2 c 2 +m 2 c 4 ] ½ Energía y masa son equivalentes 10

11 Choque elástico 11

12 Choque elástico o Se parece mucho a lo que hemos visto antes 12

13 Choque inelástico o Energía total = Masa de los proyectiles + Energía cinética de los mismos p -p p p Energía disponible para generar partículas de naturaleza diferente 13

14 De qué están hechas las partículas? 14

15 nuestra materia (de momento puntual) 15

16 Constituyentes de la materia hadrónica o Qué es esto? 16

17 Constituyentes de la materia hadrónica o Tres familias u d c s de quarks t b o Cada vez más o Tres colores: Verde, Azul y Rojo masivos o Número cuántico de (no es como el color que vemos con los ojos) 17

18 Constituyentes de la materia hadrónica o Quark de color rojo o Antiquark de color antirrojo 18

19 Leptones ν e ν μ ν τ ν electrón (e) muón (μ) Cada vez más masivos tau (τ) leptones cargados 19

20 Choque inelástico o Energía total = Masa de los proyectiles + Energía cinética de los mismos p -p Energía disponible para generar partículas de naturaleza diferente 20

21 Cómo combinarlos o Las partículas tienen que ser estados neutros de color, esto es, de color blanco o Tres quarks: un quark de cada color Barión o Un quark de color y un antiquark (no necesariamente igual) de anticolor Mesón 21

22 No vemos quarks, vemos jets La fuerza fuerte confina a los quarks. jet 1 q q. Experimentalmente vemos jets (chorros) de partículas jet 2 22

23 Todo un zoo de partículas o Con los nuevos aceleradores y detectores, tuvimos acceso a todo un zoo de partículas: Mesones π 0 π + π η K 0 K + K uu ud du dd ds us su 23

24 Los bariones más ligeros Bariones p uud n udd Σ + Σ 0 Σ Ξ 0 Ξ Ω uus uds dds uss dss sss 24

25 Que es una partícula? o Un estado ligado estable. o Picos en una gráfica de frecuencias (cuantas veces se produce un estado final de una cierta masa) 25

26 Las partículas se desintegran o o o No es una situación estable indefinidamente Las partículas se desintegran convirtiéndose en otras, más ligeras El ritmo de desintegración dependerá del mecanismo de desintegración (fuerte, débil) Sigue una ley exponencial N(t) = N 0 exp ( t/τ) Anchura Γ Γ 1 / τ Masa 26

27 Y la partícula de hoy? o Se predijo la existencia de un cuarto quark (Glashow, Iliopoulos, Maiani) u c e - µ - El modelo Estándar en 1970 d s νe νμ 27

28 Descubrimiento del quark charm (encanto) o Noviembre de 1974: Descubrimiento de un estado ligado cc en dos experimentos independientes o 'Psi' en SLAC (Burt Richter) o 'J' en Brookhaven (Sam Ting) J/Ψ (psi) 28

29 Qué le pasa a la partícula J/Ψ? o Se desintegra rapidísimamente en partículas más ligeras, que a su vez se pueden desintegrar. o Nosotros observamos las que son estables J/Ψ Hadrones (combinaciones de quarks) J/Ψ e + e J/Ψ μ + μ 29

30 Qué le pasa a la partícula J/Ψ? o Producción de la partícula J/Ψ pp J/Ψ + otras cosas J/Ψ μ + μ o La partícula J/Ψ vive muy poco ~10-20 s Cual es la masa, el momento y la energía de esta partícula, J/Ψ? o Partículas que vemos: μ +, μ 30

31 Reconstrucción de la partícula J/Ψ o La suma de los momentos de las partículas finales es igual al momento de la partícula inicial o La suma de las energías de las partículas finales es igual a la energía de la partícula inicial p J/Ψ = p μ+ + p μ- p μ p μ E J/Ψ = E μ+ + E μ- Q(μ + )=+1 Q(μ )= 1 Q(J/Ψ )= 0 m J/Ψ =(E 2 J/Ψ p 2 J/Ψc 2 ) ½ /c 2 31

32 El detector CMS SOLENOID 3.8 T B-field ECAL Scintillating PbWO 4 Crystals CALORIMETERS HCAL Plastic scintillator/ brass sandwich TRACKER MUON BARREL MUON ENDCAPS Silicon Strips Pixels Drift Tubes (DT) Resistive Plate Chambers (RPC) Cathode Strip Chambers (CSC) Resistive Plate Chambers (RPC) 32

33 Reconstrucción de Muones x x x x x x x x x x Reconstrucción en el detector de trazas Tracker Muon Reconstrucción en el detector de muones StandAlone Muon Junto los dos trozos Global Muon 33

34 Un suceso real de producción y desintegración de J/Psi Vista perpendicular al campo magnético Dos muones, de carga opuesta Detectados en las tapas del detector de muones Vista paralela al campo magnético 34

35 Un suceso real de producción y desintegración de J/Psi Representación 3D Dos muones, de carga opuesta Se detectan en el detector de muones de las tapas de CMS 35

36 Ejercicio de la tarde o Visualización de sucesos candidatos a ser partículas J/Ψ producidas en interacciones pp del LHC y recogidos por el experimento CMS o Clasificación de los candidatos: o SI pueden ser J /Ψ, por qué? o NO, por qué? o Cálculo de la masa de la partícula J/Ψ o Representación gráfica del resultado o Discusión 36

37 37

38 Un suceso real de producción y desintegración de J/Psi 38

39 Partículas e Interacciones 39

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