Introducción a la Física de Partículas

Transcripción

1 Introducción a la Física de Partículas Campus Científico de Verano 2011 Campus Vida, USC Inés Valiño Rielo

2 El pensador (tú & yo) El hombre se ha preguntado desde hace mucho tiempo, "De qué está hecho el mundo?" y "Qué lo mantiene unido?" El filósofo griego Empédocles en el S.V a.c. : tierra, aire, fuego y agua Hoy sabemos que existe algo más fundamental que tierra, agua, aire y fuego... 2

3 El átomo Demócrito (S. V-VI a.c. ):Toda la materia está hecha de partículas indivisibles llamadas átomos. Es realmente el átomo fundamental? Experimentos que empleaban partículas como sondas ayudaron a los científicos a determinar que los átomos tienen un núcleo, positivo y denso, y una nube de electrones (e). Rutherford en 1919 usando partículas α J.J. Thomson en 1897 usando tubo de rayos catódicos 3

4 Es el núcleo fundamental? Los científicos descubrieron que el núcleo está compuesto por protones (p) y neutrones (n) Pero los protones y neutrones, son fundamentales? Protones y neutrones están compuestos de partículas más fundamentales llamadas quarks. Ahora los físicos creen que los quarks y los electrones son fundamentales, es decir, no tienen estructura interna. 4

5 Los quarks y la escala de los objetos Si bien estamos seguros de que los quarks y los electrones son menores que m, es posible que literalmente sean puntos. También es posible que los quarks y los electrones no sean realmente fundamentales, sino que estén compuestos por partículas más fundamentales. (Vaya!, ésto nunca terminará?) 5

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7 átomo electrón protón neutrón quarks En resumen, sabemos que los átomos están hechos de protones, neutrones y electrones. Los protones y los neutrones están hechos de quarks y éstos, a su vez, puede o no que estén hechos de partículas aún más fundamentales... 7

8 Partículas fundamentales Los físicos buscan partículas no descubiertas con el objeto de entender como funciona el universo. Y siempre surge la misma pregunta: serán verdaderamente fundamentales? Los físicos han descubierto cerca de 200 partículas (muchas de las cuales no son fundamentales). 8

9 El modelo estándar Es una teoría que intenta describir toda la materia y todas las fuerzas que existen en el universo (excepto a la gravedad). Teoría capaz de explicar la existencia de cientos de partículas y sus complejas interacciones en función de unas pocas partículas y fuerzas fundamentales. Idea básica: existen dos tipos de partículas fundamentales: PARTÍCULAS MATERIALES PARTÍCULAS PORTADORAS DE FUERZAS 9

10 Partículas materiales: quarks y leptones Todas las cosas desde las galaxias a las montañas a las moléculas están formadas por quarks y leptones Los quarks se comportan de forma diferente que los leptones. 10

11 Antimateria Para cada partícula de materia existe la correspondiente antipartícula (de antimateria). La antipartícula es idéntica a ésta a excepción de su carga, que es de signo opuesto. Hidrógeno líquido Cuando se encuentran una partícula y su antipartícula se aniquilan convirtiéndose en energía pura. La cual puede producir nuevas partículas. Cámara de burbujas 11

12 Leptones Existen 6 tipos de leptones: tres con carga eléctrica y tres neutros. Leptones cargados negativamente: electrón (e - ) muón (μ - ) tau (τ-) Leptones neutros: neutrino electrónico (υ e ) neutrino muónico (υ μ ) neutrino tau (υ τ ) 12

13 Neutrinos Se caracterizan por: no tienen carga su masa es muy pequeña de interacción débil: casi nunca interactúan con otras partículas. En el universo existen montones de neutrinos. La mayor parte de los neutrinos pasan a través de la Tierra sin interactuar ni siquiera una vez. Por lo tanto, son muy difíciles de detectar. En una gran variedad de desintegraciones e interacciones se producen neutrinos o antineutrinos. Ejemplo: desintegración beta del neutrón 13

14 Quarks Hay 6 tipos de quarks: up/down charm/strange top/bottom Se caracterizan por tener carga eléctrica fraccionada y por tener otro tipo de carga que se denomina color. 14

15 Los seis sabores de quarks son los siguientes: o Los dos más ligeros se denominan : up (arriba) y down (abajo) descubiertos en o El 3º quark es llamando strange (extraño) porque la primera partícula encontrada que contenía este quark tenía una extraña larga vida media. o El 4º quark es el quark charm (encanto) con una corta vida media (1974). o El 5º quark, llamado bottom (fondo), fue descubierto en Fermilab (USA) en o Y por fin el 6º quark, llamado top (cima), fue el último en descubrirse en 1995 también en el Fermilab. 15

16 De qué está hecho el mundo?: Hadrones,Bariones, Mesones Los hadrones están formados por combinaciones de quarks, de tal forma que los hadrones tengan una carga eléctrica neutra. Los hadrones no tienen carga de color (son blancos). Existen dos tipos de hadrones: BARIONES Formados por 3 (qqq). MESONES Formados por 2 (qq). ˉ Ej: los protones son (uud) los neutrones son (udd). Ej: los piones son (ud) (Los mesones son muy inestables) ˉ 16

17 Generaciones de partículas Los quarks y los leptones se pueden clasificar en tres conjuntos denominados generaciones. Una generación es un conjunto formado por un quark y un leptón de cada uno de los valores de carga posibles. Toda la materia visible en el universo está formada por: quarks up y down, y electrones, todos ellos pertenecientes a la primera generación. Las partículas de la segunda y tercera generación son inestables y decaen rápidamente hacia partículas de la primera generación. 17

18 Ya hemos respondido la pregunta " De qué está hecho el mundo?" QUARKS y LEPTONES Pero ahora la pregunta es, Qué lo mantiene unido? 18

19 Las interacciones fundamentales La palabra "interacción" es más general que "fuerza. Cuál es la diferencia entre fuerza e interacción? FUERZA es el efecto sobre una partícula de la presencia de otras partículas Las INTERACCIONES de una partícula incluyen todas las fuerzas que le afectan, y también desintegraciones y aniquilaciones. Todas las partículas que sirven de intermediarias en las interacciones (las que portan la interacción) se denominan partículas portadoras de fuerzas. 19

20 Cómo interactúan las partículas materiales? La cuestión es como pueden interaccionar las cosas sin tocarse!! Cómo dos imanes sienten cada uno la presencia del otro atrayéndose o repeliéndose? Cómo el Sol atrae a la Tierra? Magnetismo y gravedad Pero, qué pasa con las otras fuerzas?... 20

21 Las interacciones son debidas al intercambio de partículas portadoras de fuerzas. La respuesta a la cuestión planteada cómo pueden dos objetos afectarse sin tocarse? es que esta fuerza invisible podría ser un intercambio de partículas portadoras. Una determinada partícula portadora sólo puede ser absorbida o producida por una partícula material, la cual se está viendo afectada por una determinada fuerza. 21

22 Electromagnetismo La carga eléctrica (positiva/negativa) y el magnetismo (norte/sur) son aspectos diferentes de una misma fuerza: el electromagnetismo. Las partículas portadoras de la fuerza electromagnética (EM) son los fotones. La fuerza EM es la que permite que los átomos se enlacen formando moléculas Todas las estructuras del mundo existen simplemente porque protones y electrones tienen cargas opuestas!! 22

23 Gravedad La fuerza gravitatoria no está incluida en el Modelo Standard porque su efecto en los procesos entre partículas es despreciable. Es una fuerza muy débil, a menos que haya grandes masas involucradas (como pueden ser los planetas). Las partículas portadoras de esta fuerza son los gravitones (aún no se han detectado). 23

24 Fuerte Los quarks tienen carga de color. La fuerza entre partículas con carga de color es muy intensa: Fuerza Fuerte. Las partículas portadoras de la fuerza fuerte a altas energías se llaman gluones. Los quarks se pegan formando partículas como protones y neutrones Qué mantiene unidos a protones y neutrones dentro del núcleo? La fuerza fuerte residual, entre los quarks de un protón/neutrón y los quarks dentro de otro protón/neutrón, es suficientemente fuerte para vencer a la fuerza repulsiva electromagnética que separaría a los nucleones. 24

25 Débil Toda la materia estable en el universo está compuesta únicamente por los dos quarks, los up y down, y el electrón. Este hecho se debe al fenómeno de las desintegraciones. Cuando una partícula se desintegra desaparece y, en su lugar, aparecen dos o más partículas de masa menor. La interacción débil es la responsable de que ocurran los desintegraciones de los quarks y leptones más masivos hacia los menos masivos. La interacción débil puede transformar un tipo de quark en otro tipo de quark de menor masa. Las partículas portadoras de la fuerza débil son W +, W -, y Z. 25

26 Los físicos no sólo se sientan e inventan estos objetos, sino que existen modos de verificar si una idea o especulación es o no correcta. Diseñan un experimento y usan lo que saben para encontrar aquéllo que no saben. Los experimentos pueden ser sencillos o bien pueden requerir gigantescos detectores y aceleradores 26

27 Cómo hacen sus experimentos los físicos de partículas? 27

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29 Fuentes de partículas Electrones: al golpear un metal algunos electrones son expulsados. Protones: se obtienen fácilmente ionizando el hidrógeno. Antipartículas: primero un haz de partículas energéticas golpean un blanco. Luego pares de partículas y antipartículas serán creadas via fotones virtuales o gluones. Posteriormente pueden ser separadas usando campos magnéticos. 29

30 Aceleradores Los aceleradores se usan principalmente por dos motivos : 1. La energía de las partículas aceleradas se puede usar para crear las partículas de gran masa que los físicos desean estudiar. 2. Al incrementar la energía de una partícula se disminuye su longitud de onda, permitiendo que ésta puede espiar en el interior de los átomos. Mecanismo de funcionamiento de un acelerador: Un acelerador toma una partícula, la acelera empleando campos electromagnéticos y la estrella contra un blanco o contra otro haz de partículas. Alrededor del punto de colisión están los detectores que registran las numerosas partículas emergentes. 30

31 Colisión de haces de partículas En un experimento de colisión de haces se hace que dos haces de partículas, de alta energía, se crucen. Ambos haces tienen una energía cinética significativa, de modo que es más probable que, de la colisión entre ellos, nazca una partícula de masa alta. LHC (Cern) 31

32 Detectores (I) Para encontrar varias de esas partículas y los productos de su desintegración, los físicos diseñan detectores con muchos componentes. Los diferentes componentes miden energías, momentos y cargas de diferentes clases de partículas. Cada una de las partes de un detector analiza un conjunto especial de propiedades de las partículas. 32

33 Detectores (II) Cada partícula deja su propia firma en el detector. 33

34 Análisis de datos Los detectores registran millones de datos durante los eventos de colisión. Por esta razón es necesario que una computadora analice los datos, y seleccione las trayectorias y las desintegraciones más interesantes, así como las anomalías que aparezcan respecto del comportamiento esperado. Esta es una reconstrucción por computadora de un evento de colisión protónantiprotón, que produjo un par electrón-positrón junto con muchas otras partículas. 34

35 pero en la naturaleza existen partículas que son aceleradas a energías varios millones más elevadas que las que pudiesen ser alcanzadas en los aceleradores creados por el hombre las ASTROPARTÍCULAS 35