El Modelo Estandar. (Standard Model)

Transcripción

1 El Modelo Estandar (Standard Model) and beyond

2 2

3 3

4 4

5 ν 5

6 Fermion J=1/2) Leptones Quarks Fam Fermiones (estadística Fermi, afecta PE Pauli) Q (EM) T 3 (l-h) Color m (MeV/c 2 ) m (MeV/c 2 ) Descubi erta en e -1 -½ ± ν e 0 +½* 0 < µ -1 -½ ± ν µ 0 +½ * 0 < τ -1 -½ ± ν τ 0 +½ * 0 < u +2/3 +½ rgb d -1/3 -½ rgb c +2/3 +½ rgb 1275 ± s -1/3 -½ rgb 95 ± t +2/3 +½ rgb ± b -1/3 -½ rgb 4180 ±

7 Por qué 3 familias? Conservación de familias Los datos apuntan a 3 y sólo 3 generaciones Matriz identidad en e,µ,τ,ν V CKM 4 parámetros sin θ c 0.22 ; θ c ~13º 7

8 Los fermiones también lloran son inestables t -> b -> c -> s -> u <-> d W virtual: existe sólo el tiempo permitido por el P. Incertidumbre s s 900s 10-8 s s Hadrones (mesones y bariones) inestables 8

9 t Z,W Vida media (s) 1.E-31 1.E-22 1.E-13 1.E-04 1.E+05 1.E+14 1.E+23 1.E+32 H 1.E+02 b tau c s Naturaleza mu Masa (GeV) 1.E-01 d quark u quark LHC E=mc 2 electron neutrinos 1.E-04 9

10 Cuánto vive una partícula? Principio de incertidumbre τ = t Breit- Wigner Γ = ancho natural de linea FWHM Γ 0 τ Partícula estable (e.g. electrón) Γ τ 0 Partícula inestable (e.g. quark top, Γ 2.0±0.5 GeV τ = s) Similar a una gaussiana en el pico pero las colas son más planas T. Fourier

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12 Bosones (estadística B-E, no afecta PE Pauli) Boson J Q Color T 3 Interacció n Masa (GeV/c 2 ) τ (B-W ) Teoría Predicha Descub ierta γ EM 0 (<10 18 ev/c 2 ) Estable QED W± 1 ±1 ±1 Débil ± x s QED Z Débil ± x s QED g (8) 1 0 Color + Acolor (octet) Fuerte 0 (<0.0002eV/c 2 ) - QCD H 0 0 Masa ~125.3± s EW G? 2 0 Gravedad 0(< ev/c 2 ) Estable QFT 1930 (no SM)

13 Modelo Estándar Tipo Sabor Generación Antipartícula Color Total quarks leptones gluon W Z γ H Total parámetros libres (incluyendo 9 masas de fermiones) en primer orden -Q -T 3 -Color 13

14 Comparativa de fuerzas Fuerza Bosón Carga Masa Alcance Tiempo (lifetime) Intensidad Fuerte g Color (g tiene carga de color) 0 Limitado por interacción mutua de g (1fm=10-15 m) s α s =1 EM γ Eléctrica (γ no tiene carga eléctrica) Débil Z,W ± Débil (W y Z tienen carga débil) Gravitatoria G Masa (G no tiene masa) s α= α EM =1/137 ~80,91 GeV/c fm (10-18 m) s α W =10-6 0? α g =

15 El propio portador de la fuerza (g), está cargado!! Comparar con EM (γ) ~140MeV QCD Es independiente de la carga eléctrica!!! Fuerza fuerte. Carga de color: no tiene nada que ver con cromatismos es un nombre partículas libres carga neutra la energía del campo de color aumenta con la distancia (Asymptotic Freedom) surge del PE de Pauli V( r ) = k r 4α/3r k 1 GeV/fm=160000N Bag model of Quark Confinement 15

16 MeV Masas de hadrones hadrones: Bariones Fermiones Mesones Bosones Carga de color neutra Estados ligados por Inter. Fuerte Masa concepto de masa clásica valence quarks sea quarks J=0 J=1 Masa = efecto dinámico del confinamiento de quarks (>90%) Efecto Zeeman Masa invariante de una partícula elemental Y. Nambu: P. Nobel 2008 por ESB (1960) Masa Energía (movimiento de quarks y gluones) M 2 Magnitud Dimensio nalidad Paridad Ejemplo Escalar 0 + (par) Temperatura, masa, p 2 = p p Pseudoescal ar 0 - (impar) Helicidad h= Spin p Vector 1 - (impar) Momento p, posición r Vector axial (pseudo vector) 1 + (par) Momento angular: L = r x p Rotura de simetría quiral 16 Rotaciones y traslaciones permitidas

17 Mesones Pseudoescalares Mesones y bariones Mesones Vectoriales B = 0 Isospin: I 3 = ½ (n u -n d ) Strangeness: (S = -n s ) Left-handed B = 1 + Right-handed 17 +

18 Fuerza nuclear Fuerza que une nucleones en el núcleo (n,p) Efecto residual de la interacción fuerte ( VdW) p n u u d π d Potencial de Yukawa π 0 = (uu-dd)/ 2 18

19 QED α = α EM Natural units: ε 0 = c = h =1 19

20 20

21 QED vs QCD At s=q=1gev, α s =1 ~1/8 21

22 Neutral Neutral Currents, Charged Currents Neutron β decay Charged Corrientes cargadas se explicaban por intercambio de W ± 22

23 Carga (Electro)débil (I) 23

24 Carga (Electro)débil (II) (Weinberg angle ~30º) 24

25 Carga (Electro)débil (III) w sin 2 θ W = ± α em = e 2 / 4π ; α em = α W sin 2 θ W w 25

26 Carga (Electro)débil (IV) Neutral Currents Nuevo número cuántico: Isospin débil (T). Por generalización del spin nuclear g Z = g W / cos θ W 26

27 Fuerza α =g 2 /4π Comparación de fuerzas: Carga (g) unificación? Partículas afectadas Debil α W g W (g Z =g W /cos θ W ) EM α=α EM g em = e = g W sen θ W Quarks, Leptones y neutrinos Quarks, Leptones Fuerte α S g S Quarks α x = g x2 / 4π La fortaleza intrínseca de la interacción Débil es mayor que la EM, pero a bajas energías (q 2 ) parece más débil debido a la gran masa de los propagadores W y Z 27

28 Recapitulación de números cuánticos: simetría = conservación Spin: fermiones vs bosones Sabor: Isospin I 3 = ½ (n u -n d ),Charm (C), Strangeness (S), Topness (T ), Bottomness (B ) Isospin débil (T), tercera componente T z,t 3 ; T=½ left-handed quiralidad negativa (levógiro) (ej. t W + b, b W - c) Hipercarga débil: Y W = 2 (Q T 3 ) Carga eléctrica: Q Lepton number: L e, L µ, L τ Barion number: mesones=0,bariones=±1 * *Rotaciones y traslaciones permitidas

29 Leyes de conservación Cantidades físicas conservadas: Energía (E), momento (p), momento angular (L), carga (Q), color (g S ), número bariónico (B=1 para bariones, B=0 para mesones) y los tres números leptónicos (L e,l µ,l τ ) Las paridades C (inversión de carga) y P (inversión en el espacio) se conservan en la fuerza Fuerte y EM. En la Débil no: CC: violación de la paridad máxima, fermiones l-h y anti fermiones r-h NC: violación parcial de la simetría de paridad Sabor: Sólo la CC transforman un tipo de quark en otro tipo (de diferente sabor) y un tipo de leptón en otro el sabor se conserva en el resto de interacciones Cumplen leyes: Bosón W o Z como mediador en todos estos procesos Violan leyes: p + µ - π 0 +n e + + e - ν µ + ν µ π - e - + ν e τ - π ν e

30 Simetría: ChargeParityTime Fuerte y EM la conservan. Débil no Carga y otros números cuánticos (ej: Lepton) Dado que CPT es una simetría experimental (hasta la fecha ), matemáticamente esto implicaría que la fuerza Débil no conserva el T en una pequeña cantidad Casi no se conserva en Débil (Kaon decay) Fuerte y EM: OK. Débil no Predominio de materia frente a antimateria en el Universo 30

31 Diagramas de Feynman (I) Time 31

32 Diagramas de Feynman (II) em 32

33 Resumen de Vértices El elemento de matriz es proporcional a: fuerza de la interacción (vértice g) momento intercambiado (propagador q) Cualitativamente, se traduce en una probabilidad: M σ ~ M 2 g Z g Z g Z = g W / cos θ W 33

34 Ejemplo (I) 34

35 Ejemplo (I) 35

36 Ejemplo (I) 36

37 Ejemplo (I) 37

38 Ejemplo (I) 38

39 Ejemplo (I) Término de propagador aparte. 39

40 Ejemplo (II) 40

41 Ejemplo (III) Genericamente: M ~ α x / (q 2 (M propagador ) 2 ) ; x = S, EM, W, Z 41

44 Reglas generales 44

45 LO vs NLO, NNLO,. 45

46 Graviton? Spin 0 Escalar!!! Spin 1 Vector Spin 2 Tensor Todo lo que tenga masa 46

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48 El concepto de simetría

49 La naturaleza está llena de cosas simétricas

50 Construimos cosas simétricas

51 Lo simétrico es aburrido?

52 Es simétrico? 52

55 Simetría rotacional 55

56 Simetría rotacional 56

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59 Ruptura espontánea de la simetría electrodébil (EWSB) 59

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62 Cambio de fase

63 3min 380ky Telescopes EWSB 63

64 Spontaneus Symmetry Breaking T > T crit T < T crit

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71 El universo nació simétrico y ha sufrido múltiples roturas de simetría hasta llegar al estado actual, muy poco simétrico (con todas las simetrías muy ocultas). La rotura de la simetría electrodébil ocurrió cuando el universo tenía diez billonésimas de segundo de existencia Significó la definición de todas las partículas que conocemos en la actualidad pasando de un estado en el que eran idénticas (sin masa) a ser distinguibles con masas diferentes (simetría rota)

72 Qué hace (hizo) el bosón de Higgs? Dar masa a las partículas? Manifestación del campo de Higgs: Ejemplo de piscina de agua como campo: peces, olas, mano que agita el agua=lhc La masa es una resistencia a la aceleración (o cambio de estado movimiento). F = m a No resistencia a la velocidad (viscosidad, rozamiento) Ejemplo de los periodistas y el famoso Ejemplo de los pares superconductores de Cooper, materiales ferromagnéticos, Rotura espontánea de la simetría

73 Y que valor de masa? Robert Brout ( )

74 4 de Julio de 2012 LHC (CERN) m H = ± 0.5 GeV/c 2

75 Hito histórico?

76 Por qué no notamos la presencia del campo de Higgs? En cierto sentido es como el aire: Nuestros antepasados no sabían que vivíamos rodeados de aire El viento (=flujo) les hizo notar que había algo ahí Dado que no podemos hacer que los bosones de Higgs fluyan, pues están rígidamente atados en el espacio: El único modo es agitar fuertemente el espacio para extraer uno LHC

77 Y ahora... qué?

78 Es el SM suficiente? 78

79 Universo metaestable Si no hay nada más allá del Modelo Estándar y Higgs, el universo sería metaestable. El estado fundamental o el vacío en el que vivimos no sería estable sino metaestable, es decir, que podría producirse una especie de burbuja o una hernia y nuestro universo desaparecería. Ahora todo indica que el universo está muy cerca del precipicio, es como si se fuera a evaporar (equivalente a un cambio de fase). Uno de los descubrimientos más interesantes del LHC. 11/03/2015 J. Fernandez 79

80 Cuál es el futuro del vacío? False vacuum True vacuum

81 Problemas del SM Problema de la jerarquía: masas diversas y acoplamientos diferentes (fuerza fuerte vs débil) Renormalización Materia oscura neutrinos? No parece Modelo Higgs tiene problemas con la constante cosmológica Expansión del Universo Unificación de fuerzas Strong C(harge)P(arity) Por qué QCD no viola la simetría CP? Oscilaciones de neutrinos (relacionado con masa) Demasiados parámetros libres (más de 20) : 12 masas de fermiones, matrices de mezcla de quarks y neutrinos, la masa del bosón de Higgs El SM es simplemente eso, un modelo, más que algo fundamental Por qué 3 familias/generaciones? Son los leptones/quarks subestructuras fundamentales? 81

82 Modelos Teorías SUSY No hay evidencia directa (aun) de la existencia de supersimetría: están motivadas por posibles soluciones a varios problemas teóricos Como no se han observado superpartners de las partículas del SM, la SUSY debe ser una simetría rota (si es realmente una simetría de la naturaleza, de la variable cuantica spin) Superpartículas más pesadas que sus correspondientes en el SM Pros: Si la supersimetría existe en energías cercanas a la escala de TeV, permite la solución del problema de la jerarquía Permite la unificación de fuerzas (S y EW) a alta energía Proporciona un candidato a materia oscura: neutralino (LSP) Proporciona un mecanismo natural para la EWSB Cons: Aun no han sido comprobadas experimentalmente. Teorías: Minimal Supersymetric Standard Model (MSSM) Superstring Theory Supergravity 82

83 SUSY promete

84 SUSY Simetría de spin Números cuánticos identicos (salvo J) Masas diferentes (simetría aun rota) Difieren en spin por ½ E.g. Higgsino J= ½ ; sfermions 84 J=0

85 Teorías SUSY Débil EM Fuerte

86 Por qué continuar el LHC? : La Materia Oscura Átomos 4.9% Materia Oscura 26.8% Energía Oscura 68.3% HOY Los valores de los componentes del Universo Sólo entendemos un 4.9% del mismo después de 100 años intentándolo!! No sabemos qué es la materia oscura Tampoco lo que es la Energía Oscura, pero ALGO está acelerando la expansión de nuestro Universe Supersimetría? El Neutralino partícula posible en LHC? Un nuevo campo de fuerza, como el Higgs, en LHC?

87 Qué más hay ahí fuera? Satélite WMAP Planck (Marzo 2013)

88 Otros elementos 0.04% Neutrinos 0.4% Estrellas 0.6% H y He libres 3.8% Materia oscura 26.8% Energía oscura 68.3% Al menos en nuestro universo..

89 La materia oscura Lente gravitatoria causada por materia oscura Choque de cúmulos En azul la materia oscura

90 Vera Rubin Finales años 60 La explicación se encuentra en la materia oscura

91 Materia oscura en la vía Lactea

92 Qué sería la energía oscura? Premio Nobel de Física 2011: La energía oscura y la expansión acelerada del espaciotiempo 1998, confirmado por numerosos estudios posteriores

93 La cantidad de energía/materia oscura determinará el destino de nuestro Universo

94 El futuro del Universo BIG RIP: La expansión sigue acelerándose hasta provocar un "desgarrón" que desintegrará hasta las partículas subatómicas. CONSTANT DARK ENERGY : La expasión deja de acelerarse, pero la expansión del Universo continúa indefinidamente. BIG CRUNCH : La expansión cesa y el Universo empieza a contraerse hasta convertirse de nuevo en una singularidad.

95 Por qué sólo hay materia?

96 Antimateria

97 Por qué continuar el LHC? : La Asimetría Materia-Antimateria Donde se ha ido la antimateria del Universo? Si el Universo comenzó puramente a partir de energía debería contener la misma cantidad de materia que de antimateria. PERO si hubiese la misma cantidad de materia que antimateria se hubiera aniquilado entre. Aun estamos aquí!!!, y no hay trazas de antimateria. Se ha buscado cerca y lejos en el Universo en todas direcciones y no se ha encontrado evidencia para aglomeraciones de antimateria. El fondo cósmico de microondas no muestra ningún rastro de antimateria Por cada 10 9 pares de partículas-antipartículas producidas en la llamada bariogénesis (10-6 segundos después del Big Bang), parece que hay un exceso de 1 partícula. TODO LO QUE SE VE EN EL UNIVERSO HOY es ese exceso de 1 en Algunas leyes de la NATURALEZA podrían no ser IMPARCIALES entre materia y antimateria (Charge- Parity Violation)

98 Por qué continuar el LHC? : UNIFICACIÓN Electricidad Magnetismo Fuerza Débil W 80 GeV Fuerza Nuclear Fuerte gluon 0 mass Z 91 GeV Electromagnetismo Foton 0 mass Fuerza Electrodébil 0 mass En esta teoría es necesaria una nueva partícula! Higgs > 114 GeV Fuerza de Gran Unificación (Muchas teorías, aunque ninguna comprobada por los experimentos todavía!) Gravitación Celeste Gravitación terrestre Gravitación Universal Teoría General de la Relatividad Aun sin una teoría cuántica!

99 GUT

100 LHC : Qué vamos a encontrar? Probablemente lo inesperado