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Lucía Vargas Cárdenas
hace 6 años
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1 La Frontera de la Física de Partículas. Modelo Estándar, Higgs,... Curso para profesores CSIC, 2015 Alberto Casas (IFT-CSIC/UAM, Madrid)

2 LHC

5 EL LHC es una máquina para acelerar y hacer chocar protones a enormes energías. En cada colisión se producen cientos de partículas. Del estudio de estas partículas se espera obtener información nueva y crucial para nuestra comprensión de la naturaleza.

6 EL objetivo del LHC es traspasar la frontera actual del conocimiento básico sobre la naturaleza

7 Por qué...?

8 Por qué hay tantas sustancias y objetos diversos?

9 Alberto Casas, Instituto de Física Teórica, IFT-CSIC/UAM, Madrid Mendeleiev (1867) Tabla Periódica

10 Tabla Periódica Rutherford (1909) Bohr (1913)? Átomo

11 protón neutrón electrón

12 ... protón neutrón electrón

13 protón neutrón electrón Por qué existen estas tres partículas y a qué se deben sus propiedades? Esta pregunta sólo ha podido ser respondida parcialmente Aquí es donde chocamos con la frontera básica del conocimiento

14 Todo lo que sabemos sobre las par/culas elementales está sistema5zado en una teoría de gran éxito: El Modelo Estándar

15 Frontera actual Modelo Estándar

16 Modelo Estándar (~1980) Simetría Componentes de la Materia Interacciones

17 Materia 1932 p, n, e ν 1937 µ 1940s mesones π, K 1950s partículas Λ, Δ, Σ,......Actualmente se conocen unas 300 partículas

18 En 1964 se propuso la idea de los quarks Zweig Gell-Mann u u d d d u protón neutrón

19 u u d d d u protón neutrón Qué mantiene unidos a los quarks? Por qué no se ha visto nunca un quark libre?...

20 ν e u e d 1 a familia de partículas elementales casi todo está hecho con ellas

21 ν e u e d 1 a familia ν µ c µ s 2 a familia ν τ t τ b 3 a familia

23 ν e u e d 1 a familia ν µ c µ s 2 a familia ν τ t τ b 3 a familia Por qué?

24 Masas de las partículas e 0,0005 µ 0,106 τ 1,78 ν e? ν µ? ν τ? u 0,002 c 1,25 t 173 d 0,004 s 0,095 b 4.2 leptones hadrones 1 a 2 a 3 a (en GEV)

25 Interacciones

26 Todas estas interacciones son manifestaciones de sólo 4 interacciones básicas gravitatoria fuerte electromagnética débil

27 Estas interacciones están mediadas por otras partículas: mensajeras de la interacción

28 Estas interacciones están mediadas por otras partículas: mensajeros de la interacción e e γ Interacción Electromagnética Intercambio de fotones e e

29 Tipo de Interacción Partícula Mediadora Electromagnética γ (fotón) Fuerte g (gluón) Débil bosones W, Z Gravitatoria G (gravitón) tienen masa!

30 Simetría...Quizá el concepto más importante en la física de partículas moderna Simetría Invariancia bajo transformaciones

31 Presenta la naturaleza alguna simetría?

33 Lo verdaderamente fundamental no son los objetos, sino las leyes de la física que los originan.... y las leyes de la física tienen una enorme simetría Es decir, quedan invariantes bajo ciertas transformaciones matemáticas

34 Por ejemplo: Las leyes de la física tienen invarianza temporal: no cambian con el tiempo Conservación de la Energía

35 Traslaciones temporales Conserv. de la energía Traslaciones espaciales Conserv. del momento Rotaciones Conserv. del mom. angular Cambios de sistema de referencia (transformaciones relativistas) masa y espín

36 ...y aún hay más simetría

37 Simetrías Internas En una Teoría Cuántica de Campos (como el Modelo Estándar), los objetos fundamentales no son las partículas sino los campos. Las partículas son las excitaciones (cuánticas) del campo Campo Electromagnético Fotón Esto da posibilidades de nuevas simetrías

38 Imaginemos una teoría que depende de dos campos: pero sólo a través de la combinación la teoría es invariante bajo la transformación: simetría interna

la carga eléctrica proviene de una simetría interna

39 Las simetrías internas también producen cantidades conservadas Emmy Noether (1915) La conservación de la carga eléctrica proviene de una simetría interna de las ecuaciones del Electromagnetismo! EM U(1) EM

40 Simetrías Locales Si la simetría es válida para cualquier simetría local

41 Simetrías locales Interacciones Yang & Mills (1954) Las partículas mediadoras de esas interacciones han de ser bosones sin masa

42 Las interacciones básicas de la naturaleza son consecuencia de simetrías subyacentes

43 La simetría EM es local! La interacción electromagnética y los fotones son consecuencia de una simetría local de la naturaleza

44 Interacciones fuertes:... son consecuencia de otra simetría local: COLOR SU(3) C (~1970s) 8 gluones (sin masa)

45 u u d protón

46 protón u d u gluones M proton ' 1 GeV m u ' 0, 002 GeV m d ' 0, 005 GeV

47 La mayor parte de la masa de un átomo proviene de las interacciones fuertes que mantienen unidos los quarks dentro de los protones y los neutrones

48 Sin embargo las masas del electrón y de los quarks 6enen importancia crucial Gracias a atrapar a los electrones M electron 6=0 el núcleo puede Desde el punto de vista teórico, estas masas son aún más importantes. Por qué tienen masa los quarks y electrones?

49 Interacciones débiles: p n e ν Fermi (1933)

50 Interacciones débiles: u d d n p u d u W e W +, W debían tener masa problema ν

51 Simetrías Leyes de conservación Interacciones Partículas Mediadoras

52 Las interacciones básicas de la naturaleza son consecuencia de simetrías subyacentes Tipo de Interacción Partícula Mediadora Electromagnética γ (fotón) Fuerte g (gluón) Débil bosones W, Z Gravitatoria G (gravitón)

53 La masa se lleva mal con la simetría Las simetrías del Modelo Estándar parecen requerir que todas las parbculas tengan masa cero!

54 Además... No podemos simplemente renunciar a las simetrías del Modelo Estándar Sin las simetrías la teoría se vuelve inconsistente!

55 Necesitamos un mecanismo que dé masa a las parbculas sin estropear la simetría

56 R. Brout F. Englert P. Higgs Mecanismo de Higgs 1964

57 Una imagen sencilla del mecanismo de Higgs

58 Mecanismo de de Higgs Existe un campo (campo de Higgs) que llena todo el espacio, como un líquido viscoso. masa Fricción con el líquido viscoso

59 Si esta hipótesis es correcta, debe existir una nueva partícula especial : el bosón de Higgs Bosón de Higgs Ondas en el líquido viscoso

60 Para producir bosones de Higgs tenemos que agitar el vacío

61 Y para agitar el vacío necesitamos una máquina que permita acelerar las partículas hasta enormes energías... y hacerlas chocar! LHC

62 Una explicación más exacta (y diqcil...) para estudiantes excelentes!

63 electrón Transf. de simetría: Término de masa: m 2! q El término de masa se transforma: m 2! q 2 m 2

64 electrón H Higgs Transf. de simetría:! q H! H/q 2 En vez del término de masa, H 2 m 2, escribimos: H 2! H 2...pero H 2 no es un término de masa, sino una interacción

65 TRUCO: H = hhi + h valor en el vacío excitación bosón de Higgs H 2 = hhi 2 + h 2 término de masa interación con el bosón de Higgs

66 En general: fuerza de la interacción yh 2 = y hhi 2 + yh 2 término de masa interación con el bosón de Higgs

67 Por qué sólo los bosones W y Z (interacciones débiles) tienen masa?

68 Porque H solo se transforma bajo la simetría relacionada subyacente a las interacciones débiles Solo siente las interacciones débiles

69 Otra perspec6va también para estudiantes excelentes!

70 Simetrías rotas

71 Ruptura espontánea de simetría 0 A 0 B

72 Mecanismo de Higgs Da masa al bosón mediador ( fotón ) 0 A 0 B

73 Mecanismo de Higgs Partícula con masa (Higgs) 0 A 0 B

74 1960s Glashow Weinberg Salam Simetría Electrodébil: ED SU(2)xU(1) ED Rupt. Esp. EM

76 ED Rupt. Esp. EM En el proceso 3 partículas mediadoras: W +, W, Z adquieren masa (Descubiertas en el CERN en 1983) Y una partícula mediadora: (fotón) queda sin masa

77 Partícula con masa (Higgs) 0 A 0 B Si la teoría es correcta debía existir un bosón de Higgs con masa

78 Esta era la única predicción importante del Modelo Estándar aún sin verificar Pero era una predicción crucial Producir un bosón de Higgs es equivalente a sacar al vacío de su sitio (por un instante diminuto)

79 Descubrir el bosón de Higgs Objetivos del LHC Descubrir la física más allá del M.E.

80 Pero si el Mod. Est. funciona tan bien, Por qué ir más allá? Qué hay de malo con el Mod. Est.?

81 ...Continuará en parte 2...

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