Post on 22-Apr-2015
Módulo 1Física de partículas
Carlos Pajares, Jaime Álvarez Muñiz, Carlos Salgado
Departamento de Física de Partículas & Instituto Galego de Altas EnerxíasUniversidade de Santiago de Compostela
¿De qué está hecho el
mundo que nos rodea?
¿Qué lo mantiene unido?
2 preguntas fundamentales
¿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 ?
1 1/2 1/22 1/23 1/24
1/25 1/26 1/27 1/28 1/29
1/210 1/211 1/212 1/213 1/214
Si hacemos esto mismo otras 70 veces !! llegaremos a conseguir UN ÁTOMO.
Busquemos un trozo de materia
16384 trocitos
El átomoDemócrito (S. V-VI a.C. ):
Toda la materia está constituída de partículas INDIVISIBLES llamadas ÁTOMOS
Pero… ¿es realmente el átomo indivisible ?
TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS
D. Mendeleev (1869)
Helio (He)
Neon (Ne)
Todos, pero todos todos, los átomos tienen un núcleo cargado positivamente, y electrones con carga negativaorbitando alrededor.
(El electrón fue descubierto por J.J. Thomson en 1897).
El átomo se puede dividir !
Evidencia de subestructura en el átomo
(Rutherford 1911)
Partículas alpha radiactivas
(carga positiva)
Pero… ¿y el núcleo?, ¿es indivisible ?
1 Angstrom =10-10
m
El núcleo se puede dividir !
El núcleo contiene protones de carga +e y neutronessin carga.
10-14
m
Pero… ¿y los protones y neutrones?, ¿son indivisibles ?
u
d
u
u
dd
Protón
Neutrón
Los protones y neutrones también se pueden dividir !
1 fermi = 10-15
m
Neutrones y protones contienen “quarks” up and down
Pero… ¿y los quarks?, ¿también se pueden dividir?
<10-18
m
? No hay evidencia experimental
Pero… ¿y los quarks?,
¿también se pueden dividir?
u
d d
¿Y los electrones?, ¿se pueden dividir?
Hay evidencia experimental de que no…
…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...
En resumen…
Electrón
Átomo
Átomo 10-10 m
Núcleo 10-14 m
Protón Neutrón Quarks
Protón 10-15 m
Otra partícula elemental: el fotón
La “luz” está formada por partículas llamadas fotones
El efecto fotoeléctrico:
Un haz de “luz” puede arrancar electrones de la materia.
Luz incidente Electrones arrancados
Einstein (1905)
¿Existen más partículas elementales?
Los físicos han descubierto cerca de 200 partículas…
Y siempre se hacen la misma pregunta… ¿serán verdaderamente indivisibles?.
Ya sabemos que existen: Quarks up & down, electrones y fotones
K0
K-
K+
+
0-
0
+
-
+ --
++
J
Hadrones
e
Leptones
… y más
e
6 QUARKS
6 LEPTONES
La materia ordinaria está formada por quarks u y d, y por electrones
Las 3 familias de partículas elementales
(Todos los hadrones están formados por combinaciones de qq o qqq)
Las 3 familias
_
(Indivisibles = elementales)
Además, por cada partícula elemental hay… una antipartícula
Electrón e-
Anti-electrón e+ (positrón)
Aniquilación electrón-positrón
e- e+
La aniquilación produce energía
electrón (materia)
Se producen nuevas partículas y antipartículas
positrón (antimateria)
e+e- → D+D-
E = mc2
La materia se puede convertir en energía y viceversa:
Excelente forma de producir nuevas partículas
La masa es una forma de energía.
Nº de partículas = Nº antipartículas
¿Cuánta energía tiene la materia?
+ =
1 gramo demateria
1 gramo deantimateria
Liberan una energía
equivalente a la explosión de una bomba atómica
E = mc2
LOS 6 QUARKS
Todos los hadrones están formados por combinaciones de qqq o qq
Los quarks tienen carga eléctrica fraccionaria
Gell-Mann (1963)
-
CONFINAMIENTO DE LOS QUARKS
Los quarks no existen en estado libre.
Si trato de separar dos quarks se forman hadrones (chorros de partículas)
Hadrón
HadrónHadrón
E = mc2
La energía se puede convertir en masa
LOS LEPTONES
e, y 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)
Electrón = gato
Tau = 85 tigres
Muón = 10 leonesNeutrinos < pulgas
Los leptones pueden existir como partículas libres.
NEUTRINOS
Los neutrinos son extremadamente difíciles de detectar…
Propuestos por W. Pauli (1930) para evitar la no
conservación de la energía en la desintegración del
neutrón. Descubiertos por Cowan y Reines (1956)
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:
Gravitatoria
Electromagnética
Fuerte
Débil
Interacción = atracción, repulsión, aniquilación ó desintegración
Las interacciones entre partículas se producen por intercambio de una serie de partículas elementales llamadas BOSONES.
4 interacciones fundamentales
Fuerte Electromagnética
Gravitatoria Débil
carga eléctrica
masacarga débil
carga de color
Ejemplos de interacciones entre partículas
Repulsión electromagnética entre dos electrones mediante intercambio de un fotón
Aniquilación débil de electrón y positrón y conversión en muón negativo y positivo
mediante intercambio de un Z0
El resultado final también puede ser un e-e+, un -+ o un quark-antiquark (que al separarse producirán hadrones)
e-
e+
-
+
q
anti-qR.P. Feynman
MODELO ESTÁNDAR
PARTÍCULAS ELEMENTALES
QU
AR
KS
LE
PT
ON
ES
3 FAMILIAS PA
RT
ÍCU
LA
S P
OR
TA
DO
RA
S
DE
FU
ER
ZA
Fotón : Electromagnética
(quarks y leptones cargados)
Gluón g: Fuerte
(quarks)
W+, W-, Z0: Débil
(quarks y leptones)
INTERACCIONES FUNDAMENTALES
¿Por qué las partículas del Modelo Estándar tienen las masas que tienen?
Cuanto más fuerte es la interacción más masiva será la partícula.
Las partículas sin masa no interaccionan con el campo
Peter Higgs sugirió un mecanismo por el cual las partículas adquieren masa mediante la interacción con un campo (como un campo eléctrico o gravitatorio) que llena todo el espacio y que las “frena”.
Peter Higgs
El mecanismo de Higgs