Masterclass 2007

Jaime Álvarez Muñiz

Departamento de Física de Partículas &

Instituto Galego de Altas Enerxías

29 Marzo 2007Facultade de Física

PREÁMBULO

Pero…¿para qué estudiar Física?

El problema

¿La solución?

Vaya pues ahora tenemos... 2 problemas !!

¿ Y ahora qué ?

Bueno, vamos a ver ahora…

Problema 1 resuelto

Moraleja de la historia: La Física tiene un

papel crucial en el día a día!

pA

a P

a P > A p

Problema 2resuelto

¿Pero cómo… todavía pensáis que la Física no es divertida?

FIN DEL PREÁMBULO

1a PARTEEl mundo de las partículas

¿De qué está hecho el mundo que nos rodea?

¿Qué lo mantiene unido?

Tengo 2 preguntas para usted… Prof. Albert EinsteinSr. Zapatero

¿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, por ejemploooo…

16384 trocitos

CHOCOLATE !!

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

Pues no…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…

QuarksNeutrónElectrón

MATERIA ~ 10-9 m ÁTOMO ~ 10-10 m NÚCLEO ~ 10-14 m NUCLEÓN ~ 10-15 m

ProtónÁtomo

…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… Prof. Einstein…

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

partícula Higgs

Fin de la 1a PARTE

2a PARTEExperimentos en

Física de Partículas

¿Cómo trabajan los físicos de partículas?

Dos pasos básicos

1ª Encontrar una fuente de partículas, acelerarlas hasta que alcancen grandes energías y hacerlas chocar entre ellas o contra un blanco.

2ª Estudiar las partículas resultantes de esas colisiones en detectores y sacar conclusiones acerca del interior de la materia.

Es como en una radiografía…

Bombardeamos partículas (fotones = rayos X) contra un

blanco (cuerpo humano) y de lo que observamos en el detector

(la radiografía) sacamos conclusiones acerca de lo que

hay dentro…

¿Por qué queremos acelerar partículas a altas energías?

(1) Equivalencia ó dualidad onda-corpúsculo

E = h c /

constante de Planck longitud de onda

Cuanta más energía más pequeña es la longitud de onda asociada a la partícula y podremos ver estructuras más pequeñas (el interior de los quarks tal vez ? )

L. de Broglie (1924)

¿Por qué queremos acelerar partículas a altas energías?

(2) Cuanta más energía más masa, más partículas y de mayor masa se forman en p.ej. una aniquilación e-e+ o en la colisión de dos núcleos pesados.

E = mc2

¿Por qué queremos acelerar partículas a altas energías?

(3) Cuanta más energía más densidad y temperatura, más cerca estaremos de reproducir las condiciones que se dieron en el origen del Universo (Big Bang).

Big Bang Colisión de iones pesados

Fuentes de partículas

Electrones: se calienta una lámina metálica, los electrones se liberan de los átomos y se extraen de la lámina mediante una corriente eléctrica.

Protones: se lanzan electrones contra átomos de hidrógeno. Los electrones arrancan el electrón del átomo y nos queda un protón que se extrae mediante campos eléctricos y magnéticos.

¿Cómo producir antimateria?

e-

e-e-

e+

e e+ -

Hilo de metal

Región de campo magnético

E > pocos MeV

mec2 = 0.5 MeV

Antipartículas: un haz de partículas energéticas golpean un blanco y se crean pares de partículas y antipartículas que posteriormente pueden ser separadas usando campo magnéticos.

Aceleración: Un campo eléctrico acelera las partículas cargadas

1 MeV = 106 eV 1 GeV = 109 eV

1 TeV = 1012 eV

+-

E

Unidad de energía en Física de Partículas:

1 eV = 1.6 10-19 Julios

B

BB

B

+

+

+

Un campo magnético desvía las partículas cargadas en movimiento

F v+

El radio de la trayectoria circular es mayor cuanto mayor sea la velocidad (energía) de la partícula y

menor cuanto mayor sea el campo magnético

Acelerador lineal: la TV

El voltaje en una TV es de 20 kiloVoltios = 20 mil Voltios.

La energía de un electrón es por tanto 20 keV.

En SLAC (EEUU) la energía de un e- es 20 GeV = 1 millón de veces mayor que la de una TV.

! Un acelerador de partículas en mi propia casa !

Aceleradores Lineales

SLAC (EEUU) 3.2 km !!

e+e- E=20 GeV

3.2 km

Largos y muy costosos: más energía cuanto mayor longitud.

Aceleradores circulares

Fuente de partículas

Diferencia de potencial (alterna)

El ciclotrón

Campo magnético constante dirigido “hacia arriba”

E. O. Lawrence (1927)

En cada vuelta la partícula adquiere energía. La energía máxima está limitada por el tamaño del ciclotrón.

Vacío

Aceleradores circulares

El sincrotrónSe aumenta progresivamente el campo magnético a medida que la energía de la partícula aumenta.

De esta forma se consigue que el radio de la trayectoria circular se mantenga constante y que de muchas vueltas acelerándose.

zona de aceleración

imán

Energía limitada por las pérdidas de energía por radiación sincrotrón

Aceleradores circulares

El sincrotrón

European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble (Francia)

Interior del Proton Synchrotron en el CERN Ginebra (Suiza)

Aceleradores circulares¿Cómo reducir las pérdidas de energía por radiación sincrotrón y alcanzar E mayores?

Aumentando el radio de curvatura !!

LEP en el CERN

(entre Suiza y Francia)

27 km de circunferencia !!

Colisionador e- e+ (hasta 200 GeV)

Energía limitada por las pérdidas de energía por radiación sincrotrón

LEP: Large Electron Positron colliderCERN: Centre Europeene pour la Recherche Nucleaire

Las colisiones e- e+ se producen en 4 puntos de cruce donde se colocan los detectores de partículas:

ALEPH

DELPHI

L3

OPAL

100 m

LEP (1989-2000)

Detectores de partículas cargadas

Principio básico:

Cuando una partícula cargada pasa por un medio arranca electrones de los átomos (ioniza el medio).

Objetivo:

Determinar la carga, el momento y la energía de la partícula

Detectores de partículas cargadas

Cámara de burbujas

Contiene un líquido a mucha presión y a punto de hervir.

Cuando una partícula lo atraviesa el líquido comienza a hervir a lo largo de la trayectoria seguida por la partícula (se forman burbujas de vapor).

Se hace una fotografía de las burbujas y del análisis de la trayectoria se pueden obtener la carga eléctrica y el momento lineal de la partícula.

Detectores multihilo

Georges Charpak (1968)

Detectores de partículas cargadas

El paso de una partícula cargada ioniza el medio: los electrones arrancados son atraídos por los hilos y los iones por las placas. La corriente eléctrica producida es proporcional a la energía perdida por la partícula en el medio. La trayectoria de la partícula se conoce a partir de la posición de los hilos con corriente eléctrica.

Detectores de partículas cargadas

Formados por “capas” de distintos tipos de detectores para identificar distintos tipos de partículas y medir su trayectoria y energía.

Cada tipo de partícula deja una “firma” distinta en las distintas “capas” del detector.

neutrino invisible

Delphi

Colaboración Delphi:

56 universidades

550 físicos de 22 países

Delphi: Detector with Lepton Photon and Hadron Identification

EJERCICIO: hoy a la tarde

ANÁLISIS DE TRAYECTORIAS DE PARTÍCULAS EN EL DETECTOR DELPHI

El futuro: LHCLarge Hadron Collider

Se comenzó a diseñar en 1984.

Se terminará de construir en 2007

Mismo túnel que LEP

Colisionador protón-protón hasta 14000 GeV

4 detectores:

ATLAS

CMS

LHC-B (Santiago)

ALICE (Santiago)

Ejemplo de una colisión en LHC

Sólo en ATLAS se recogerán datos como para llenar un CD cada 7 segundos !, es decir 12,000 CDs al día !!, 4 millones de CDs al año !!!.

Si ponemos todos los “CDs” de ATLAS y CMS uno encima de otro harían una torre que tendría unos 20 km de altura !!!!

44 m

22 m

http://hands-on-cern.physto.se/ani/acc_lhc_atlas/lhc_atlas.swf

Rayos Cósmicos

Observatorio Pierre Auger(Mendoza, Argentina)

Rayos Cósmicos: Las partículas de más energía jamás observadas, son 1000 veces más energéticas que los protones de LHC

En el Universo también hay aceleradores de partículas, pero todavía no sabemos muy bien como funcionan…

Fin de la 2a PARTE