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  • 1. Introducción ala física departículaspara profesores de instituto(no necesariamente de física)
  • 2. IntroducciónUna pregunta básica de la ciencia (peroprevia a la ciencia, seguramente) es¿de qué están hechas las cosas?La física de partículas (que otros llaman,ya veremos por qué, física de altasenergías) se dedica a buscar loscomponentes más fundamentales delUniverso y a investigar sucomportamiento.
  • 3. A qué se dedican los físicosde partículas Las distinciones no son siempre tan claras como podemos creer desde fuera (aunque hay teóricos muy teóricos, no pueden ignorar los experimentos (¿verdad?).Y desde luego, los experimentales más experimentalesnecesitan teoría…
  • 4. Imagina un tablero con un blanco oculto por una pantalla, como en la figura. Podríamos intentar deducir su forma, al menos en parte, lanzando bolitas contra él y viendo como salen. No será igual con un triángulo que con un círculo o un rectángulo…Pues, una vez que se han agotado las posibilidades de usarmicroscopios, eso es lo que hacen los físicos de partículas:Acelerar partículas (¡no con una rampa!), dirigirlas contra unblanco y ver lo que sucede a medida que se aumenta laenergía.
  • 5. A veces lo que pasa es que las partículas simplemente se desvían. Es el caso de los experimentos de Rutherford, Geiger y Marsden a principios del siglo XX, que no usaban partículas aceleradas, sino las partículas a que salían de ciertas El modo de desviarse las partículas llevó a Rutherford a pensar que había un minúsculo núcleo positivo y los electrones estaban en la periferia. Entre 1966 y 1978, Friedman, Kendall yTaylor repitieron el experimento lanzandoelectrones acelerados contra blancos dehidrógeno, deuterio y otras cosas,deduciendo así que dentro de los protonesy neutrones hay tres objetos “duros ypequeños”, los quarks, y aún más cosas… Fermilab
  • 6. Colisiones: el método experimental Cuando las colisiones tienen suficiente energía, empiezan a pasar cosas raras… Es como si al hacer chocar dos fresas, a partir de la energía de la colisión pudieran surgir paras, manzanas, bellotas, fresas… Frutas que NO estaban dentro de las fresas antes de chocar, que se han materializado a partir de la energía. E = mc2 en accióncortesía CERN / Rafael Carreras
  • 7. Eso ocurre cada día en losaceleradores de altas energías (hazclic sobre “PLAY” en la presentación)y continuamente cuando los rayoscósmicos chocan contra los átomosde la atmósfera terrestre… CERN Simon Swordy, University of Chicago/NASA CERN
  • 8. Y no son imaginaciones de los físicos; se ve en los detectores: CERN En esta imagen tomada en una cámara de burbujas, entra una partícula (un pión) por la izquierda, choca con un protón en reposo y como resultado aparecen 16 piones más… (también se ven colisiones elásticas, como si se tratara de billar)
  • 9. En el centro del detector Aleph del acelerador LEP (predecesor del LHC en elCERN) chocan un electrón y un positron. De la energía de la colisión salendos chorros de nuevas partículas... foto CERN
  • 10. ¿Por qué hacen falta altas energías? E = mc2 Para crear nuevas partículas desconocidas que puedan existir ya que para que se materialice una partícula de masa m, hace falta al menos la energía mc2 (Los detalles más adelante…) De forma similar al paso de la microscopía óptica a la electrónica, aquí más energía significa mayor resolución espacial.
  • 11. Estos son los resultados: Los ingredientes básicos del universo son una serie de partículas, aparentemente sin estructura hasta donde se ha podido estudiar, las partículas elementales, de las que no sólo está hecha toda la materia y la radiación, sino que son responsables de las interacciones (algo más que las fuerzas) entre las partículas “materiales” Por sus propiedades y comportamiento se pueden clasificar en tres grupos: los quarks y leptones (partículas materiales) yAdaptado de una imagen cortesía de Fermilab las que transmiten las interacciones.
  • 12. Estos son los resultados: Adaptado de un diagrama cortesía de
  • 13. En más detalle Adaptado de un diagrama cortesía de PDG / LBNL
  • 14. Notas:•Spin: Es, como la carga o la masa, una de las características que identifican alas partículas. Se trata de un momento angular intrínseco de la partícula. Si nosimaginamos las partículas como bolitas es fácil pensar que su spin describe cómogiran alrededor de sí mismas; el eje y la velocidad de rotación, pero no… El spinde una partícula es constante en módulo y su orientación sólo puede tomar unaserie discreta de valores (dos para s = ½), además ¿cómo iba a girar en torno a símisma una partícula puntual, sin tamaño?•Unidades de masa: Los físicos de partículas no usan los kg. Están tanacostumbrados a la conversión de energía en materia que dan como masa la quesale de la relación de Einstein: m = E/c2 (E es la energía en reposo, la mínimanecesaria para crear una partícula de masa m).Por ejemplo, si protón tiene una masa m =1,67·10–27 kg, E = 1,50·10–16 J, que enelectronvoltios es 0,938 ·1012 eV = 0,938 GeV. Por eso en la tabla saldría el valor m = 0,938 GeV/c2. Un átomo de hidrógeno tiene una masa similar, mientras paraun electrón m ≈ 0,000 511 GeV/c2 (como 1/2000 de un átomo de hidrógeno) ypara los quarks, aunque en este caso el concepto masa no es tan sencillo, mU ≈0,003 GeV/c2, m t ≈ 175 GeV/c2 (valor este muy parecido al de una molécula decafeína o un átomo de plomo). Un grano de arena de los más pequeños quepodemos ver tiene una masa del orden de 1017 GeV/c2 y un mosquito como 1020GeV/c2
  • 15. Notas (2):•Carga eléctrica: En unidades en las que la del electrón es –1.•Tres familias: La tabla de partículas elementales materiales (fermiones)tiene una estructura curiosa. Podríamos explicar todo lo que nos rodea sólo conla primera generación de partículas: el electrón, el neutrino electrónico y losquarks u y d. Pero además está la segunda generación, con el muón, su neutrinoy los quarks c y s y, finalmente, la tercera generación , con el tau y su neutrinomás los quarks t y b. Lo curioso es que la segunda y tercera generaciones son encierto sentido copias de la primera, siendo la masa la diferencia fundamental (nola única, por ejemplo, el muón es inestable y se desintegra al cabo de una mediade dos microsegundos, pero el electrón es estable). Las partículas de las 2ª y 3ªgeneraciones sólo se ven tras colisiones de alta energía, ya sea en aceleradores,ya en los rayos cósmicos…•Antipartículas: Para cada partícula existe una antipartícula que es igualque la correspondiente partícula (misma masa, igual spin…) salvo en la cargaeléctrica, que es opuesta (lo mismo sucede con otras cargas que existen, como lacarga de color que es la fuente de la interacción de color –fuerte– del mismomodo que la carga eléctrica es la fuente de la interacción electromagnética. Lasantipartículas son famosas sobre todo porque cuando se encuentran con suscorresponidentes partículas se pueden aniquilar, desaparaceciendo yconvirtiéndose su energía en bosones fundamentales (fotones, gluones o W)
  • 16. Adaptado de un diagrama cortesía del Particle Data Group / LBNL
  • 17. Y estas son las interacciones que hay entre las partículas Cada interacción tiene asociada una partícula o un grupo de partículas, las partículas mediadoras de esa interacciónAdaptado de un diagrama cortesía del Particle Data Group / LBNL
  • 18. Porque la interacción entre electrón dos partículas, dos electrones por ejemplo se fotón entiende como debida al intercambio de una tercera partícula, un fotón para la electrón interacción electromagnéticaPara fuerzas repulsivas,como la que hay entre dospartículas de la mismacarga, la analogía con dospatinadores que se lanzantartas o balones funciona. Allanzar la tarta retrocedes, lomismo que al recibirla…
  • 19. Pero, ¿y si la fuerza es atractiva?Por ejemplo, la atracción entre partículas con cargas designo opuesto también se explica mediante el intercambiode fotones. Ahí la analogía no es útil, por eso hay queusarla con precaución… Además, una interacción es más que una fuerza En el ejemplo de la figura, la emisión de un bosón W– transforma un quark d en uno u (y por tanto un protón en un neutrón); es la desintegración beta, ejemplo de la interacción débil
  • 20. Órdenesde magnitudy otrosdatosEl trabajo de la físicaes complicadoaunque sólo sea porlos más de cuarentaórdenes demagnitud que tieneque abarcar.Y eso es nada másel tamaño…
  • 21. Física de partículas y cosmologíaHay pistas (principalmente el fondo de radiación de microondas)que sugieren que todo el Universo proviene de un cóctel densoy caliente de partículas elementales. Este es el motivo por el quea veces se dice que en LHC se recreará el big bang (falso; comomucho reproducirá las condiciones de alta energía que sehabrían dado una fracción de segundo después, por ejemplo elplasma de quarks y gluones que se espera estudiar en eldetector ALICE del LHC).Consiguientemente, una serie de grandes preguntas sonrelevantes tanto para la física de altas energías como para lacosmología:•¿Qué es la materia oscura? ¿Y la energía oscura?•¿Por qué apenas hay antimateria en el Universo cuandopartículas y antipartículas se crean en pie de igualdad?•…
  • 22. Los instrumentos:aceleradores y detectores ATLAS CMS cortesía CERN
  • 23. El acelerador En un acelerador circular las partículas son desviadas y focalizadas por campos magnéticos y aceleradas por campos eléctricos oscilantes foto CERN Por cierto, ¿están bien colocados los imanes de herradura?
  • 24. Los detectores (I)cortesía CERN Muchos detectores funcionan con el mismo principio básico: El paso de una partícula cargada por un medio sensible da lugar a una señal (eléctrica o luminosa) que se recoge y se amplifica. Así pueden reconstruirse trayectorias (tracking) y calcular momentos lineales a partir de ellas si el detector incluye un campo magnético (puesto que la curvatura de la trayectoria de–pende del momento lineal, de la carga y del campo magnético.Otro tipo de aparatos, los calorímetros, emplean un principiosimilar para medir energías.
  • 25. Los detectores (II) tracker Solenoide calorímetros superconductor Detectores de muones foto CERN Sección transversal del detector CMS del LHC (CERN)Durante una presentación, al pasar el puntero por el nombre de unapartícula se ve una simulación de su paso por CMS. Para salir, pulsar escape
  • 26. Lo que nos hemos dejado•Selección de sucesos. Cuando el LHC funcione, en susdetectores tendrán lugar del orden de mil millones deinteracciones protón – protón cada segundo. Sería imposiblealmacenar y analizar la información de todas. ¿Cómo se eligen?¿cómo se tratan después?•Vale, tenemos detectores que producen datos trayectorias,momentos y energías. ¿cómo se extrae de ahí la física? ¿Cuándose dice que se ha descubierto una partícula y por qué…?
  • 27. Esta obra está bajo una licencia Reconocimiento-Compartir bajo la mismalicencia 3.0 España de Creative Commons. Para ver una copia de esta licencia,visite http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/es/Cuando edites esta presentación, agrega aquí tu nombre, por favor:Francisco Barradas Solas, 2 de noviembre de 2009 (All Souls’) Procedencia de las ilustraciones y fotografías: • Las ilustraciones y fotografías cortesía de los laboratorios (CERN, Fermilab, PDG/LBNL están sujetas a los términos de uso establecidos por ellos. • Los diagramas y dibujos no atribuidos son de Alberto Izquierdo y Francisco Barradas, proceden de su web “Viaje al corazón de la materia. Física de partículas en el Instituto” (http://palmera.pntic.mec.es/~fbarrada/) y están sujetos a la licencia Reconocimiento-Compartir bajo la misma licencia 3.0 España de Creative Commons