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Se ha elaborado una teoría, denominada Modelo Estándar que explica por qué el
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Hadrones
Como animales sociales que son, los quarks solo existen en grupos con otros quarks
y nunca se encuentran en solit...
El otro tipo de partículas, no compuestas por quarks, se llaman
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¿CÓMO SE DETECTÓ EL BOSÓN DE HIGGS?
Primero ocurre la colisión...
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Imaginemos que tenemos 2 teorías que predicen los resultados:
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Es parecido a tomar una foto al cielo:
Si el tiempo de exposición es pequeño, o solo
tomas una foto, no verás demasiado......
Hay muchas otras maneras de “ver” el bosón de Higgs
Hay grupos investigando esta... Otros grupos investigan esta...
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Y siempre queda el camino abierto a un montón de cosas nuevas...
Puede haber extraños
“elefantes rosas” esperando
salir de...
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Conferencia del Dr. Benjamín Montesinos, Investigador Científico Depto. Astrofísica del Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA) sobre el Mecanismo y el Bosón de Higgs.
Conferencia celebrada el 1 de abril de 2014 en la Universidad Popular Carmen de Michelena de Tres Cantos.
Más información en:
http://www.universidadpopularc3c.es/index.php/actividades/conferencias/details/1747

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El Mecanismo y el Bosón de Higgs

  1. 1. El BOSEl BOSEl BOSEl BOSÓÓÓÓN DE HIGGSN DE HIGGSN DE HIGGSN DE HIGGSMECANISMO MECANISMO MECANISMO MECANISMO Benjamín Montesinos, Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA)
  2. 2. El Large Hadron Collider (LHC), del que hablaremos, puede hacer colisionar protones a energías del orden de ~7 TeV. En el mundo atómico: una nueva unidad eV (electronvoltio, símbolo eV): es una unidad de energía equivalente a la energía cinética que adquiere un electrón al atravesar una diferencia de potencial en el vacío de 1 voltio. 1 GeV = 10 9 eV 1 TeV= 1000 GeV = 10 12 eV Esto no parece muy útil... pero como E=mc 2 , en la física de las partículas elementales es conveniente expresar la masa en unidades de energía 1 eV/c 2 = 1.8 10 -36 kg Por ejemplo, decimos que la “masa” (su equivalente en energía) de un electrón es 511 keV. Esto es conveniente porque cuando se habla de la aniquilación de una partícula o de su creación, la conversión masa/energía es inmediata.
  3. 3. Los átomos… Electrón: descubierto por Joseph J. Thomson en 1897. Protón: descubierto por Ernest Rutherford en 1918. Neutrón: descubierto por James Chadwick en 1932. …¿es esto todo?, ¿son los protones, neutrones y electrones los constituyentes fundamentales de la materia?... Protón ElectrónNeutrón 1.672 x 10-27 kg 0.9383 GeV 1.675 x 10-27 kg 0.9396 GeV 9.109 x 10-31 kg 0.000511 GeV + -
  4. 4. Construyendo la materia
  5. 5. Estructura y escala del átomo
  6. 6. El Modelo estándar Se ha elaborado una teoría, denominada Modelo Estándar que explica por qué el mundo es como es y qué es lo que lo mantiene junto. Es una teoría simple que explica los cientos de partículas que se han descubierto y sus interacciones complejas con solo: 6 quarks 6 leptones (el electrón es el más conocido) Partículas que median en las interacciones (como el fotón). Toda la materia conocida está compuesta de quarks y leptones, que interaccionan a través de las correspodientes partículas de intercambio. El Modelo estándar es una buena teoría, pero no lo explica todo: la gravedad no está incluida en él.
  7. 7. Hadrones Como animales sociales que son, los quarks solo existen en grupos con otros quarks y nunca se encuentran en solitario. Las partículas compuestas de quarks se llaman Los quarks se combinan de modo que los hadrones tienen carga eléctrica entera. Hay dos clases de hadrones: Bariones Los bariones están hechos de tres quarks (qqq). Protones: up-up-down Neutrones: up-down-down Mesones Los mesones están hechos de un quark y un antiquark (qq): Pion π+ : up-down _ ___
  8. 8. El otro tipo de partículas, no compuestas por quarks, se llaman Leptones Hay tres leptones cargados: electrón, tau y muón (estos dos con más masa), y tres tipos de neutrinos, sin carga, con una masa muy pequeña y muy difíciles de detectar. Mientras que los quarks son sociables y conviven en partículas compuestas con otros quarks, los leptones son solitarias... Pensad en los leptones cargados como felinos independientes con sus neutrinos (pulgas) asociadas. Por cada leptón hay un antileptón. electrón muón tau neutrinos e µµµµ ττττ
  9. 9. Materia Quarks Leptones Mesones Bariones Hadrones Núcleos Átomos Moléculas
  10. 10. El concepto de masa La masa es “inercia” La masa es energía (E=mc2) Veamos un protón: mup = 0.002 GeV mdown = 0.005 GeV mup + mup + mdown = 0.009 GeV ¡¡¡Sólo 1% de la masa del protón!!!
  11. 11. El BosEl BosEl BosEl Bosóóóón de Higgs n de Higgs n de Higgs n de Higgs © Daniel Whiteson, CERN (ideas) Jorge Cham (dibujos) http://www.phdcomics.com/comics.php?f=1489 http://vimeo.com/41038445
  12. 12. Para fabricar materia ordinaria solo necesitamos estas tres partículas Con los quarks up y down fabricamos... Con electrones, protones y neutrones fabricamos átomos ¡Pero hemos descubierto 12 partículas! ¿POR QUË EXISTEN? ¿CUÁNTAS HAY? ¿100, 12 1.000.000? Estamos mirando a la punta del iceberg y preguntándonos... protones neutrones
  13. 13. ¿Hay algo “debajo de la superficie”?... ...¿o no hay más de lo que vemos? ¿Qué significaría eso en cualquiera de los dos casos? ¿QUÉ NOS DICEN LOS DATOS?
  14. 14. Los físicos buscamos PATRONES de comportamiento... Veamos la Tabla Periódica... Tomamos todos los elementos y los organizamos por sus características... Se organizan en grupos Estos se comportan de una forma... Estos de otra... ¿POR QUÉ? Porque existe una ESTRUCTURA fundamental ...la organización de los electrones en los orbitales
  15. 15. De forma similar, tenemos una... PATRONES que sugieren alguna clase de estructura subyacente que no entendemos. También tiene características interesantes... ¿Hay más partículas?.... ¿Cuál es el origen de esos patrones?... Intentamos descubrir esas claves mirando qué otras clases de partículas existen?... ¿QUÉ HAY MÁS ALLÁ?... TABLA PERIÓDICA DE LAS PARTÍCULAS FUNDAMENTALES
  16. 16. Por suerte, tenemos un “colisionador” el Large Hadron Collider (LHC) La magia de este aparato es que podemos fabricar materia que no tenemos alrededor. Tomamos dos clases de partículas y las aniquilamos... Lo que sale no es un re-arreglo de lo que entró. Es una especie de “magia cuántica” en la que las partículas desaparecen creándose otras. Puedes creas cualquier partícula... si tienes energía para ello. Es como pedir un menú: “¿qué me puede dar por 500 GeV?” Puedes fabricar aquello que “cuesta” esa energía o menos. Por eso queremos que la energía sea la mayor posible. Cada vez que alcanzamos una energía dada, podemos explorar un régimen totalmente nuevo...
  17. 17. Una de las partículas predichas por la teoría es... El BosEl BosEl BosEl Bosóóóónnnn de Higgs de Higgs de Higgs de Higgs El Higgs es responsable de dotar de masa a las partículas ¡Serás gordito! Cuando uno piensa que las cosas tienen “masa” parece como si estuvieran “rellenas” de algo... No hay ningún “relleno” Las partículas tienen masa, pero no volumen La masa es una característica de las partículas, como la carga Algunas tienen masa, otras no... Es una clase de carga diferente Dos cuerpos con carga eléctrica se atraen CARGA GRAVITATORIA ¿QUÉ ES LA MASA? No existe masa negativa o gravedad repulsiva La gravedad es diferente a otras fuerzas Peter Higgs (1929 - ) Robert Brout (1928 - 2011) François Englert (1932 - )
  18. 18. Una propiedad (cuántica) de las partículas: el spin Experimento de Stern-Gerlach
  19. 19. Una propiedad (cuántica) de las partículas: el spin El spin (espín) es una propiedad cuántica de las partículas que se asimila intuitivamente a un movimiento de rotación, aunque en realidad es algo mucho más complejo.... Todas las partículas elementales son fermiones o bosones En el modelo estándar hay cuatro bosones cuya existencia se había comprobado experimentalmente: el fotón, el gluón, los bosones W y Z... y el bosón de Higgs...
  20. 20. La teoría de Higgs se funda en esto: Imaginemos un “campo” que permea todo el Universo. Cada partícula “siente” este campo, pero de una forma distinta. Algunas partículas son “frenadas” por este campo... ...masa grande. Otras partículas casi no lo sienten... ...masa pequeña.La pregunta de “por qué las partículas tienen masa se reformula así: ¿POR QUÉ LAS PARTÍCULAS SIENTEN EL CAMPO DE HIGGS DE FORMA DIFERENTE? El bosón de Higgs es la manifestación de ese campo
  21. 21. © Nature
  22. 22. Hay muchas reacciones que pueden dar lugar a un Higgs, por ejemplo... ...fundiendo dos gluones tenemos un Higgs ...y el Higgs decae en dos quarks “bottom” El problema es que hay muchas otras maneras de fabricar dos quarks bottom... ...es una de las cosas más comunes que uno puede fabricar... El punto importante es que no podemos “mirar” dentro de estas reacciones... ...todo lo que podemos ver son los productos en los que decaen... ...pero lo que queremos saber es... ¿EXISTE EL HIGGS? Tiempo de vida:1.56 10-22 s
  23. 23. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire
  24. 24. ATLAS
  25. 25. CMS
  26. 26. Distintas capas de detección de CMS
  27. 27. Se hacen chocar haces de protones a energías ~7000 GeV (7 TeV) Como la masa del protón es ~1 GeV, la energía cinética es algo más de 7000 veces la energía contenida en su propia masa. Los protones viajan en pequeños manojos alargados, de unos 7.5 cm, y contienen unos 100.000 protones cada uno. Hay unos 3000 haces de protones viajando por el anillo en cada sentido. Los haces dan unas 11.000 vueltas por segundo al anillo. Chocan 40.000.000 de veces por segundo. En cada encuentro de haces se producen unas 20 colisiones individuales de protones, de modo que en total tenemos casi 1000 millones de colisiones protón-protón por segundo en cada detector... ¡cada una de las cuales hay que almacenar y analizar! Números (mareantes...)
  28. 28. ¿CÓMO SE DETECTÓ EL BOSÓN DE HIGGS? Primero ocurre la colisión... Dura 0.00000000000000000000001 segundos... ...y obtienes una medida de los productos de la reacción Medimos la energía total... ENERGÍA TOTAL de la reacción COLISIONES ...contamos cuántas colisiones suceden por cada nivel de energía y construimos nuestro conjunto de datos.
  29. 29. Imaginemos que tenemos 2 teorías que predicen los resultados: NO HIGGS SI HIGGS Problema: la diferencia entre ambas es MUUUUY pequeña Es MUUUUUY difícil distinguir entre los 2 con nuestros datos Necesitamos una CANTIDAD ENORME de datos Por eso el colisionador hace esto 40.000.000 de veces por segundo, todo el año... ABIERTO 24 HORAS
  30. 30. Es parecido a tomar una foto al cielo: Si el tiempo de exposición es pequeño, o solo tomas una foto, no verás demasiado... Pero si el tiempo de exposición es más largo, o tomas muchas fotos y las sumas... ...verás muchas más cosas y la imagen será cada vez más nítida.
  31. 31. Hay muchas otras maneras de “ver” el bosón de Higgs Hay grupos investigando esta... Otros grupos investigan esta... Miles de personas buscan en cada pequeño resquicio y la idea es mirar en todas direcciones al mismo tiempo Pequeñas evidencias aquí y allí se han combinado y han dado lugar a algo CONVINCENTE...
  32. 32. Y siempre queda el camino abierto a un montón de cosas nuevas... Puede haber extraños “elefantes rosas” esperando salir del sombrero... Cada vez que abrimos el email o que alguien diseña un plan de ataque... ...puede ser el momento en que oigas a alguien decir... ¡OHHH, VEMOS ALGO! ¿QUÉ HAY EN LOS DATOS? ¿QUÉ HAY EN LOS DATOS?

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