Más información en: http://www.universidadpopularc3c.es/index.php/actividades/conferencias/event/1747 Ponente: Dr. Benjamín Montesinos, Investigador Científico Depto. Astrofísica del Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA) Tema: Conferencia sobre el Mecanismo y el Bosón de Higgs. Fecha: 1 de abril de 2014 Lugar: Universidad Popular Carmen de Michelena de Tres Cantos.

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)

3. 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.

4. 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
+ -

5. Construyendo la materia

6. Estructura y escala del átomo

7. 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.

8. 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
_
___

9. 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

10. Materia
Quarks Leptones
Mesones Bariones
Hadrones
Núcleos
Átomos
Moléculas

11. 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!!!

12. 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

13. 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

14. ¿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?

15. 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

16. 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

17. 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...

18. 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 - )

19. Una propiedad (cuántica) de las partículas: el spin
Experimento de Stern-Gerlach

20. 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...

21. 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

22. © Nature

23. 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

24. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire

27. ATLAS

28. CMS

29. Distintas capas de detección de CMS

31. 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...)

32. ¿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.

33. 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

35. 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.

36. 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...

37. 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?