Transcript Presentación: Física Experimental de Altas Energías

Física Experimental
de Altas Energías
Bruno Zamorano García
Dpto. Física Teórica y del Cosmos
21 Marzo 2012
Parque de las Ciencias - Granada
Universidad de Granada
Experimento frente a teoría
Dos facetas íntimamente ligadas que nos permiten avanzar en el
conocimiento de los componentes últimos de la materia y sus interacciones.
La base de nuestro conocimiento se basa en el uso del Método Científico
(observación, hipótesis, experimentación).
La TEORÍA
 Aporta los modelos matemáticos que explican los resultados de las
observaciones experimentales
 Permite hacer hipótesis  ideas para nuevos experimentos
Los EXPERIMENTOS
 Comprueban la validez de los modelos
 Descartan modelos erróneos
Cosmología
.Física de Partículas
Astrofísica
Física Nuclear
Astronomía
Física del Estado Sólido
Geofísica
Química
Mecánica
.
> 40 órdenes de magnitud
Dicho de otro modo …
Si un nucleón tuviese un tamaño de 1 milímetro,
la cucharilla tendría una tamaño mayor que ¡¡¡mil veces
la distancia de la Tierra al Sol !!
Un protón es una parte infinitesimal de un átomo, que
es en sí mismo, por supuesto, una cosa minúscula.
Los protones son tan pequeños que una pizquita de
tinta, como el punto de esta «i», puede contener unos
500 000 millones de ellos.
Bill Bryson – “Una breve historia de casi todo”
Para estudiar una partícula elemental hay
que “verla”, “detectarla”
Se infiere su presencia a partir de su
interacción con la materia, de modo
indirecto
¿Cómo podemos detectar y medir propiedades de las
partículas elementales?
Ingredientes:
• Fuentes de partículas: Radiactividad natural, reactores
nucleares, rayos cósmicos y aceleradores de partículas
• Detectores de partículas: recogen información de las
partículas que los atraviesan. Son nuestros ‘microscopios’
para estudiar las escalas más pequeñas
Emulsiones fotográficas, cámaras de burbujas, cámaras de hilos,
calorímetros, cámaras de deriva, detectores de material
semiconductor, etc.
Fuentes de partículas: radiactividad natural
• Una gran cantidad de elementos presentes en la naturaleza emiten
partículas : transmutación nuclear, fisión …
• Algunas partículas se desintegran en otras
Emisión nuclear
Desintegración
Partícula 
Núcleo con
protones y
neutrones
Muon
Electrón y
neutrinos
Fuentes de partículas: rayos cósmicos
La radiación cósmica procede del espacio exterior. Usualmente son protones
y a veces núcleos de elementos. A nivel del mar nos llegan muones y algunos
fotones, electrones y positrones.
Aceleradores de partículas (I)
Son los instrumentos más precisos para el estudio de partículas, y se basan
en campos eléctricos y magnéticos.
Un ejemplo cotidiano: el tubo de rayos catódicos... ¡como el que se usaba en
las antiguas TVs!
Aceleradores de partículas (II)
Ciclotrón:
Acelerador en forma de dos D´s enfrentadas
con voltaje alternante entre ellas. Un campo
magnético perpendicular confina las partículas
a una trayectoria circular
Linac:
Acelerador lineal; acelera las partículas en tubos con voltaje alternante y de
longitud que se incrementa conforme la partícula gana velocidad
Se emplea para experimentos de ‘blanco fijo’
Aceleradores de partículas (III)
Sincrotrón:
Acelerador circular que combina la aceleración en secciones rectilíneas con
una órbita circular gracias a la acción de campos magnéticos
Desventaja :
Órbita circular implica pérdida de energía por
radiación ( partícula cargada acelerada )
Ventajas :
1)Partículas aceleradas durante muchos ciclos
2)Energía en colisiones es el doble
3)Múltiples colisiones por haz inyectado
LEP (19892000, CERN). Colisionador electrón-positrón entre 90 y 200 GeV
LHC (2009
, CERN). Colisionador protón-protón de 14 TeV
ALICE
ATLAS
SPS
CMS
LHCb
LHC
Aeropuerto de
Ginebra
Este túnel de 27 km se encuentra a unos 100 metros bajo tierra y contiene el tubo del acelerador LHC.
~7 km de túnel están situados en territorio suizo …
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Instrucciones para un acelerador de partículas
• Posiblemente la mayor creación
tecnológica de la historia de la Humanidad
• Más de 2000 físicos de 34 países y
cientos de universidades han participado
en su construcción
• ¡25 años!
Colisionadores de partículas : el anillo LHC
Energía: 7 TeV por haz (14.000.000.000 eV en centro de masas)
1011 protones por paquete (en un segundo dan aprox. 10 000 vueltas/s)
72 paquetes que producen una colisión cada 25 ns
Temperaturas criogénicas: 1.9 K (a ~2 grados del cero absoluto !)
a 40 km/h
La energía concentrada en un haz bastaria para lanzar un coche a ~2000
km/h !!!
En una toma de datos de 10 horas, los protones podrían ir y volver a
Neptuno (si no los hiciéramos chocar entre sí )
CERN: el laboratorio de Física de Partículas más
grande del mundo
http://www.cern.ch
CERN
2300 empleados
20 estados miembros + USA, Canadá, Japón, Rusia, China...
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Tevatron en Fermilab (Chicago)
CDF
p
Tevatron 1.96 TeV
D0
_
p
Inyector principal
Dipolo magnético
Cavidad radiofrecuencia
Aceleradores de partículas
λ=h/p
Para profundizar en las escalas más diminutas necesitamos
partículas con muy alta energía
Aceleradores
Microscopios
Binoculares
Telescopios ópticos y
radiotelescopios
La física de partículas observa la materia en sus dimensiones más
pequeñas.
Detectores de propósito
general
E=mc2
Múltiples detectores en anillo
Tracking
Interno
EM Cal.
HAD Cal.
Muones
externo
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Beneficios de la Física de partículas
Se trata de Ciencia básica: se realiza por el afán de conocer
• Los constituyentes elementales de la materia y sus
interacciones
• Las simetrías básicas de la Naturaleza
• El origen de nuestro Universo
Sin embargo, se obtienen múltiples beneficios
• Para otras ramas de la Ciencia: Simulaciones Montecarlo,
radiación sincrotrón, en Cosmología…
• En Medicina: Radioterapia, Tomografías PET y TAC…
• En política: organizaciones internacionales, colaboraciones…
• En la Industria: Superconductividad, alimentación eléctrica…
• En informática: La WWW y el futuro: el Grid
Todas las fases de LHC constituyen un reto
Acelerar las partículas a altísima
energía
Detectar las partículas secundarias
producidas tras la colisión
Almacenar y procesar la
información producida en los
experimentos
… y sobre todo…
Analizar los resultados y extraer
conclusiones
BACKUP
Si apiláramos CDs con los datos
que LHC produce en un año
alcanzaríamos la estratosfera (> 2
veces la altura del Everest)
Detectores de partículas : cámaras de trazas
Son sensibles al paso de partículas cargadas; obtenemos puntos espaciales que permiten la
reconstrucción de una traza :
Detectores microvértice:
Detectores de Si o Ga.
¡¡¡ Precisión del orden de micrones !!!
Cámara de hilos, proyección temporal:
Contiene una mezcla gaseosa que se ioniza con facilidad y una
serie de hilos que registran dicha ionización
Detectores de partículas : calorímetros
Calorímetro electromagnético :
Aprovecha las interacciones de fotones, electrones y positrones que generan cascadas
depositando toda su energía
Los hadrones sólo producen una cierta ionización  pequeña señal
Detectores de partículas : otros detectores
Centelleadores :
Material cuyos átomos son excitados por
partículas cargadas y en su desexcitación
emiten radiación luminosa
Tubos FotoMultiplicadores recogen dicha
emisión y generan pulso eléctrico
Son detectores muy rápidos y muy precisos en el aspecto temporal
Detectores de radiación Cerenkov :
Contienen gases o líquidos en los que la
velocidad de la luz es inferior a la de las
partículas que lo atraviesan
Emisión emitida en un cono
Detectores de partículas : cámaras de trazas
Cámara de deriva :
La base es la misma que la de la cámara de hilos, pero el volumen de deriva es todo el
volumen del detector. Medimos también tiempos de deriva de la ionización para
obtener más información.
Detectores de material semiconductor :
Detectores de Si o Ga.
Precisión del orden de micrones !!!
Presentan multibandas espaciadas en
decenas de micras que son sensibles
a los pares electrón-hueco creados por
el paso de partículas cargadas en la red
cristalina del semiconductor
¿Cómo podemos detectar las partículas ?
Hemos de conocer de qué forma interactúan con la materia
PARTICULAS CARGADAS
Toda partícula cargada eléctricamente interacciona con los electrones de los átomos
 intercambio de energía. Esto puede suponer :
- Excitación de los átomos generando emisión de fotones
- Ionización del medio creando iones y electrones libres
¿Cómo podemos detectar las partículas ?
ELECTRONES Y POSITRONES:
* Sufren radiación de frenado ( baja masa ) durante la interacción con el
medio produciendo fotones
* Los positrones ( antimateria ) se aniquilan con los electrones del medio
generando pares de fotones
¿Cómo podemos detectar las partículas ?
FOTONES
Son cuantos de energía electromagnética ( luz, ondas de radio, televisión, UV, IR,
rayos X, … )
Estos son los procesos que sufren :
Efecto fotoeléctrico
El fotón extrae un electrón atómico
Efecto Compton
El fotón cede parte de su energía a un
electrón atómico
Creación de pares e+ eEl fotón da lugar a un electrón y un positrón
¿Cómo podemos detectar las partículas ?
HADRONES
Protones, neutrones, piones, … ( partículas con quarks )
Interaccionan fuertemente con nucleones produciéndose múltiples procesos
incluyendo la generación de cascadas de partículas a altas energías