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Partículas elementales.
Procesos de creación y
aniquilación. El modelo
estándar y más allá
Una introducción a la Física de las Partículas
Elementales y a los métodos para la producción y
detección de las mismas.
Una aproximación al origen del Universo
A. Ruiz Jimeno, IFCA
Segundas clases magistrales Éuropeas de Física de
Partículas. EPPOG- 2006
1
Física de Partículas
Astrofísica & Cosmología
Astrofísica de Partículas
2
Los primeros conceptos
Filosofía Aristotélica
Dalton (1808)
3
La Tabla Periódica
Mendeleev (1869)
4
Un poco de historia…

Hace un siglo más o menos:
– Se conocen la fuerza gravitatoria y el campo electromagnético
– Se descubre la radioactividad: radiación a
bg
– Aparece la teoría cuántica:



Dualidad onda-corpúsculo
Fotón como partícula
Relación de incertidumbre
– Relatividad:


Cinemática relativista
equivalencia masa-energía E=mc2
– Teoría del átomo con sus componentes elementales:

electrón, protón, neutrón
¿¿¿Para qué necesitamos más partículas???
.
5
El modelo de átomo de
Thomson
6
La estructura de los átomos
Rutherford (1912)
-10
10 m
Electrones orbitando
en torno al núcleo, en
Órbitas bien definidas en
Radio y energía
7
El átomo de Bohr (1913)
8
El principio de incertidumbre
“A mayor precisión en la determinación de la
posición, menor precisión en el conocimiento del
momento en ese instante y viceversa.”
--Heisenberg, artículo sobre incertidumbre, 1927
9
Solvay 1927
10
La estructura de los núcleos
10
-14
m
Contiene protones de
carga +e y neutrones
sin carga
11
La estructura de los
nucleones
-15
10 m
Neutrones y
protones
contienen quarks
12
Estructura de los quarks?
?
No hay evidencia
<10
-18
m
13
14
Evidencia de subestructura
(Rutherford 1912)
1970 - subestructura de protones y neutrones
descubierta usando electrones como
proyectiles
15
16
¿De qué está hecha la materia que nos
rodea?
Tabla Periodica
de los Elementos



Esta formada por los diferentes tipos de
átomo que conocemos (tabla periódica),
formando parte de diversas estructuras
(moléculas, cristales…)
Cada átomo tiene un núcleo, rodeado de
una nube de electrones, y formado por
neutrones y protones, que son mucho más
pesados (unas 2000 veces mas que los
electrones).
La gran variedad de materiales que
conocemos es combinación de estas tres
partículas: electrón, protón y neutrón
17
Constituyentes de la materia
ordinaria
carga
quarks
2
+ e
3
1
- e
3
electron
u
d
-e
e
Protones contienen uud – carga = +e
Neutrones contienen udd - carga = 0
18
Neutrinos

Pauli propone una nueva partícula para poder
explicar algunos procesos radiactivos.
 Esta partícula, sin carga eléctrica y mucho
más ligera que el electrón (quizás sin masa),
es el neutrino.
 Tiene un papel esencial en las reacciones de
transformación entre neutrones y protones
neutrino
19
IMFP03
Feb. 25
’03
Neutrinos solares
6.65 x
10
10
2
/cm /sec
Neutrinos salen a la velocidad de la luz!
Dave
Wark
20
University of Sussex/R
IMFP03
Feb. 25
’03
Neutrinos atmosféricos
Dave
Wark
21
University of Sussex/R
Simetría entre quarks y
leptones
El neutrino del electrón, ‘inventado’ por Pauli
(1928), nominado por Fermi (1933)
Descubierto por Reines & Cowan (1956)
quarks
2e
+
3
1
- e
3
leptons
u
0
n
d
-e
e
22
Rayos cósmicos
Victor Hess
1911-1915
Nobel 1936
23
La radiación cósmica,
muones,piones,...

Los estudios en la primera mitad del
siglo XX encontraron nuevas partículas
en la radiación recogida en las cimas de
las montañas y en globos enviados a la
atmósfera en cascadas de partículas
creadas por la colisión de protones del
espacio con átomos de la atmósfera.

Los muones son partículas idénticas a
los electrones, excepto por su masa que
es unas 200 veces mayor! Además no
son partículas estables, sino que se
desintegran con una vida media de tan
sólo 2.2 microsegundos,
transformándose en un electrón y dos
neutrinos.
Además se encontraron otras partículas
como los piones y otras denominadas
extrañas
24
Partículas extrañas
En 1947 Rochester and Butler descubrieron
nuevas partículas que contenían un nuevo quark
En los 1960s se pueden clasificar las partículas
compuestas a partir de 3 quarks o un quark y un
antiquark (recuerda Mendeleev)
25
Las partículas fundamentales
(1964)
n
u
d
s
quarks
e
m
leptones
26
El zoo sigue creciendo
u
d
ne
nm
1995
1956
1963
s
b
e
m
t
1947
1978
1895
1936
1973
c
t
1976
Seis quarks
nt
Seis leptones
27
Tres neutrinos ...
Número de neutrinos diferentes
= 2.984 ± 0.008
u
c
t
ne
nm
nt
d
s
b
e
m
t
s mide la probabilidad de que
haya colisiones e+e28
Composición de la materia

Las partículas fundamentales:
LEPTONES LEPTONES
CARGADOS NEUTROS
:
electrón
muón,tau
(neutrinos):
aparecen en
desintegraciones
radiactivas
QUARKS:
protones y neutrones
(núcleos de átomos)
u,d,s,c,b,top
29
Antimateria

En 1928, Paul Dirac propone una ecuación de onda para
el electrón que combina la teoría cuántica y la
relatividad
 La ecuación de Dirac muestra dos soluciones: una para
un electrón con energía positiva, la otra para un
electrón con energía negativa .
 Dirac interpretó esta segunda solución indicando que
para cada partícula existe una antipartícula
correspondiente, copia idéntica pero con propiedades
opuestas.
 En el caso del electrón, el antielectrón, o positrón,
tendría la misma masa y carga positiva…
30
Predicción de antimateria
Paul Dirac predijo la existencia
del positrón en 1928
La ecuación de Dirac implica:
masa del positrón = masa del
electrón
Carga del positrón = +e
31
Descubrimiento de la
antimateria
Anderson (1932) descubrió el positrón predicho por Dirac
32
Positron, 1932
C.D. Anderson
Antiproton, 1955
O. Chamberlain,
E. Segrè et al
Antideuteron, 1965
L. Lederman, S. Ting et al
Anti-atoms, 2002
ATHENA, ATRAP @ CERN
33
Qué es la antimateria?
e+
e-
E=
Electrones y positrones
se aniquilan para
producir rayos-g
(energía)
2
mc
34
Producción de pares
e+eEl proceso inverso también
ocurre, con rayos-g
convertidos en pares
electrón-positrón
35
Cómo producir antimateria
e+
g
e-
e-
Hilo de metal
Región de campo magnético
e+ e-
e-
Eg > pocos MeV pues
me c2 = 0.5 MeV
36
Búsqueda de antimateria en el
CERN
Antihydrogeno
hydrogeno
(antiproton + positron)
(Proton + electron)
?
=
Son idénticos los niveles de energía ?
Dos experimentos en el cern: ATHENA y ATRAP
..\Animaciones\mystantm.ram
37
Buscando antimateria
en el espacio
38

Fuerzas entre partículas
elementales
Idea clave: las partículas materiales (fermiones) interaccionan intercambiando
partículas mediadoras (bosones).
– como dos personas que se lanzan un balón
 se repelen por intercambio de una partícula
FUERTE:
ELECTRODEBIL:
ligadura de los
núcleos
energía nuclear
gluones
electricidad,magnetismo
combustión estrellas
fotón, bosones W,Z
GRAVITATORIA:
gravedad terrestre,
galaxias
Gravitón(?)
39
Jerarquía de las
estructuras R ~ 10
-15
m (fuerte)
Mediador: gluones
R ~ 10-17 m (débil)
Mediador: W+,W-,Z
R ~ 10-10 m (electromagnetic)
Mediador: fotón
R > 106 m (gravitational)
Mediador: gravitón??
40
41
Cómo obtienen las partículas su « INERCIA »?
El mecanismo de ‘Higgs’
Ideado por Brout, Englert y Higgs,
en 1964, para dotar de masa a las
partículas, lo cual no era posible en
la teoría existente
Introducen una nueva partícula, que
puebla todo el Universo y cuya
energía en el estado fundamental es
distinta de cero. Las partículas
obtienen su masa por interacción
con el mismo
42
Cómo obtienen las partículas su « INERCIA »?
El campo de ‘Higgs’
El modelo “CELEBRIDAD EN UNA FIESTA” (quarks o leptones)
EL MODELO “RUMOR” (PARTÏCULA DE Higgs )
La masa de las
partículas
determinada por
la fuerza de
interacción con
el campo de higgs
43
DELPHI “Higgs”
El Higgs se acopla
proporcionalmente a la
masa. Por ello, su
producción y desintegración
será más probable cuanto
mayor sea la masa de las
partículas a las que se acopla
en ambos procesos, siempre
que lo permita la ley de
conservación de la energía.
En LEP se buscó la
producción de un Z y un H,
dando, el H, dos quarks b.
44
Modelo Estandar de
Particulas
45
46
Los Grandes Aceleradores y
Detectores de Partículas
Una introducción a la Física de las Partículas
Elementales y a los métodos para la producción y
detección de las mismas.
Una aproximación al origen del Universo
Segundas clases magistrales Éuropeas de Física de
Partículas. EPPOG, 2006
(Alberto Ruiz Jimeno, IFCA)
47
Las herramientas
Por qué necesitamos altas energías?
Para estudiar los objetos, se bombardean con partículas o con ondas
electromagnéticas:
Onda
visible
La resolución está limitada por el fenómeno de la difracción
Anillos de difracción
Optica perfecta
48
Las herramientas
Por qué necesitamos altas energías?
Criterio de Rayleigh:
résolution spatiale  1, 22 λ/D
D: apertura
λr
l = longitud de onda
luz visible :l  0.5 mm
Tamaño del grano en el microscopio óptico
49
Las herramientas
Por qué necesitamos altas energías?
Mecánica cuántica :
pequeñas dimensiones
equivalencia onda-corpúsculo
E = hc / l

constante de Planck

longitud de onda
Microscopio electrónico:
Moléculas coloidales
Estructura cristalina
50
Las herramientas
Por qué necesitamos altas energías?
Para analizar la estructura de los nucleones:
l < 10-16 m
Energías aún mayores!
desde los Gev (1960) à los Tev ( 21ème siglo)
51
Aceleradores de partículas

Los aceleradores de partículas están basados en
el movimiento de las partículas cargadas en
campos eléctricos y magnéticos:
–
–
–
–
Una fuente de partículas
Campos eléctricos de aceleración
Imanes (dipolos, cuadrupolos, etc) para guiarlas
Un punto de colisión:


Contra un blanco fijo
Entre dos haces de partículas
– Un detector para observar el resultado de la
colisión

Los dos tipos básicos de aceleradores son:
– Lineales (linacs)
– Circulares (ciclotrones y sincrotrones)

En los colisionadores se hacen chocar dos haces
de partículas de frente, para obtener la máxima
energía de colisión posible
52
Aceleradores de partículas
– Una fuente de partículas: átomos ionizados por una descarga
eléctrica
H2
HT  
+
-
 
 
   
 
 
   
    
+


 
Hidrógeno gaseoso
  

Hacia las cavidades
aceleradoras
– Campos eléctricos de aceleración
53
COMO FUNCIONA UN ACELERADOR?
54
Aceleradores de partículas
Los imanes de curvatura:
Imán dipolar
para curvar la
trayectoria en
aceleradores
circulares
cuadrupolos y
sextupolos para
enfocar el haz
55
56
Aceleradores de partículas
Lineales:
No se pierde energía por radiación sincrotrón
Largo y muy costoso
ilimitada energía!
Circulares:
57
E. O.
Lawrence
E.O. Lawrence
(1929)
Nobel 1939
58
59
Grandes Aceleradores

Las partículas aceleradas
radian energía!
 Solución para
incrementar la energía
de colisión:
– Incrementar la curvatura
– Utilizar mas cavidades de
aceleración
– Etapas de pre-aceleración
Complejo de aceleradores del
CERN (Ginebra, SUIZA)
60
61
CERN
FERMILAB
62
Detectores de partículas
63
Detectores de partículas

Las partículas elementales son extremadamente pequeñas… como se
pueden estudiar?
– Un reactor que vuela muy alto, no es visible, pero su traza en el cielo bajo ciertas
condiciones, si lo es…



Los primeros detectores de partículas eran simplemente placas
fotográficas en las que la partícula deja su traza al ionizar los átomos de la
emulsión, y se puede estudiar mediante un microscopio
En las cámaras de niebla, llenas de vapor, se empleaba un principio
similar: se fotografiaba la traza de condensación creada por la partícula.
Para medir su momento y su carga se puede emplear un campo
magnético: las partículas curvan su trayectoria en él.
64
Detectores de
Partículas
1.
Las partículas al cruzar el
detector chocan con los
átomos y liberan electrones
1.
Ios electrones son atraídos por
un hilo
1.
la señal eléctrica se amplifica
y se envía a un ordenador
1.
la trayectoria es reconstruida
por el ordenador
65
66
El experimento

DELPHI (LEP,CERN)
El acelerador LEP realizaba
colisiones electrón positrón ( hasta
209 GeV)
67
68
ALEPH
J. Steinberger
Nobel 1988
69
Tipos de sucesos en LEP
..\..\ani\ev_types\wi_evtyp.html
..\..\images\sucesostipo.eps
y en LHC
..\..\ani\det_cms\cms_slice.swf
..\..\ani\acc_lhc\lhc_atlas.swf
70
Evolución del15 billion years
Universo
Vida en la
Tierra
1 billion years
El Universo
comenzó con
1 million years
un “Big Bang”
hace
300,000 years
13,7 mil millones
de años
3 minutes
estrellas
galaxias
Formación
Fonde cósmico
,
de microondas formación de de
átomos
Elementos
Helio
nucleos
se forman
1 second
pesados
En l as
estrellas
neutrones
y protones
”sopa”
de
quarks
10-10s
se forman
?
dominio
materia
1015deg
1010deg
109deg
6000o
4000o
-255o
71
-270o
BIG Bang - eras
380,000 yrs
10-10 ... 1 sec
10-32 sec
atomOs
particulas
“big bang”
~10-34 sec:
inflaccion
< 10-43 sec:
ERA Planck
72
Big Bang -Exitos

Expansión cósmica (Redshift)

Edad de los objetos cósmicos



Relación universal H:He ~ 3:1



Menor de~ 12-13 billion yr
Sol ~ 4.7 billion yr
Instantánea a t ~ 3 min
Ligadura fuerte sobre la densidad de materia
Fondo cósmico de microondas (CMB)

Instantánea del Universo a t ~ 380,000 yrs
73
Big Bang - Misterios

Qué causó la inflación?


Cómo se produjo la primera rotura de simetría?



La energía del vacío?
Jerarquía de las interacciones?
Masa de las partículas?
Dónde se ha ido la antimateria?
74
Radiación cósmica de fondo
Nuestro universo está lleno de fotones
formados cuando el universo tenía
aproximadamente 380,000 yrs. Su distribución
 de energía e inhomogeneidad nos da
información acerca de la edad y composición
del universo.
Microwave
Anisotropy
Probe
Courtesy: NASA/WMAP
75
Radiación cósmica de fondo
Las estrellas y los planetas solo dan cuenta
de un pequeño porcentaje de la materia del
universo!
76
Evidencia de energía oscura
Evidencia No. 1 –Radiación cósmica de fondo
Evidencia No. 2 – historia de la expansión del
universo
Estudio a gran
escala de viejas
supernovas
La velocidad de
expansión aumenta!
Debido a la energía
oscura
77
Evidencia de “materia oscura”
Lentes
gravitacionales
(más fuerte de lo
esperado para la
masa visible )
78
MAS evidencia de “materia
oscura”
Curvas de rotación
galácticas
(velocidad de las
estrellas en la periferia
es demasiado alta)
79
Misterio de la materia oscura
La materia bariónica es solo ~ 4 % del Universo
(0.5 % estrellas, 3.5 % gas interestelar)
Neutrinos ??
Masa demasiado baja.
Partículas superpesadas (reliquias del big bang)
?
80
Once cuestiones
fundamentales
1. Qué es la materia oscura?
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Qué masas tienen los neutrinos?
Existencia de Nuevas Dimensiones Espacio-Temporales
Origen de la energía oscura
Son inestables los protones?
Cómo comenzó el Universo?
Teoría cuántica de la gravedad?
Cómo funcionan los aceleradores cósmicos?
Hay nuevos estados de materia a altas densidades y
temperatura?
10. Teoría unificada?
11. Formación de los elementos pesados
81
CONCLUSION

Cuánto más avanzamos en el conocimiento
de la materia, más preguntas nos vienen a la
mente, más respuestas necesitamos para
interpretar a la Naturaleza.

El campo de investigación es
INAGOTABLE.
82