PROYECTO “BOSÓN DE HIGGS”

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1 PROYECTO “BOSÓN DE HIGGS”
Universidad de San Carlos de Guatemala EFPEM Jornada Sabatina Carrera: Profesorado Física-Matemática Catedrático : Lic. Raúl Hernández Curso: Química II Fecha: 01 de septiembre de 2012 PROYECTO “BOSÓN DE HIGGS” Willian Ediberto Chali Chali Carnet:

2 CONTENIDO Primera Parte Segunda Parte Supersimetría.
LA AVENTURA DE LAS PARTÍCULAS Gravedad, electromagnetísmo, interacción fuerte y débil CLASIFICACIÓN DE LAS PARTÍCULAS - Fermiones y Bosones MÁS ALLÁ DEL MODELO STANDARD Las masas. Supersimetría. Partículas fundamentales y sus interacciones Materia Oscuara - El Átomo y El Núcleo MODELO STANDARD - Leptones, Quarks y Hadrones - Generaciones de la Materia

3 CONTENIDO Tercera Parte VIDEOS - Desarrollo Histórico
BOSON DE HIGGS - Propiedades VIDEOS - Desarrollo Histórico - Ponentes de Higgs - Artículos - Experimentos

4 LA AVENTURA DE LAS PARTÍCULAS

5 EL ÁTOMO Los átomos no solamente son bolitas, éstos tienen estructura.
Están compuestos de protones, neutrones y electrones. Los protones y neutrones están compuestos de quarks, los cuales posiblemente estén compuestos de partículas más fundamentales

6 ESTRUCTURA Tiene un Nucleo Positivo Denso Con una Nube de Electrones
Cargados Tiene un Nucleo Positivo Denso

7 NUCLEO Electrones Partículas QUARKS PROTONES (p) NEUTRONES (n)
Está compuesto de: NEUTRONES (n) Electrones

8 MODELO STANDARD 1 2 PARTÍCULAS PARTÍCULAS PORTADORAS MATERIALES
DE FUERZA PARTÍCULAS MATERIALES Teoría desarrollada por físicos que intentan describir toda la materia y fuerzas existentes en el universo (excepto la gravedad), se compone de: Las partículas de materia son: Los electrones, protones, neutrones y quarks) Cada tipo de fuerza fundamental es "transportada" por una partícula portadora de fuerza (el fotón es un ejemplo).

9 PARTÍCULAS LEPTONES Hay seis leptones; tres de ellos tienen carga eléctrica y los otros tres no. CARGA ELÉCTRICA CARGA NO ELÉCTRICA Para cada uno de los seis leptones hay un leptón de antimateria (antileptón), de igual masa pero de carga opuesta. Electrón (e) Muon ( ) Tau (t) Son de masa mayor y negativos Neutrinos (v) Son de masa muy pequeña y existe una para cada leptón cargado eléctricamente

10 LEPTONES SOLITARIOS Los leptones, al igual que los solitarios e independientes felinos, pueden existir sin necesidad de la compañía de otras partículas. Los quarks, en cambio, sólo se encuentran en grupos. Hasta este momento no hay evidencias de que los leptones tengan alguna estructura interna o tamaño.

11 LEPTONES

12 QUARKS Up/Down Top/ Bottom Charm/ Strange Hay seis quarks, pero los físicos hablan usualmente de tres pares de quarks: Para cada uno de estos quarks hay un correspondien-te quark de antimateria o antiquark.

13 CARACTERÍSTICA DE LOS QUARKS
Tienen la inusual característica de tener carga eléctrica fraccionaria, de valor 2/3 ó -1/3, a diferencia de la carga -1 del electrón, o de la carga +1 del protón. Los quarks también transportan otro tipo de carga llamada carga de color. Más famoso

14 HADRONES: Sociedad de Quarks
Los quarks individuales tienen cargas eléctricas fraccionarias. Sin embargo, nunca son observadas directamente porque los quarks nunca están solos; por el contrario, los quarks forman partículas compuestas llamadas hadrones. La suma de las cargas eléctricas de los quarks, que constituyen un hadrón, es siempre un número entero. En tanto que los quarks individuales llevan carga de color, los hadrones son de color neutro. DOS CLASES DE HADRONES Contienen un quark (q) y un antiquark (-q). MESONES Hadrones constituidos por tres quarks (qqq). BARIONES

15 GENERACIONES DE LA MATERIA
Cada conjunto se le denomina una GENERACIÓN de partículas de materia GENERACIÓN Es un grupo formado por un quark y un leptón de cada tipo de carga Los quarks y leptones están clasificados en 3 diferentes conjuntos Cada generación es más pesada que la generación previa

16 POR QUÉ EXISTEN GENERACIONES DE MATERIA
podría ser porque los quarks y los leptones no son fundamentales, sino que estén constituidos por partículas aún más elementales manifestadas en las generaciones de materia.

17 LAS CUATRO INTERACCIONES
GRAVI-TATORIA FUERTE DÉBIL ELECTRO-MAGNÉTICA LAS CUATRO INTERACCIONES Son las fuerzas y los decaimientos que afectan a una partícula dada.

18 ¿Cómo interactúan las partículas de materia?
Las interacciones (fuerzas), que afectan a las partículas materiales, son producidas por un intercambio de partículas portadoras de fuerza. Las partículas que son afectadas por una interacción pueden absorber o producir el portador de fuerza de esa interacción

19 LA GRAVEDAD La fuerza gravitacional es quizás la fuerza más familiar para nosotros, pero no está incluida en el Modelo Standard, porque sus efectos son muy diminutos en los procesos entre partículas. Aún cuando la gravedad actúa sobre todas las cosas, es una fuerza muy débil, a menos que haya grandes masas involucradas.

20 ELECTROMAGNETÍSMO Muchas fuerzas de todos los días, como la que ejerce el piso sobre nuestros pies, se deben a las fuerzas electromagnéticas dentro de los materiales, que se oponen a que los átomos se desplacen de sus posiciones de equilibrio dentro del material. La carga eléctrica (positiva/negativa) y el magnetismo (norte/sur) son diferentes aspectos de una misma fuerza -- electromagnetismo.

21 ELECTROMAGNETÍSMO Dos objetos cargados con cargas de signo opuesto, como ocurre con un protón y un electrón, se atraen entre sí, mientras que dos partículas con carga de igual signo se repelen entre sí. Las partículas portadoras de la fuerza electromagnética son los fotones (). De acuerdo a cuál sea su energía, se les denomina rayos gama, luz, microondas, ondas de radio, etc.

22 LA INTERACCIÓN FUERTE Algunas partículas (quarks y gluones) tienen un tipo de carga, que no es electromagnética, llamada carga de color. La fuerza entre partículas con cargas de color es muy fuerte, por eso se ganó el nombre de fuerza fuerte. Esta fuerza mantiene unidos a los quarks para formar hadrones, sus partículas mediadoras son caprichosamente llamadas gluones por su éxito al "pegar" los quarks entre sí. 2 3 1 4 Es importante notar que sólo los quarks y lo gluones tienen carga de color. Los hadrones (por ejemplo los protones y los neutrones) son de color neutro, igual que los leptones.

23 INTERACCIÓN FUERTE RESIDUAL
Son objetos de color neutro LOS POTRONES Y NEUTRONES Los hadrones están compuestos por quarks, cargados de diferentes colores, y así, los quarks con cargas de color de un protón pueden "pegarse" con los quarks con cargas de color de otro protón, aunque los propios protones sean de color neutro. Ésto se llama la interacción fuerte residual, y es lo suficientemente fuerte como para contrarrestar la repulsión electromagnética entre los protones. Al igual que los Hadrones

24 Es la responsable del hecho que todos los quarks y leptones más pesados decaigan, para producir quarks y leptones más livianos. LA INTERACCIÓN DÉBIL Cuando una partícula decae, ella desaparece y en su lugar aparecen dos o más partículas. La suma de las masas de las partículas producidas es siempre menor que la masa de la partícula original. Ésta es la razón por la cual la materia que nos rodea, contiene sólo electrones y los dos quarks más livianos (up y down).

25 Cuando un quark o un leptón cambian de tipo (por ejemplo un muón cambiando a un electrón) se dice que cambia de sabor. Todos los cambios de sabor son producidos por la interacción débil. Las partículas portadoras de interacciones débiles son los bosones W+, W-, y Z. Los W's están cargados eléctricamente, en tanto que el Z es neutro. Un aspecto muy interesante del Modelo Standard es que las interacciones electromagnéticas y las interacciones débiles están combinadas en una interacción única llamada electrodébil. LA INTERACCIÓN DÉBIL

26 RESUMEN DE LAS INTERACCIONES

27 CLASIFICACIÓN DE LAS PARTÍCULAS
Principio de Exclusión de Pauli, establece que dos partículas en el mismo estado (idéntico spin, carga de color, momento angular, etc.) no pueden existir en el mismo lugar y al mismo tiempo. Los físicos usan esta regla para separar las partículas en dos categorías; partículas que están sujetas a la exclusión de Pauli -- los fermiones, y partículas que no están sujetas a la exclusión de Pauli -- los bosones.

28 FERMIONES Title ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc. Son las partículas que tienen un momento angular intrínseco que, medido en unidades de (spin), es igual a un número impar de semienteros (1/2, 3/2, ...). Como consecuencia los fermiones obedecen el principio de exclusión de Pauli. Las partículas materiales fundamentales (quarks y leptones, así como también la mayoría de las partículas compuestas, tales como protones y neutrones) son fermiones. Por lo tanto, debido al principio de exclusión de Pauli, estas partículas no pueden coexistir en una misma posición. El spin es el momento angular interno de una partícula, expresado en unidades de , donde = x 10^-34 J s.

29 BOSONES Title ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc. Son aquéllas partículas que tienen spin entero, medido en unidades de h-barra (spin = 0, 1, 2...). El núcleo de un átomo es un fermión o un bosón, según la suma del número de protones y neutrones sea impar o par Ésto explica el extraño comportamiento del Helio a temperaturas extremadamente bajas, a las que es un super fluído (significa que no tiene viscosidad, entre otras cosas): sus núcleos son bosones y pueden interpenetrarse.

30 LOS SIGUIENTES SON BOSONES
Las partículas portadoras de todas las interacciones fundamentales Las partículas compuestas por un número par de fermiones constituyentes (tales como los mesones) LOS SIGUIENTES SON BOSONES

31 ADVERTENCIA CON LOS NOMBRES
Los nombres y descripciones son una pequeña parte de cualquier teoría física. Por lo que debe enfocar su atención hacia los conceptos y procesos, en lugar de memorizar listas de nombres y masas de partículas. Para organizar la información sobre el Modelo Standard, el CPEP la reunió en una cómoda tabla del Modelo Standard, que le brinda una referencia instantánea, de muchos nombres, masas y otras propiedades de partículas.

32 TABLA

33 RESUMEN DEL MODELO ESTANDARD

34 Las partículas fundamentales y sus interacciones
Los físicos creen que pueden explicar todos los tipos de materia observados utilizando seis tipos de quarks y seis tipos de leptones. Atribuyen todas las fuerzas observadas a cuatro fuerzas fundamentales, cada una de las cuales tiene asociada su partícula mediadora.

35 Las partículas fundamentales y sus interacciones
En el Modelo Standard, vimos los resultados conceptuales de esta teoría, muy matemática; ahora es necesario explorar las evidencias experimentales que han recogido los físicos y que sustentan la teoría.

36 MÁS ALLÁ DEL MODELO STANDARD
El modelo standard explica muchas preguntas acerca de la estructura y la estabilidad de la materia, con sus seis tipos de quarks, sus seis tipos de leptones, y sus cuatro fuerzas fundamentales. El modelo standard es una teoría incompleta, porque todavía no puede explicar la naturaleza del mundo en forma completa.

37 EL MODELO STANDARD NO ES SUFICIENTE
DESVENTAJAS VENTAJAS El Modelo Standard proporciona una descripción muy buena de los fenómenos observados en los experimentos, todavía es una teoría incompleta. El problema es que no puede explicar la causa por la que existen algunas partículas, del modo en que lo hacen. Carece de un modelo matemático para calcular el patrón que siguen los valores de las masas de las partículas.

38 LAS MASAS EJEMPLOS DESVENTAJAS En el Modelo Standard muchas interacciones fundamentales simplemente no son explicadas por la teoría Por qué la partícula W es muy masiva y, en cambio, el fotón no tiene masa, si ambos son portadores de fuerza? Para explicar esta brecha en la teoría del Modelo Standard, los físicos han teorizado la existencia de una partícula llamada el bosón de Higgs

39 SUPERSIMETRÍA Postula que cada partícula que observamos tiene una partícula compañera, masiva, o "sombra". Para cada quark habría un así llamado "squark". No se ha visto aún ninguna partícula supersimétrica, pero los experimentos en realización en el CERN, comenzados en el otoño de 1995, han buscado la compañera del bosón

40 PARTÍCULAS FUNDAMENTALES Y SUS INTERACCIONES
Uno de las metas de la física es juntar teorías, aparentemente no relacionadas, en una única teoría, unificada, simple. La ventaja de una teoría unificada, es que ofrece, en general, una explicación más elegante de los datos experimentales, y puede apuntar hacia las futuras áreas de estudio. Hoy en día, una de las mayores metas de los físicos de partículas, es unificar las interacciones fuertes, débiles, y electromagnéticas en una "Teoría Gran Unificada” (o, T.G.U. si Usted prefiere). PARTÍCULAS FUNDAMENTALES Y SUS INTERACCIONES

41 La tierra no es el centro del sistema solar
COSAS DESCONOCIDAS MATERIA OSCURA La mayor parte del universo esta hecho de materia distinto tipo que la tierra La tierra no es el centro del sistema solar Es un tipo de materia que no podemos ver, a partir de sus efectos gravitacionales

42 Materia Oscura Materia Oscura Materia no obscura Hay abundante evidencia circunstancial de que gran parte de esta materia no está compuesta por protones, neutrones, y electrones, como nosotros lo estamos. ¿Qué es la materia oscura? No se sabe. Posiblemente está compuesta de neutrinos, o quizás de formas de materia aún más exóticas que han sido postuladas por los teóricos.

43 BOSÓN DE HIGGS

44 El Bosón de Higgs o partícula de Higgs es una partícula elemental propuesta en el Modelo estándar de física de partículas. Recibe su nombre en honor a Peter Higgs quien, junto con otros, propuso en 1964, el hoy llamado mecanismo de Higgs, para explicar el origen de la masa de las partículas elementales.

45 BOSÓN DE HIGGS 1 No posee espín, carga eléctrica o de color, es muy inestable y se desintegra rápidamente, su vida media es del orden del zeptosegundo. En algunas variantes del Modelo estándar puede haber varios bosones de Higgs. 2 La existencia del bosón de Higgs y del campo de Higgs, asociado serían el más simple de varios métodos del Modelo estándar, de física y de partículas que intentan explicar la razón de la existencia de masa en las partículas elementales 3 Dicho mecanismo justifica la enorme masa de los bosones vectoriales W y Z, como también la ausencia de masa de los fotones. Tanto las partículas W y Z, como el fotón son bosones sin masa propia.

46 BOSÓN DE HIGGS El bosón de Higgs ha sido objeto de una larga búsqueda en física de partículas. Si se demuestra su existencia, el modelo estaría completo. Si se demuestra que no existe, otros modelos propuestos en los que no se involucra el Higgs podrían ser considerados.

47 DESARROLLO DE HIGGS 1960 1962 1964 1967 Contradicción entre dos fenómenos Propuesta de simetría Mecanismos de Higgs Primeras aplicaciones de Higgs (Simetría Electrodébil)

48 HISTORIA DE HIGGS 4 3 2 1 El mecanismo de Higgs es un proceso mediante el cual los bosones vectoriales pueden obtener masa invariante sin romper explícitamente invariancia de gauge. Cuando una teoría de gauge es combinada con un campo adicional que rompe espontáneamente la simetría del grupo, los bosones de gauge pueden adquirir consistentemente una masa finita. Un mecanismo de Higgs podría ser incorporado en la teoría electrodébil de Sheldon Glashowde, en lo que se convirtió en el modelo estándar. Contenían ecuaciones para el hipotético campo que eventualmente se conocería como el campo de Higgs y su hipotético cuanto.

49 PONENTES DE HIGGS Los seis autores de las ponencias PRL de 1964, quienes recibieron el Premio Sakurai por su trabajo. De izquierda a derecha: Kibble, Guralnik, Hagen, Englert, Brout. A la derecha: Higgs.

50 ARTÍCULOS Dos de los tres artículos del PRL (por Higgs y GHK) contenían ecuaciones para el hipotético campo que eventualmente se conocería como el campo de Higgs y su hipotético cuanto, el bosón de Higgs. Modelo GHK el bosón es sólo en una aproximación de orden más bajo, pero no está sujeta a ninguna restricción y adquiere masa a órdenes superiores y fue el único en mostrar que no hay ningún bosón de Goldstone sin masa en el modelo y en dar un completo análisis del mecanismo general de Higgs.

51 ARTÍCULOS También predice la relación entre las masas de los bosones W y Z, así como sus acoplamientos entre sí y con el modelo estándar de quarks y leptones. Muchas de estas predicciones han sido verificados por precisas mediciones en los colisionadores LEP y SLC, abrumadoramente confirmando que algún tipo de mecanismo de Higgs tiene lugar en la naturaleza,[8] pero aún no se ha descubierto la manera exacta por la que sucede.

52 DESARROLLO ACTUAL 2012 2011 2011 2010 Antes del 2000
Confirmar la existencia del bosón de Higgs del modelo estándar para finales de 2012, para cuando su colección de datos de 2012 (en energías de 8 TeV) haya sido examinada.[20] En el CERN para la masa del bosón de Higgs del modelo estándar, habían permitido un límite inferior experimental de GeV/c2 con un nivel de confianza del 95% (CL). La colaboración de DØ también reportó limitaciones sobre el bosón de Higgs dentro del modelo estándar mínimamente supersimétrico (MSSM) Los datos combinados de los experimentos del CDF y el DØ en el Tevatron eran suficientes para excluir al bosón de Higgs en el rango de GeV/c2 al 95% de CL.[10] [11] 2012 La búsqueda se había estrechado , lo que significaba que, en este rango de energía, se detectaron, en un número mayor que el esperado, patrones de partículas compatibles con la decadencia de un bosón de Higgs. 2011

53 EXPERIMENTOS el ATLAS de un bosón con masa GeV/c2 de sigma 5.[21] Esto cumple con el nivel formal necesario para anunciar una nueva partícula que es "consistente con" el bosón de Higgs.[30] 29] PRINCIPALES EXPERIMENTOS El CMS anunció el descubrimiento de un bosón con masa ± 0.6 GeV/c2 a una significación estadística de sigma 4,9,[29)

54 PROPIEDADES Tiene espín 0 (lo que se denomina un bosón escalar).
No posee carga eléctrica ni carga de color, por lo que no interacciona con el fotón ni con los gluones. interacciona con todas las partículas del modelo que poseen masa: los quarks, los leptones cargados y los bosones W y Z de la interacción débil. Sus constantes de acoplo, que miden cuan intensa es cada una de esas interacciones, son conocidas: su valor es mayor cuanto mayor es la masa de la partícula correspondiente.

55 PROPIEDADES En el modelo estándar original, no se incluía la masa de los neutrinos, por tanto, ni, una interacción entre estos y el Higgs. Aunque ésta podría explicar la masa de los neutrinos la masa del Higgs puede tomar cualquier valor. Sin embargo la consistencia matemática del modelo estándar impone cotas inferiores entre 85 y 130 GeV/c2, y cotas superiores entre 140 y 650 GeV/c2. [32] La masa del Higgs puede tomar cualquier valor, sin embargo la consistencia matemática del modelo estándar impone cotas inferiores entre 85 y 130 GeV/c2, y cotas superiores entre 140 y 650 GeV/c2. [32].

56 PROPIEDADES Los 2 experimentos del LHC ATLAS y CMS, presentaron resultados que excluyen valores de la masa fuera del intervalo Anunciaron el descubrimiento de un bosón con propiedades compatibles con las del Higgs Julio 2012

57 PROPIEDADES Title Title 1 2 3
ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc. Title ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc. 1 Desde los años en los que fue propuesto el bosón de Higgs han existido muchos mecanismos alternativos. 2 las otras alternativas usan una dinámica que interactúa fuertemente para producir un valor esperado del vacío que rompa la simetría electrodébil 3 Una lista parcial de esos mecanismos alternativos es:

58 De composición de los bosones de vectores W y Z.[37].
LISTA DE MECANISMOS Condensados de quarks top. Modelo de Abbott-Farhi De composición de los bosones de vectores W y Z.[37]. Technicolor Intenta imitar la dinámica de la fuerza fuerte como camino para romper la simetría electrodébil.

59 ¿QUÉ ES EL BOSÓN DE HIGGS

60 MAS ALLÁ DEL ÁTOMO

61 HALLAN PARTÍCULA DE DIOS

62 MUCHAS GRACIAS!