Masterclass 2007 Jaime Álvarez Muñiz Departamento de Física de Partículas & Instituto Galego de Altas Enerxías 29 Marzo 2007 Facultade de Física

PREÁMBULO

Pero…¿para qué estudiar Física?

El problema

¿La solución?

Vaya pues ahora tenemos... 2 problemas !!

¿ Y ahora qué ?

Bueno, vamos a ver ahora…

Problema 1 resuelto

Problema 2 resuelto A p a P Moraleja de la historia: La Física tiene un papel crucial en el día a día! Problema 2 resuelto a P > A p A p a P

¿Pero cómo… todavía pensáis que la Física no es divertida?

FIN DEL PREÁMBULO

1a PARTE El mundo de las partículas

¿De qué está hecho el mundo que nos rodea? ¿Qué lo mantiene unido? Tengo 2 preguntas para usted… Prof. Albert Einstein Sr. Zapatero ¿De qué está hecho el mundo que nos rodea? ¿Qué lo mantiene unido?

¿De qué está hecho el mundo? El filósofo griego Empédocles en el S.V a.C. : tierra, aire, fuego y agua Hoy sabemos que existe algo más fundamental…

¿De qué está hecha la materia ? Busquemos un trozo de materia, por ejemploooo… CHOCOLATE !! 1 1/2 1/22 1/23 1/24 1/25 1/26 1/27 1/28 1/29 16384 trocitos 1/210 1/211 1/212 1/213 1/214 Si hacemos esto mismo otras 70 veces !! llegaremos a conseguir UN ÁTOMO.

El átomo Pero… ¿es realmente el átomo indivisible ? Demócrito (S. V-VI a.C. ): Toda la materia está constituída de partículas INDIVISIBLES llamadas ÁTOMOS TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS D. Mendeleev (1869) Pero… ¿es realmente el átomo indivisible ?

El átomo se puede dividir ! Helio (He) Neon (Ne) Todos, pero todos todos, los átomos tienen un núcleo cargado positivamente, y electrones con carga negativa orbitando alrededor. (El electrón fue descubierto por J.J. Thomson en 1897).

Evidencia de subestructura en el átomo Partículas alpha radiactivas (carga positiva) (Rutherford 1911) The second piece of evidence arises if we fire projectiles at material. Of course the projectiles must be tiny themselves. Rutherford and his co-workers used the nuclei of helium atoms, known as alpha particles. Because the nuclei are so tiny, almost all projectiles go nowhere near a nucleus and are therefore undeflected. A few, heading straight for the nucleus, are turned around by the electrostatic force between the alpha particle and the nucleus. A few others, passing close to the nucleus are deflected. Rutherford’s big step forward was to realize that detailed measurements on a large number of such collisions allowed him to determine the size of the nucleus. In a similar way around 1970, by firing electrons accelerated to close to the speed of light at protons and neutrons, it was clearly demonstrated that they have substructure. Moreover properties of that substructure could be determined. 1 Angstrom =10-10 m Pero… ¿y el núcleo?, ¿es indivisible ?

El núcleo se puede dividir ! The nucleus itself has structure and contains positively charged protons and neutral neutrons, the latter discovered by Chadwick in 1932. Can we go further down the levels of sub-structure? The answer is yes. El núcleo contiene protones de carga +e y neutrones sin carga. 10-14 m Pero… ¿y los protones y neutrones?, ¿son indivisibles ?

Pues no… los protones y neutrones también se pueden dividir ! Neutrón u 1 fermi = 10-15 m d d Neutrones y protones contienen “quarks” up and down Protón u u d Pero… ¿y los quarks?, ¿también se pueden dividir?

¿también se pueden dividir? Pero… ¿y los quarks?, ¿también se pueden dividir? u ? d d No hay evidencia experimental <10-18 m Hay evidencia experimental de que no… ¿Y los electrones?, ¿se pueden dividir?

En resumen… Prof. Einstein… Quarks Neutrón Electrón MATERIA ~ 10-9 m ÁTOMO ~ 10-10 m NÚCLEO ~ 10-14 m NUCLEÓN ~ 10-15 m Protón Átomo …hoy sabemos que la materia está hecha de átomos, los átomos están hechos de protones, neutrones y electrones, los protones y neutrones están hechos de quarks y éstos, a su vez, al igual que los electrones, puede (o no) que estén hechos de partículas incluso MÁS elementales...

Otra partícula elemental: el fotón El efecto fotoeléctrico: Un haz de “luz” puede arrancar electrones de la materia. Einstein (1905) Luz incidente Electrones arrancados La “luz” está formada por partículas llamadas fotones

¿Existen más partículas elementales? Ya sabemos que existen: Quarks up & down, electrones y fotones Leptones Los físicos han descubierto cerca de 200 partículas… Y siempre se hacen la misma pregunta… ¿serán verdaderamente indivisibles?. m- m+ t- t+ e+ ne nm nt Hadrones h L+ S- K+ D+ D- p- p0 r W- J/y K0 D++ L0 p+ K- … y más

Las 3 familias de partículas elementales (Indivisibles = elementales) 6 QUARKS (Todos los hadrones están formados por combinaciones de qq o qqq) _ 6 LEPTONES (Indivisibles = elementales) La materia ordinaria está formada por quarks u y d, y por electrones Las 3 familias

Además, por cada partícula elemental hay… una antipartícula Anti-electrón e+ (positrón) Electrón e-

Aniquilación electrón-positrón La materia se puede convertir en energía y viceversa: e- e+ g La aniquilación produce energía electrón (materia) Se producen nuevas partículas y antipartículas positrón (antimateria) E = mc2 La masa es una forma de energía. e+e- → D+D- Nº de partículas = Nº antipartículas Excelente forma de producir nuevas partículas

¿Cuánta energía tiene la materia? = + E = mc2 Liberan una energía equivalente a la explosión de una bomba atómica 1 gramo de materia 1 gramo de antimateria

LOS 6 QUARKS - Gell-Mann (1963) Los quarks tienen carga eléctrica fraccionaria Todos los hadrones están formados por combinaciones de qqq o qq -

CONFINAMIENTO DE LOS QUARKS La energía se puede convertir en masa Hadrón E = mc2 Hadrón Hadrón Los quarks no existen en estado libre. Si trato de separar dos quarks se forman hadrones (chorros de partículas)

LOS LEPTONES Los leptones pueden existir como partículas libres. Electrón = gato Tau = 85 tigres Muón = 10 leones Neutrinos < pulgas e, m y t tienen carga eléctrica. El muón penetra mucho en la materia. Los neutrinos son neutros, tienen una masa muy pequeña y son extremadamente penetrantes (interaccionan muy poco con la materia)

Los neutrinos son extremadamente difíciles de detectar… Propuestos por W. Pauli (1930) para evitar la no conservación de la energía en la desintegración del neutrón. Descubiertos por Cowan y Reines (1956) Los neutrinos son extremadamente difíciles de detectar… 600.000 millones de neutrinos (procedentes del Sol) atraviesan la palma de vuestra mano cada segundo !!!, sólo uno (con suerte) chocará en 100 años !!!

Ya hemos respondido a la pregunta: "¿De qué está hecho el mundo?" QUARKS y LEPTONES

¿Qué mantiene unida la materia? Existen 4 interacciones (fuerzas) fundamentales en la Naturaleza: Gravitatoria Electromagnética Fuerte Débil Interacción = atracción, repulsión, aniquilación ó desintegración Las interacciones entre partículas se producen por intercambio de una serie de partículas elementales llamadas BOSONES.

4 interacciones fundamentales Fuerte Electromagnética carga de color carga eléctrica Gravitatoria Débil carga débil masa

Ejemplos de interacciones entre partículas Aniquilación débil de electrón y positrón y conversión en muón negativo y positivo mediante intercambio de un Z0 Repulsión electromagnética entre dos electrones mediante intercambio de un fotón t- e- q t+ e+ anti-q R.P. Feynman El resultado final también puede ser un e-e+, un t-t+ o un quark-antiquark (que al separarse producirán hadrones)

PARTÍCULAS ELEMENTALES PARTÍCULAS PORTADORAS DE FUERZA MODELO ESTÁNDAR PARTÍCULAS ELEMENTALES QUARKS LEPTONES 3 FAMILIAS PARTÍCULAS PORTADORAS DE FUERZA INTERACCIONES FUNDAMENTALES Fotón g : Electromagnética (quarks y leptones cargados) Gluón g : Fuerte (quarks) W+, W-, Z0: Débil (quarks y leptones) partícula Higgs

Fin de la 1a PARTE

2a PARTE Experimentos en Física de Partículas

¿Cómo trabajan los físicos de partículas?

Dos pasos básicos 1ª Encontrar una fuente de partículas, acelerarlas hasta que alcancen grandes energías y hacerlas chocar entre ellas o contra un blanco. 2ª Estudiar las partículas resultantes de esas colisiones en detectores y sacar conclusiones acerca del interior de la materia.

Es como en una radiografía… Bombardeamos partículas (fotones = rayos X) contra un blanco (cuerpo humano) y de lo que observamos en el detector (la radiografía) sacamos conclusiones acerca de lo que hay dentro…

¿Por qué queremos acelerar partículas a altas energías? (1) Equivalencia ó dualidad onda-corpúsculo E = h c / l   constante de Planck longitud de onda Cuanta más energía más pequeña es la longitud de onda asociada a la partícula y podremos ver estructuras más pequeñas (el interior de los quarks tal vez ? ) L. de Broglie (1924)

¿Por qué queremos acelerar partículas a altas energías? (2) Cuanta más energía más masa, más partículas y de mayor masa se forman en p.ej. una aniquilación e-e+ o en la colisión de dos núcleos pesados. E = mc2

¿Por qué queremos acelerar partículas a altas energías? (3) Cuanta más energía más densidad y temperatura, más cerca estaremos de reproducir las condiciones que se dieron en el origen del Universo (Big Bang). Colisión de iones pesados Big Bang

Fuentes de partículas Electrones: se calienta una lámina metálica, los electrones se liberan de los átomos y se extraen de la lámina mediante una corriente eléctrica. Protones: se lanzan electrones contra átomos de hidrógeno. Los electrones arrancan el electrón del átomo y nos queda un protón que se extrae mediante campos eléctricos y magnéticos.

¿Cómo producir antimateria? - + e e g Hilo de metal Región de campo magnético E > pocos MeV mec2 = 0.5 MeV The inverse to the annihilation process also occurs and g-rays with sufficient energy can convert to matter and antimatter. We can sketch it using a simple line drawing again. Evidence that it occurs is found on another of Anderson’s beautiful cloud chamber pictures where we see three g -rays have converted to electron-positron pairs just outside the cloud chamber. Antipartículas: un haz de partículas energéticas golpean un blanco y se crean pares de partículas y antipartículas que posteriormente pueden ser separadas usando campo magnéticos.

Aceleración: Un campo eléctrico acelera las partículas cargadas - + Unidad de energía en Física de Partículas: 1 eV = 1.6 10-19 Julios Cavidad de radiofrecuencia usada en LEP: que frecuencia? Hasta 100 GeV 1 MeV = 106 eV 1 GeV = 109 eV 1 TeV = 1012 eV

Un campo magnético desvía las partículas cargadas en movimiento + B F v + Ernest O. Lawrence (1925) El radio de la trayectoria circular es mayor cuanto mayor sea la velocidad (energía) de la partícula y menor cuanto mayor sea el campo magnético

Acelerador lineal: la TV ! Un acelerador de partículas en mi propia casa ! El voltaje en una TV es de 20 kiloVoltios = 20 mil Voltios. La energía de un electrón es por tanto 20 keV. En SLAC (EEUU) la energía de un e- es 20 GeV = 1 millón de veces mayor que la de una TV.

Aceleradores Lineales 3.2 km mayo de 1966, 3,2 km SLAC (EEUU) 3.2 km !! e+e- E=20 GeV Largos y muy costosos: más energía cuanto mayor longitud.

Aceleradores circulares El ciclotrón Fuente de partículas E. O. Lawrence (1927) Vacío Diferencia de potencial (alterna) Campo magnético constante dirigido “hacia arriba” En cada vuelta la partícula adquiere energía. La energía máxima está limitada por el tamaño del ciclotrón.

Aceleradores circulares El sincrotrón Se aumenta progresivamente el campo magnético a medida que la energía de la partícula aumenta. De esta forma se consigue que el radio de la trayectoria circular se mantenga constante y que de muchas vueltas acelerándose. Energía limitada por las pérdidas de energía por radiación sincrotrón zona de aceleración imán

Aceleradores circulares El sincrotrón Interior del Proton Synchrotron en el CERN Ginebra (Suiza) European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble (Francia)

Aceleradores circulares ¿Cómo reducir las pérdidas de energía por radiación sincrotrón y alcanzar E mayores? LEP en el CERN (entre Suiza y Francia) Colisionador e- e+ (hasta 200 GeV) Energía limitada por las pérdidas de energía por radiación sincrotrón 27 km de circunferencia !! Aumentando el radio de curvatura !!

LEP: Large Electron Positron collider CERN: Centre Europeene pour la Recherche Nucleaire LEP: Large Electron Positron collider LEP (1989-2000) Las colisiones e- e+ se producen en 4 puntos de cruce donde se colocan los detectores de partículas: ALEPH DELPHI L3 OPAL 100 m

Detectores de partículas cargadas Principio básico: Cuando una partícula cargada pasa por un medio arranca electrones de los átomos (ioniza el medio). Objetivo: Determinar la carga, el momento y la energía de la partícula

Detectores de partículas cargadas Cámara de burbujas Contiene un líquido a mucha presión y a punto de hervir. Cuando una partícula lo atraviesa el líquido comienza a hervir a lo largo de la trayectoria seguida por la partícula (se forman burbujas de vapor). Se hace una fotografía de las burbujas y del análisis de la trayectoria se pueden obtener la carga eléctrica y el momento lineal de la partícula.

Detectores de partículas cargadas Detectores multihilo Georges Charpak (1968) Lectura electronica de datos 1968 El paso de una partícula cargada ioniza el medio: los electrones arrancados son atraídos por los hilos y los iones por las placas. La corriente eléctrica producida es proporcional a la energía perdida por la partícula en el medio. La trayectoria de la partícula se conoce a partir de la posición de los hilos con corriente eléctrica.

Detectores de partículas cargadas Formados por “capas” de distintos tipos de detectores para identificar distintos tipos de partículas y medir su trayectoria y energía.

Cada tipo de partícula deja una “firma” distinta en las distintas “capas” del detector. invisible neutrino

Delphi

Delphi: Detector with Lepton Photon and Hadron Identification Colaboración Delphi: 56 universidades 550 físicos de 22 países

ANÁLISIS DE TRAYECTORIAS DE PARTÍCULAS EN EL DETECTOR DELPHI EJERCICIO: hoy a la tarde ANÁLISIS DE TRAYECTORIAS DE PARTÍCULAS EN EL DETECTOR DELPHI

El futuro: LHC Large Hadron Collider Se comenzó a diseñar en 1984. Se terminará de construir en 2007 Mismo túnel que LEP Colisionador protón-protón hasta 14000 GeV 4 detectores: ATLAS CMS LHC-B (Santiago) ALICE (Santiago)

Ejemplo de una colisión en LHC Sólo en ATLAS se recogerán datos como para llenar un CD cada 7 segundos !, es decir 12,000 CDs al día !!, 4 millones de CDs al año !!!. Si ponemos todos los “CDs” de ATLAS y CMS uno encima de otro harían una torre que tendría unos 20 km de altura !!!!

http://hands-on-cern.physto.se/ani/acc_lhc_atlas/lhc_atlas.swf

Observatorio Pierre Auger Rayos Cósmicos En el Universo también hay aceleradores de partículas, pero todavía no sabemos muy bien como funcionan… Observatorio Pierre Auger (Mendoza, Argentina) Rayos Cósmicos: Las partículas de más energía jamás observadas, son 1000 veces más energéticas que los protones de LHC

Fin de la 2a PARTE