Partículas Interacciones Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas La física es la ciencia más básica

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas FÍSICA SISTEMAS estudia basándose en * OBSERVACIÓN * EXPERIMENTACIÓN * MEDICIÓN ESTRUCTURAS COMPONENTES INTERACCIONES sufren dan lugar a CAMBIOS PROCESOS organizados en formados por involucradas en CONCEPTOS LEYES Y RELACIONES definiendo estableciendo permiten diseñar un constituyen un MODELO

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas Fenómenos e interacciones

ISAAC NEWTON 1687 JAMES C. MAXWELL 1864 HIDEKI YUKAWA 1934 Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas GRAVEDAD TERRESTRE MECÁNICA CELESTE INTERACCIÓN GRAVITATORIA ISAAC NEWTON 1687 ELECTRICIDAD INTERACCIÓN ELECTROMAGNÉTICA MAGNETISMO ÓPTICA JAMES C. MAXWELL 1864 PROTONES NEUTRONES MESONES INTERACCIÓN NUCLEAR FUERTE HIDEKI YUKAWA 1934 DESINTEGRACIÓN BETA NEUTRINOS INTERACCIÓN NUCLEAR DÉBIL GLASHOW, SALAM, WEINBERG 1967

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas Gravitatoria La experimentan todas las partículas (Universal). Muy débil (10-39 veces menor que la fuerza fuerte) Alcance infinito. Atractiva. Responsable de la estructura del universo

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas Electromagnética :La experimentan partículas cargadas. Puede ser atractiva o repulsiva. Alcance infinito. Intensa (1036 veces mayor que la gravitatoria). Responsable de la estructura de la materia (átomos, moléculas)

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas Fuerte La experimentan los quarks. Alcance finito (10 -15 m). Atractiva. La más intensa (100 veces mayor que la electromagnética) Responsable de mantener unido el núcleo

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas Débil La experimentan quarks y leptones. Alcance finito (10 -17 m). Poco intensa (1013 veces menor que la fuerza fuerte). Produce cambios de identidad en las partículas Responsable de desintegraciones radiactivas

Se describen mediante diagramas de Feynman Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas Cuánticamente, las interacciones se deben al intercambio de partículas virtuales llamadas mediadores. Se describen mediante diagramas de Feynman Electromagnética: Fotón () Fuerte: Gluones Débil: W+, W-, Z0 Gravitatoria: Gravitón

Las interacciones se superponen a grandes energías Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas Las interacciones se superponen a grandes energías Intensidad de la fuerza Energía en GeV

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas fundamentales

Se clasifican en función de: Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas Se clasifican en función de: MASA Depende de Energía (E = mc2) CARGA Múltiplos de e SPIN Múltiplos de 1/2 FERMIONESspín semientero BOSONES spín entero

Partículas descubiertas entre 1898 y 1964 Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas Partículas descubiertas entre 1898 y 1964

Partículas descubiertas desde 1964 hasta el presente Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas Partículas descubiertas desde 1964 hasta el presente

Escalas de energía y partículas descubiertas Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas Escalas de energía y partículas descubiertas Escala de unificación electrodébil Escala de unificación fuerte-electrodébil Escala de Planck Las actuales investigaciones en laboratorio llegan hasta aquí Energía (gigaelectronvoltios)

También se pueden clasificar en: Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas PARTÍCULAS CONSTITUYENTES DE LA MATERIA También se pueden clasificar en: PARTÍCULAS RESPONSABLES DE INTERACCIONES

PARTÍCULAS CONSTITUYENTES DE LA MATERIA Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas PARTÍCULAS CONSTITUYENTES DE LA MATERIA Leptones Quarks

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas LEPTONES De leptos (débil) Se identifican con el nombre de SABORES (flavor) Están sometidos a la interacción débil. Hay tres familias, cada una con dos miembros: Electrón y neutrino Muón y neutrino Tauón y neutrino Son fermiones (spin 1/2) Pueden ser levógiros o dextrógiros

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas QUARKS Color: propiedad intrínseca que toma tres valores (Rojo, Verde, Azul) Están sometidos a la interacción fuerte (color) Existen estados levógiros y dextrógiros Son fermiones (spin 1/2) Existen tres familias que se identifican con tres sabores No existen aislados, sólo en combinados de dos o tres quarks llamados HADRONES. (Confinamiento) “three quarks for mister Mark” James Joice

Existen combinaciones de quarks llamadas hadrones Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas La materia que conocemos parece estar formada por la primera familia de leptones y quarks Existen también las antipartículas de todas las anteriores: antiquarks y antileptones. Existen combinaciones de quarks llamadas hadrones

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas HADRONES No son elementales. Estan formados por combinaciones de alguno de los seis quarks (u, d, c, s, b y t). De hadros, fuerte. Bariones - “pesados” (protón, neutrón,etc) formados por tres quarks Protón Neutrón Mesones - “medianos” (piones, etc) formados por una pareja quark-antiquark Pión

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas BARIONES Son FERMIONES (siguen la estadística Fermi-Dirac), con un número de spín semientero. Están formados por tres quarks Sus cargas pueden ser -1, 0 y +1 Hay aproximadamente 120 tipos de bariones.

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas MESONES Son BOSONES (siguen la estadística Bose-Einstein), con un número de spín 0 o 1. Están formados por un quark y un antiquark. Sus cargas pueden ser -1, 0 y +1 Se han descubierto alrededor de 140 tipos de mesones.

PARTÍCULAS RESPONSABLES DE INTERACCIONES Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas PARTÍCULAS RESPONSABLES DE INTERACCIONES Bosones

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas BOSONES spin = 1 La masa de la partícula mediadora determina el alcance de la interacción: Electromagnética: Fotón (masa cero), alcance infinito Fuerte: Gluones (masa cero), alcance finito (10-16 m) debido a la autointeracción del color. Débil: W+, W-, Z0 (alrededor de 90 GeV/c2), alcance 10-17 m. Gravitatoria: ¿gravitón? (masa cero), alcance infinito

INTERACCIONES, PORTADORES Y PARTÍCULAS FUNDAMENTALES Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas INTERACCIONES, PORTADORES Y PARTÍCULAS FUNDAMENTALES

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas Algunos ejemplos

COLISIÓN ELECTRÓN-POSITRÓN Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas COLISIÓN ELECTRÓN-POSITRÓN La interacción materia-antimateria genera una gran cantidad de energía El proceso se explica por una interacción electrodébil

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas DESINTEGRACIÓN  En el decaimiento del neutrón para formar un protón se pone de manifiesto la interacción débil: se transforma un quark d en uno u vía un bosón virtual

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas INTERACCIÓN DÉBIL Los bosones W actúan como mediadores en las interacciones débiles; se intercambian los quarks dando lugar a otras partículas más frecuente poco frecuente muy poco frecuente

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas INTERACCIÓN FUERTE Los quarks también sufren la interacción fuerte, actuando como mediador el gluón

En la interacción fuerte se conserva la simetría de color Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas ANIQUILACIÓN QUARK-ANTIQUARK En la interacción fuerte se conserva la simetría de color

COLISIONES DE PROTONES DE ALTA ENERGÍA Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas COLISIONES DE PROTONES DE ALTA ENERGÍA A partir de los protones se obtienen otras partículas constituyentes de la materia

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas CAMPO DE HIGGS El campo de Higgs (boson de Higgs) es el responsable de la masa de las partículas.

INTERACCIONES FUNDAMENTALES Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas INTERACCIONES FUNDAMENTALES

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas Hacia la unificación

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas 1926 Erwin Schrödinger desarrolló la mecánica ondulatoria, Max Born dió una interpretación probabilística a la mecánica cuántica. G.N. Lewis propuso el nombre de "fotón" para el cuanto de luz. 1927 Werner Heisenberg formuló el principio de incertidumbre 1928 Paul Dirac combinó la mecánica cuántica y la relatividad especial para describir al electrón. Principios de la Teoría cuántica de campos. 1934 Enrico Fermi desarrolló una teoría del decaimiento beta, que introdujo las interacciones débiles. Ésta es la primera teoría que usa explícitamente los neutrinos y los cambios de sabor de las partículas. 1934 Hideki Yukawa combinó la relatividad y la teoría cuántica, para describir las interacciones nucleares sobre la base del intercambio, entre protones y neutrones, de nuevas partículas (mesones llamados "piones"). Premio Nobel en 1949. 1950 C.N. Yang y Robert Mills desarrollan un nuevo tipo de teoría, llamada "teorías de calibre (o de Gauge)." 1954 Tomonaga, Schwinger y Feynman desarrollan la Electrodinámica cuántica (QED). Renormalización (redefinición de la masa y la carga del electrón). Premio Nobel en 1965. 1964 Murray Gell-Mann y George Zweig introdujeron la idea tentativa de los quarks 1967 Sheldon Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg unifican las interacciones débil y electromagnética en la teoría electrodébil. Premio Nobel en 1979. 1967 Campo de Higgs. Interrupción espontánea de la simetría. 1971 Yoichiro Nambu Cromodinámica cuántica (QCD) 1975 Martinus Veltman y Gerardus ’T Hooft desarrollan la teoría unificada de fuerzas electrodébil y fuerte (Modelo estandar). Premio Nobel en 1999. 1976- Teorías de supercuerdas Un poco de historia

TEORÍA DE LA RELATIVIDAD ESPECIAL (TRR) MECÁNICA CUÁNTICA Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas TEORÍA DE LA RELATIVIDAD ESPECIAL (TRR) MECÁNICA CUÁNTICA INTERACCIONES DESCRITAS MEDIANTE CAMPOS TEORÍA CUÁNTICA DE CAMPOS TEORÍA DE LA RELATIVIDAD GENERAL (TRG) QED QCD ¿TEORÍA CUÁNTICA DE LA GRAVEDAD? TEORÍA DE CAMPO UNIFICADO

TEORÍA CUÁNTICA DE CAMPOS Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas TEORÍA CUÁNTICA DE CAMPOS Desarrollada por Paul Dirac. La interacción se describe por el intercambio de cuantos de fuerza. Intensidad : proporcional al nº de cuantos de fuerza virtuales Alcance: función de la energía (a mayor energía menor tiempo y menor alcance) t= h/2 La autonomía será: r = /2 F r 

POLARIZACIÓN DEL VACÍO Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas POLARIZACIÓN DEL VACÍO Principio de incertidumbre de Heisenberg: t= h Las partículas pueden coger energía del vacío en un intervalo de tiempo muy pequeño Q+ carga virtual q+ carga virtual q- Son partículas virtuales, sin masa, que se desplazan a la velocidad de la luz La carga real está distorsionada por una nube de cargas que la rodean

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas Carga-distancia Distancia Carga CARGA BRUTA CARGA NETA La carga no es constante, depende de la distancia, debido a la polarización del vacío La QED (Electrodinámica cuántica) concibe las cargas eléctricas como surtidores de fotones virtuales. Los más energéticos sucumben enseguida al principio de incertidumbre (t= h/2) y restringen su acción a las proximidades de la carga.

FUERZA ELECTRODÉBIL- FUERZA DE SABOR Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas FUERZA ELECTRODÉBIL- FUERZA DE SABOR Las fuerzas electromagnética y débil son dos manifestaciones de una sola fuerza, la Fuerza electrodébil. Leptones y quarks intercambian fotones () y bosones (W y Z) manteniendo el sabor Fotón virtual La simetría que se mantiene es la carga y el spín isotópico

FUERZA NUCLEAR FUERTE- FUERZA DE COLOR Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas FUERZA NUCLEAR FUERTE- FUERZA DE COLOR Cada quark puede presentarse en tres colores. Para formar un barión los quarks deben ser de tres colores diferentes BARIONES ANTIBARIONES Los antibariones están formados por antiquarks, combinando los tres colores complementarios

FUERZA NUCLEAR FUERTE- FUERZA DE COLOR Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas FUERZA NUCLEAR FUERTE- FUERZA DE COLOR Los mesones están formados por un quark y un antiquark: se combina un color con su complementario MESONES

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas SIMETRÍA DE COLOR La cromodinámica cuántica (QCD) explica la interacción fuerte en función de la carga de color y de las interacciones que se producen entre los distintos colores de los quarks. La simetría que debe mantenerse es el color. A nivel local esta simetría exige 8 bosones intermedios, llamados gluones que también tienen carga de color.

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas SIMETRÍA DE COLOR En las interacciones se conserva la simetría de color: color neutro del barión (tres colores) y del mesón (color-anticolor) q BARION gluones q MESÓN gluones GLUONES:Partículas mediadoras responsables de que se mantenga el color neutro del hadrón N1 N2

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas FUERZA NUCLEAR FUERTE La interacción fuerte es la responsable del confinamiento de los quarks La fuerza nuclear fuerte (entre nucleones) es un residuo de la fuerza fuerte

¿Es posible integrar en una teoría todas las interacciones? Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas ¿Es posible integrar en una teoría todas las interacciones?

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas FUERZA NUCLEAR DÉBIL (FUERZA DE SABOR) MECÁNICA CUÁNTICA TEORÍA ELECTRODÉBIL SU(2) x U(1) TEORÍA CUÁNTICA DE CAMPOS CROMODINÁMICA CUÁNTICA SU(3) FUERZA NUCLEAR FUERTE (FUERZA DE COLOR) ELECTRODINÁMICA U(1) FUERZA ELECTROMAGNÉTICA GTU’S MODELO ESTÁNDAR SU(3) x SU(2) x U(1) TEORÍAS DE ESTIMACIÓN SIMETRÍAS GAUGE TEORÍA DE LA RELATIVIDAD ESPECIAL (TRR) SUPERSIMETRÍA SUPERGRAVEDAD FUERZA GRAVITATORIA TEORÍA DE SUPERCUERDAS E8 x E8 TEORÍA DE LA RELATIVIDAD GENERAL (TRG) TEORÍA DE KALUZA-KLEIN TEORÍA M

+ = MODELO ESTÁNDAR Cromodinámica cuántica (QCD) Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas Cromodinámica cuántica (QCD) teoría del “color” o de la Fuerza nuclear fuerte grupo de simetría SU(3) + Electrodinámica cuántica (QED) teoría del “sabor”´o de la Fuerza electrodébil grupo de simetría SU(2) X U(1) = MODELO ESTÁNDAR

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas MODELO ESTÁNDAR

PARTÍCULAS DEL MODELO ESTÁNDAR Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas PARTÍCULAS DEL MODELO ESTÁNDAR Fermiones tres generaciones de quarks y leptones

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas Bosones partículas mediadoras de la fuerza nuclear fuerte (gluones, g) y de la fuerza electrodébil (, W+, W- y Zo)

Partículas (o campos) Higgs: Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas Partículas (o campos) Higgs: crean la masa de los otros campos

MÁS ALLA DEL MODELO ESTÁNDAR Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas MÁS ALLA DEL MODELO ESTÁNDAR

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas MODELOS TECNICOLOR NUEVAS INTERACCIONES Y NUEVAS PARTÍCULAS

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas SUPERSIMETRÍA SPARTÍCULAS: RELACIÓN ENTRE BOSONES Y FERMIONES ¿MATERIA OSCURA?

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas SUPERCUERDAS DESCRIPCIÓN DE LAS PARTÍCULAS COMO CUERDAS

TEORÍA M Y SUPERCUERDAS Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas TEORÍA M Y SUPERCUERDAS

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas Del microcosmos al macrocosmos

Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas Al cabo de 1013 segundos del origen del Universo se forman los átomos y la materia se separa de la radiación. Big Bang

EL UNIVERSO EN LA ESCALA TIEMPO-TEMPERATURA-MASA Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas EL UNIVERSO EN LA ESCALA TIEMPO-TEMPERATURA-MASA Gráfico extraído del trabajo “El lugar de los especialistas en la física”, J. Julve, publicado en la Revista Española de física.

UNIFICACIÓN DE INTERACCIONES EN LA ESCALA DEL UNIVERSO Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas UNIFICACIÓN DE INTERACCIONES EN LA ESCALA DEL UNIVERSO Extraído de la página: http://pvanhove.home.cern.ch/pvanhove/PopularScience/ScientificAmerican/Green/superstrings.html

La temperatura y la edad del universo Antonio Pérez Vicente Interacciones y partículas La temperatura y la edad del universo La materia y las interacciones surgen a lo largo del tiempo

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