Partícules elementals, i experiments d’Altes Energies Lluís Garrido http://icc.ub.edu/ Masterclass "Hands on Particle Physics“, March 2015

INDEX Introducció a la física de partícules ( o física d’Altes Energies ) Model Estàndard: Partícules Elementals i forces. El CERN: el laboratori de partícules més gran del mon L’accelerador LHC i el Big Bang Els seus 4 detectors: ATLAS i CMS (el higgs) ALICE (la sopa de quarks i gluons) LHCb (experiment d’antimatèria)

1) Introducció

El mètode científic Teoria Observació Predicció Experiment utilitzar la teoria per fer prediccions crear o modificar la teoria Observació Predicció dissenyar experiments per comprovar la teoria fer l'experiment Experiment

segle VI i V a.C. les partícules: els elements bàsics de la natura Els elements ahir: segle VI i V a.C. Avui creiem que els elements bàsics són les partícules anomenades electrons i quarks, i la partícula de llum anomenada fotó (i alguna cosa més). Els elements avui: Partícules considerades elementals al 1932: - electró - protó i neutró - fotó (llum)

L’univers conegut Física de partícules mira la matèria a petites distàncies Astrofísica mira la matèria a grans distàncies Microscopis Binoculars Telescopis òptics, radio telescopis L’ull Acceleradors i detectors de partícules

OBJECTIU: estudiar les estructures fonamentals de la matèria. Física de partícules o Física experimental d’Altes Energies Física experimental d’Altes energies (HEP) OBJECTIU: estudiar les estructures fonamentals de la matèria. COM? Raons per altes energies: poder produir “noves” partícules amb gran massa (E=mc2) focalitzar l’atenció a petites escales (λ=h/p) 7

2) Model Estàndard: partícules elementals i forces

Complexitat / Simplicitat (físics insatisfets) Quarks: composen la majoria de les noves particules! Simplicitat (físics contents) Any Taula periòdica: suggereix estructura interna (estructura atòmica) Propietats partícules subatòmiques: suggereix estructura interna (quarks) 9

Partícules observades desprès del 1930 1940 1950 1960 e+ n m- m+ p+, p- K°, K+, K- p° L° X- S+ S- ...... i moltes més Antimatèria un electró pesat que són totes aquestes? i això? Vàrem passar de pensar que en hi havia només 3 (electró, protó i fotó) a tenir-ne 100, i cada una d’elles té la seva antipartícula (antimatèria). Com es podem agrupar segons propietats similars (com la taula de Mendeleyev) indica que tenen estructura interna: els quarks Tenim també electrons mes pesats i neutrins.

La “taula periòdica” de les partícules de matèria (fermions) (hadrons) Protó= uud Neutró= udd quarks leptons + les seves antipartícules (= ANTIMATÈRIA) NOTA. Falten els bosons: fotó (i similars) i el Higgs

La “taula periòdica” de les partícules d’intercanvi (bosons) Les 4 interaccions fonamentals Interacció entre partícules: el mecanisme d’intercanvi bosó Força forta: lliga els nuclis Força electromagnètica: lliga els atoms Força feble: desintegracions Força gravitatòria: lliga el sistema solar Taula de bosons el camp de Higgs Força bosó Electromagnètica fotó Forta Gluó (x 8) Feble W+, W-, Z0 Gravitatòria Gravitò (no descobert) Les partícules adquireixen massa interactuant amb el camp de Higgs Camp de Higgs Higgs

Observacions fora de l’actual model estàndard: 1)matèria fosca (23% de l’univers) En una galàxia típica la matèria fosca és 10 vegades la matèria visible. Quines partícules constitueixen la matèria fosca? CAP DE LES CONEGUDES!!!! 2) energia fosca (73% de l’univers) L’Univers s’expandeix: evidència del Big Bang Observació de Hubble (USA, 1929) …. però ho fa de forma accelerada!!! ¡L’ENERGÍA FOSCA DOMINA L’UNIVERS! …i no tenim ni idea del que pot ser !!!

3) El CERN: el laboratori de partícules més gran del mon

LHC: un accelerador de 27 km en el laboratori CERN CERN: el laboratori de partícules més gran del mon ..... on la web va néixer ! Cern 2500 empleats 5500 visitants (total 8000 registrats) 20 estats membres + US, Canadà, Japó , Rússia, Xina, Índia, ... 9 km LHC: Large Hadron Collider Dins d’aquest tub circulen protons en els dos sentits, a 99.9997828% de la velocitat de la llum, i xoquen en el centre dels detectors.

Algunes dades sobre l’LHC Els imants són superconductors Amb imants normals necessitaríem 100 Km en comptes de 27 La temperatura del sistema ha de ser de ‑271°C Només 1,9 graus per sobre del zero absolut La regió macroscòpica més freda de l’Univers (l’espai exterior està a 2,7 graus sobre el 0 absolut)) Longitud dels filaments de les espires dels imants: 5 vegades la distància Terra-Sol Energia de LHC igual a la d’un portaavions a velocitat de creuer Tanta electricitat com les llars del cantó de Ginebra Els protons: s’obtenen ionitzant hidrogen: 2 nanograms per dia

Els 4 detectors del LHC ... CMS

Alice 18

ATLAS 35 estats 150 universitats 2500 científics 19

LHCb 14 estats 46 universitats 660 científics Alguns de la UB, on som? 20

Que ens pot dir LHC sobre el model estàndard, nova física, el Big Bang i l'evolució de l'Univers? Big Bang: Les col·lisions entre les partícules a LHC es fan a les mateixes energies de les col·lisions que es produien en els primers instants del Univers (<0.0000000001 s). Origen de la massa de les partícules: el Higgs Per què domina la matèria sobre l’antimatèria en el Univers? Són els quarks i leptons fonamentals, o són compostos? Hi ha més tipus de partícules i forces que seran descobertes a més altes energies (supersimetria, dimensions extres...)? Quines partícules formen la matèria fosca? ......................

El primers protons Els primers estels e = electró q = quark = fotó Primers àtoms. Univers transparent al fotons Els primers estels

La partícula de Higgs en model estàndard El Model estàndard prediu inicialment partícules i bosons de intercanvi sense massa. Per introduir la massa es va proposar el mecanisme de Higgs l’any 64: La matèria ordinària només és el 4% de l'univers i aquest mecanisme explica només el 2% d'aquest part (la suma de la massa dels quarks del protó representa només el 2%, la resta és energia de lligam e=mc**2) Aleshores ¿es important? importantísssim doncs si les masses fossint diferents de les actuals l'univers seria molt diferent i no estaríem aquí.

2012: descobriment del Higgs probabilitat d’explicar les dades sense el higgs…… ….. i sembla que es desintegra tal i com prediu el model estàndard !!!! ATLAS & CMS es dediquen a estudiar aquesta partícula

Big Bang: la sopa de quarks i gluons A part de protons, LHC fa col·lisionar nuclis de plom per produir i estudiar aquest estat L’experiment ALICE es dedica a estudiar aquestes reaccions

El gran misteri: mirant cap a fora i endarrere en el temps ..... Experiment dedicat a estudiar la simetria matèria antimatèria El gran misteri: mirant cap a fora i endarrere en el temps ..... No hi ha evidencia d’igual contingut d’antimatèria i matèria en molts mils de milions d’anys llum en qualsevol direcció !!!!!

L'antimatèria Paul Dirac va predir la seva existència en 1928 a partir de la seva famosa equació. Aquesta implicava l’existència del positró: Massa positró = massa de l’electró Càrrega elèctrica del positró = +e Anderson descobrí en 1932 el positró predit per Dirac El nom misteriós d’antimatèria només ens diu que: si existeix un tipus de partícula amb una certa massa i càrrega (s), també existeix un altre tipus de partícula amb la mateixa massa però càrrega (s) oposada, a la que anomenarem antipartícula de la primera.

Producció d’antimatèria E = mc2 Einstein Energia matèria + antimatèria Foto en camera de bumbolles: las partícules carregades deixen traces que es corben degut a camps magnètics. Segons la seva càrrega es desviaran cap a la dreta o cap a l’esquerra.

Producció d’antimatèria E = mc2 Einstein Energia matèria + antimatèria Foto en camera de bumbolles: las partícules carregades deixen traces que es corben degut a camps magnètics. Segons la seva càrrega es desviaran cap a la dreta o cap a l’esquerra. e- e+ fotón Al CERN s’han arribat a produir àtoms d’antihidrogen

Aniquilació matèria-antimatèria mc2=E matèria + antimatèria Energia e + e - En la foto es pot veure un positró que s’aniquila amb un electró en repos, apareixent un fotó que mes tard es materialitza en una parella e+e-

Antimatèria en medicina Positron emission tomography (PET)

¿Es comporten igual l’antimatèria i la matèria? ¿Hi ha simetria matèria-antimatèria? ¿Es comporten igual l’antimatèria i la matèria?

¿Simetria matèria-antimatèria (C)? ¿Observen idèntics resultats si repetim el mateix experiment però ara amb antimatèria? Fem un experiment amb matèria: (boles, taula i tac de antimatèria) NO. Per exemple hem observat que en experiments de col·lisió entre partícules on participen neutrins, no hi ha tal simetria. Violació de la simetria C

¿Simetria matèria-antimatèria (CP)? ¿S’observen idèntics resultats si fem la imatge especular de l’experimento però ara amb antimatèria? Fem un experiment amb matèria: (boles, taula i tac de antimatèria) SI Violació de la simetria CP (rara però molt important per explicar el Gran Misteri…) , quasi sempre, però algun cop…. (fet d’antimatèria)

El Univers esta fet de matèria La matèria i l’antimatèria van aparèixer després del Big Bang però ara només hi ha matèria. Energia <-> matèria + antimatèria ¿on ha anat l’antimatèria? Hi ha d'haver una asimetria entre matèria i antimatèria que expliqui la victòria de la matèria durant la evolució de l'Univers. Un dels resultats i evidència de la darrera batalla matèria-antimatèria és la radiació de fons.

.. la violació de CP va permetre l’aparició d’un excés de matèria 1000000000+1 1000000000 Relíquies de la darrera batalla matèria-antimatèria que es va produir l’inici del temps: la radiació còsmica de fons 2) la matèria de la que estem fets.

... i és fàcil? 37

... i és fàcil? 38

... i és fàcil? ... només 10 traces interessants i això passa 15 milions de cops per segon 39

RESUM La física de partícules té com objectiu trobar quines son les “peces” fonamentals de la natura I com interactuen entre elles. TOTS els resultats de l’LHC obtinguts fins ara són compatibles amb el Model Estàndard (incloent el Higgs i l’assimetria matèria-antimatèria) L’LHC anirà donant els seus fruits durant els propers 15 anys que esperem siguin força excitants i productius (nova física?).