Módulo 1 Física de partículas Carlos Pajares, Jaime Álvarez Muñiz, Carlos Salgado Departamento de Física de Partículas & Instituto Galego de Altas Enerxías Universidade de Santiago de Compostela

¿De qué está hecho el mundo que nos rodea? ¿Qué lo mantiene unido? 2 preguntas fundamentales

¿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 ? 1 1/2 1/2 2 1/2 3 1/2 4 1/2 5 1/2 6 1/2 7 1/2 8 1/2 9 1/2 10 1/2 11 1/2 12 1/2 13 1/2 14 Si hacemos esto mismo otras 70 veces !! llegaremos a conseguir UN ÁTOMO. Busquemos un trozo de materia trocitos

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

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). El átomo se puede dividir !

Evidencia de subestructura en el átomo (Rutherford 1911) Partículas alpha radiactivas (carga positiva) Pero… ¿y el núcleo?, ¿es indivisible ? 1 Angstrom = m

El núcleo se puede dividir ! El núcleo contiene protones de carga +e y neutrones sin carga m Pero… ¿y los protones y neutrones?, ¿son indivisibles ?

u d u u d d Protón Neutrón Los protones y neutrones también se pueden dividir ! 1 fermi = m Neutrones y protones contienen “quarks” up and down Pero… ¿y los quarks?, ¿también se pueden dividir?

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

…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... En resumen… Electrón Átomo Átomo m Núcleo m ProtónNeutrónQuarks Protón m

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

¿Existen más partículas elementales? Los físicos han descubierto cerca de 200 partículas… Y siempre se hacen la misma pregunta… ¿serán verdaderamente indivisibles?. Ya sabemos que existen: Quarks up & down, electrones y fotones K 0 K - K +  +  0  -  0  +  -  +  -  -  ++   J  Hadrones     e       Leptones … y más e 

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

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

Aniquilación electrón-positrón e-e- e+e+     La aniquilación produce energía electrón (materia) Se producen nuevas partículas y antipartículas positrón (antimateria) e + e - → D + D - E = mc 2 La materia se puede convertir en energía y viceversa: Excelente forma de producir nuevas partículas La masa es una forma de energía. Nº de partículas = Nº antipartículas

¿Cuánta energía tiene la materia? + = 1 gramo de materia 1 gramo de antimateria Liberan una energía equivalente a la explosión de una bomba atómica E = mc 2

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

CONFINAMIENTO DE LOS QUARKS Los quarks no existen en estado libre. Si trato de separar dos quarks se forman hadrones (chorros de partículas) Hadrón E = mc 2 La energía se puede convertir en masa

LOS LEPTONES e,  y  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) Electrón = gato Tau = 85 tigres Muón = 10 leones Neutrinos < pulgas Los leptones pueden existir como partículas libres.

NEUTRINOS 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) 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 FuerteElectromagnética GravitatoriaDébil carga eléctrica masa carga débil carga de color

Ejemplos de interacciones entre partículas Repulsión electromagnética entre dos electrones mediante intercambio de un fotón Aniquilación débil de electrón y positrón y conversión en muón negativo y positivo mediante intercambio de un Z 0 El resultado final también puede ser un e - e +, un  -  + o un quark-antiquark (que al separarse producirán hadrones) e-e- e+e+ -- ++ q anti-q R.P. Feynman

MODELO ESTÁNDAR PARTÍCULAS ELEMENTALES QUARKS LEPTONES 3 FAMILIAS PARTÍCULAS PORTADORAS DE FUERZA Fotón  : Electromagnética (quarks y leptones cargados) Gluón g  : Fuerte (quarks) W +, W -, Z 0 : Débil (quarks y leptones) INTERACCIONES FUNDAMENTALES

¿Por qué las partículas del Modelo Estándar tienen las masas que tienen? Cuanto más fuerte es la interacción más masiva será la partícula. Las partículas sin masa no interaccionan con el campo Peter Higgs sugirió un mecanismo por el cual las partículas adquieren masa mediante la interacción con un campo (como un campo eléctrico o gravitatorio) que llena todo el espacio y que las “frena”. Peter Higgs

El mecanismo de Higgs