Juan Abel Barrio Uña Universidad Complutense de Madrid, Mayo 2008 Física Cuántica II Física de Partículas I Juan Abel Barrio Uña Universidad Complutense de Madrid, Mayo 2008 Charla de ~135 min. en 3 sesiones de ~45 min. Tiempos: 1 transp. de chica / 5 min. Principio 1ª sesion

Física de Partículas Ladrillos y cemento: FUERTE EM DEBIL ~5 min. Intro partículas y fuerzas asociadas a las distintas escalas Protón libre estable; neutrón libre inestable: desintegración vía interacc. Debil Fuerza fuerte uniendo quarks y, como residuo, nucleones, indep. de la repulsión electrostática. FUERTE DEBIL Intensidad: 10-2 10-5 1 Alcance:  10-3 fm 1 fm

Índice Fenomenología Modelo Estandar Física de Partículas Experimental Más allá Agradecimientos: Alonso & Finn; Serway & Jewett; Halzen & Martin; WWW via Google.

Índice Fenomenología Modelo Estandar Física de Partículas Experimental Partículas y antipartículas Más partículas Leyes de conservación Leptones y Quarks Modelo Estandar Física de Partículas Experimental Más allá

Partículas y antipartículas Positrones y otras antipartículas ~10 min. Fótos de trazas cargadas, bajo campo magnético Antiparticulas: definición. Ejemplo: positron, descubierto en 1932 (Anderson) Positron = antielectron -> misma traza, carga opuesta Creación de pares -> Momento cedido al nucleo Antimateria =! Anti”libros”: Antimateria = antiparticulas asociadas a sus partículas; anti”libros” imposibles de existir.

Partículas y antipartículas Un poco de teoría Ecuación de Dirac ~5 min. Ec. Dirac libre-> Extensión ec. Schroedinger para fermiones relativistas=> invariante Lorentz, con func. Onda de cuatro componentes (espinores) Diagramas Feynman: representación gráfica de interacciones y reglas para construir “secciones eficaces”. Breve descripción. Diagramas de Feynman:

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El Zoo de las Partículas Neutrinos S ~5 min. Postulación del neutrino para conservar momento en la desint. del neutron. Carga nula, masa casi nula, interac. debil => muy dificil de detectar (en los 50s) Desint. A traves diag. Feynman, via debil, a partir del modelo de quarks Helicidad: Antineutrinos n: qn=0 ; mn  0 (Pauli)

El Zoo de las Partículas Partículas en los Rayos Cósmicos ~5 min. Nuevas partículas subatomicas aparecidas en los rayos cósmicos RC: Qué son y de donde vienen. Importancia de la existencia de las nuevas partículas: ¿son piones y kanos parte de los nucleones? ¿donde estan en el nucleo? ¿por qué viven poco ? Características importantes: masa, carga, vida media. Otras cosas: masas relativas, muon penetrante, kaon extraño Rarito !!

El Zoo de las Partículas Detección de Partículas ~5 min. Detectores de la 1ª mitad siglo XX Cámara de burbujas: Líquido (hidrógeno líquido) sobre-calentado (isotermas de Andrews en Termodinámica) que evapora a la mínima perturbación Partículas cargadas ionizan a lo largo de su trayectoria formando nucleos de evaporación (gotitas): grosor de la traza proporcional a la ionización Imagen: Trazas fotografiadas de una haz de protones en cámara de burbujas, produciendo particulas neutras, que se desintegran produciendo Vs Cámara de niebla: Vapor subenfriado (sobresaturado) que licua => Partículas cargadas ionizan a lo largo de su trayectoria formando nucleos de condensacion (niebla) Cámara de Burbujas: Cámara de Burbujas: Cámara de Niebla: Isotermas de Andrews

El Zoo de las Partículas Partículas Inestables ~5 min. Desintegracion de partículas=> propiedades de la interac. que media la desintegración Vidas medias => intensidad de la interaccion Conservacion de la energía-momento => espectro de energía cinética de productos => nº de neutrinos Conservación de otras cantidades (carga, etc) => otras propiedades Comparativa de desintegracion de algunas partículas

El Zoo de las Partículas Aceleradores: más partículas, es la guerra !!! Fin 1ª sesion ~5 min. Aceleradores: sustitutos de los RC, que alcanzan más energía (en los productos) Idea basada en el experimento de Rutherford -> golpear fuerte a la materia a ver que pasa Esquema del experimemto con aceleradores: haz de partículas, blanco, productos, detección de los productos Esquema de un acelerador: Voltaje variable, y longitud de electrodos variable, para adecuarse al aumento progresivo de energía

Juan Abel Barrio Uña Universidad Complutense de Madrid, Mayo 2008 Física Cuántica II Física de Partículas II Juan Abel Barrio Uña Universidad Complutense de Madrid, Mayo 2008 Principio 2ª sesion

Física de Partículas Ladrillos y cemento: FUERTE EM DEBIL ~1 min. Poner en contexto FUERTE DEBIL Intensidad: 10-2 10-5 1 Alcance:  10-3 fm 1 fm

El Zoo de las Partículas Leptones: electrones y sus hermanos Puntuales Peso ligero Fuerzas Débil, EM E = mc2 mp ~ 1 GeV ¿¿ Ligero ?? Electrón y sus hermanos pesados: puntuales, y ligeros Leptones emparejados con sus neutrinos via debil; no sufren la interacc. Fuerte. Masa del tau comparable a la del proton => ¿tau puntual?

El Zoo de las Partículas Hadrones: mesones y bariones No puntuales Débil, EM, fuerte Peso medio Peso pesado Hadrones: Sí sufren la interacción fuerte, no son puntuales Spin cero: mesones, spin ½ bariones

El Zoo de las Partículas Partículas extrañas Producción por pares: (rápida  fuerte) Desint. lenta  débil Saltar por falta de tiempo Vértices interesantes debido a partículas neutras Extrañas porque siempre se producen por pares, muy rápido (via fuerte) y no se desintegran por pares, muy lento (vía débil)

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Leyes de Conservación Simetrías en acción Noether: Por cada simetría continua existe una cantidad conservada Simetrías espacio-temporales Traslación espacio-temporal  pi = cte, E = cte Dinámica Rotación  Li = cte Simetrías internas Cambio de fases globales  Qi = cte  Nos Cuánticos Simetrías útiles en física. Espacio-temporales =>leyes conservación habituales Simetrías internas: Fases globales => cargas conservadas y nuevos nº cuanticos => clasificación de partículas Fases locales => TQC => Dinámica Clasificación Cambios de fases locales  TQC Simetrías discretas: C, P, T

Leyes de Conservación Clasificación de partículas Conservación del Nº Leptónico: L Leptones: L=1; Antileptones: L = -1; Resto: L = 0 Cada familia leptónica tiene uno propio Le: 0 -1 +1 Le: 0 -1 0 Le: 0 0 +1 Conservación del Nº Bariónico: B Bariones: B=1; Antibariones: B = -1; Resto: B = 0 Nº leptónico=> clasificación y caracterización de interacciones Nº bariónico=> idem B:+1 +1 0 Le: 0 0 +1 -1

Leyes de Conservación Clasificación de hadrones Conservación de la extrañeza: S Fuerte B: 0 +1 +1 0 S: 0 0 -1 +1 OK OK Débil Saltar por falta de tiempo Creación rápida por pares => Intereacción fuerte que conserva un nuevo nº cuantico: extrañeza Desintegración lenta no por pares => interacc. Debil que no conserva extrañeza B: +1 0 +1 S: -1 0 0 OK NO

Leyes de Conservación Clasificación de hadrones (cont.) Tabla periódica S=+1 S=0 S=-1 K+ K0 K- p+ p- p0 _ h SPIN = 0 SPIN = 1/2 Tabla periodica de hadrones en funcion de nuevos nº cuanticos (extrañeza y otros -> Hipoercarga e isospin) => estructura ¡¡ Estructura !!

Leyes de Conservación Simetrías discretas: C, P, T Saltar por falta de tiempo Simetrias discretas C, P, T Desintegración del pion via debil (lenta) no conserva paridad (simetría derecha-izquierda) pero si CP, Equivale a que no hay antineutrinoos con helicidad negativa (left) Violación de paridad => consecuencias en la mdinámica de la interacc. debil Débil: viola C, viola P, conserva CP dinámica

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Leptones y Quarks Estructura de los hadrones e- a Rutherford 1912 Experimentos de estructura de hadrones equiv. A los de estructura del atomo: Alto Pt => estructura Particulas de prueba y energías distintas Jets de mesones como componente adicional en los experimenos de DIS. Explicacion en terminos de quarks y diag. Feynman

Leptones y Quarks Estructura de los hadrones (cont.): us _ SPIN = 0 ds du su K+ ud sd uu-dd Explicacion de todos los hadrones hasta ~1960, con tres quarks distintos (sabores) Organización en multipletes de SU(3) Multipletes de SU(3)

Leptones y Quarks Quarks: todos los sabores barion meson Modelo de quarks con carga fraccionaria Descubrimiento de otros quarks. Explicación de todos los hadrones con 6 sabores Bariones: 3 quarks, Mesones: pareja quark-antiquark

Leptones y Quarks Quarks: todos los colores D++ D++ Color R G B Exclusión Bariones incumpliendo el ppio. Exclusión según el modelo de quarks => Nuevo nº cuantico: Color Bariones con quarks de distintos colores Bonus de tener una nueva carga conservada => dinámica Necsidad

Leptones y Quarks Resumen final 1ª generación 2ª generación 0.1 GeV 1.8 GeV 175 GeV 1ª generación 2ª generación 3ª generación Tres generaciones, en función de la energía => ¿ quarks y leptones pesados fundamentales ? ¿Por qué se organizan en generaciones? => Interacción débil intra-generacional Quarks y leptones separados en tres familias E = mc2 mp ~ 1 GeV Materia ordinaria 1.7 GeV Rayos cósmicos 4.5 GeV Aceleradores

Leptones y Quarks ¿Sólo tres generaciones? ¡¡ SÍ !! Saltar si no hay tiempo Nº de generaciones: Estudio de colisiones e+e- a energías de LEP a todos los posibles canales

Leptones y Quarks Jerarquía de masas: Campo de Higgs Fin 2ª sesion Saltar si no hay tiempo ¿Por qué esa Jerarquía de masas?: Generación de masas via campo de Higgs Masa de las partículas: interaccion de estas con el Campo de Higgs, que permea el vacio como una “energía del vacio”

Leptones y Quarks ¿ Y las fuerzas ? Mediadores  TQC  Modelo Estandar EM DEBIL FUERTE Fin 2ª sesion Saltar si no hay tiempo ¿Cuáles son las fuerzas que median entre estas partículas fundamentales ? => Ver a continuación Mediadores  TQC  Modelo Estandar

Juan Abel Barrio Uña Universidad Complutense de Madrid, Mayo 2008 Física Cuántica II Física de Partículas III Juan Abel Barrio Uña Universidad Complutense de Madrid, Mayo 2008 Principio 3ª sesion

Física de Partículas Ladrillos y cemento: FUERTE EM DEBIL ~1 min. Poner en contexto FUERTE DEBIL Intensidad: 10-2 10-5 1 Alcance:  10-3 fm 1 fm

Índice Fenomenología Modelo Estandar Física de Partículas Experimental De la Mecánica Cuántica a QED Teoría electrodébil: SU(2)xU(1), Higgs. QCD Unificación Física de Partículas Experimental Más allá

Teoría Cuántica de Campos Física Antigua Mecánica Lagrangiana: Mecánica Cuántica: Breve recordatorio Dinámica Relativista:

Teoría Cuántica de Campos Mecánica Cuántica Relativista Ecuación de Dirac libre: Ecuación de Dirac con interacción: Ec. Dirac libre en notación “covariante” Lorentz (inv. Bajo transf. Lorentz) Ecuación de Maxwell:

Teoría Cuántica de Campos Simetrías en acción Noether: Por cada simetría continua del lagrangiano, existe una cantidad conservada Simetrías espacio-temporales Traslación espacio-temporal  pi = cte, E = cte Dinámica Rotación  Li = cte Simetrías internas Saltar por falta de tiempo Simetrías bajo cambios de fase local => dinámica Cambio de fases globales  Qi = cte  Nos Cuánticos Cambios de fases locales  TQC

Teoría Cuántica de Campos Electrodinámica Cuántica (QED) Fase local Lagrangiano libre Campo gauge (mediador)  Invariancia gauge local U(1) Campo del fotón Elementos de QED: Exigir invariancia del lagrangiano bajo cambio de fase local => derivada covariante =>campo gauge que medie en la interacción => campo del foton Cambios de fase local  operación del grupo U(1) Lagrangiano QED

Teoría Cuántica de Campos QED (continúa) Diagramas de Feynman (de verdad): Amplitud Sección eficaz s(nb) Diagramas (y reglas) de Feynman para construir amplitudes y secciones eficaces Seccion eficaz ~ probabilidad de transicion, en unidades de area Seccion eficaz de produccion de mu+mu- de QED y a energías de LEP

Teoría Cuántica de Campos QED (continúa): Renormalización Saltar por falta de tiempo Renormalización: Absorber los infinitos que aparecen en los diagramas de orden superior en las constantes medibles: carga, masa y momento magnético del electrón Cte de acoplo dependiente de la energía de la carga de prueba Carga eléctrica corredora:

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Teoría Electrodebil Corrientes cargadas y neutras QW QZ s(nb) Esquema similar a QED, pero más complejo, para Interacc. Debil W cambia sabor y carga; Z, como el gamma, no cambia ni sabor ni carga Cargas Q-W y Q_Z debiles. Seccion eficaz de produccion de mu+mu- de QED y a energías de LEP, incluyendo el diagrama con el Z0

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QCD Quarks y gluones coloreados Carga de color Confinamiento Quarks R, G, B Bariones “blancos”: RGB Mesones “negros”: RR Gluones GB _ Cte. de acoplo as Confinamiento Quarks con carga de color, con tres valores => invariancia gauge local bajo SU(3) Bariones y mesones sin color Gluones como mediadores, con color => vertices ggg,gggg; confinamiento Libertad asintótica Quarks vestidos

Modelo Estandar Resumen final Resumen de partículas e interacciones

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Índice Fenomenología Modelo Estandar Física de Partículas Experimental Aceleradores Detectores Beyond LHC Más allá

Aceleradores de partículas Colisionadores Más energía Baratos Radio de giro Mult. pruebas: e+ e-,pp,m+m-,… _ Colisionadores: explicar características E+e- limpio, a pesar de los jets P pbar muy sucio, pero alcanza más energía

Aceleradores de partículas Blanco fijo Sencillos Costosos Part. inestables p,n Saltar por falta de tiempo

Aceleradores de partículas _ LHC: Colisionador pp ultratodo 14 TeV en CM ¡¡27 km a 3 K !! 9 km LHC: p pbar por el tunel de LEP, con Ecm = 14 TeV Usa aceleradores previos Imanes superconductores a 3 K los 27 km del acelerador

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Detectores de partículas Las capas de la cebolla Compact Muon Solenoid Detectores 4 PI alrededor del pto. De colision Detector en forma de capas Imagen del gigantesco CMS (explicar el nombre), con precisiones de micras y keV-MeV en todo su volumen

Detectores de partículas CMS en acción Animacion de la detección de distintas particulas en CMS Muchas cámaras de muones en CMS: muones con Pt alto => física

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Beyond LHC Nuevos aceleradores 33 km Tesla Linear Collider Saltar por falta de tiempo

Beyond LHC Nuevos aceleradores Muon Collider Saltar por falta de tiempo

Mas allá Origen de la masa: Higgs Asimetría materia-antimateria Oscilaciones y masas de neutrinos SUSY, Gran unificación, supercuerdas … SUSY y todo eso lleva 20 años sobrevolando sin concretarse como modelo ni como medidas que lo falseen