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

2 preguntas fundamentales ¿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 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 ?

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… Electrón Átomo Átomo 10-10 m Núcleo 10-14 m Protón Neutrón Quarks Protón 10-15 m …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)

¿Por qué las partículas del Modelo Estándar tienen las masas que tienen? 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 Cuanto más fuerte es la interacción más masiva será la partícula. Las partículas sin masa no interaccionan con el campo

El mecanismo de Higgs