Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg1 FRONTERAS EN LA FÍSICA DE PARTÍCULAS A.P.F.U. Trinidad Setiembre 2004 Gabriel González Sprinberg INSTITUTO DE FÍSICA, FACULTAD DE CIENCIAS

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg2Temario Introducción Higgs Neutrinos Materia Oscura

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg3 INTERACCIONES FUNDAMENTALES (FUERZAS)

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg4 Partículas y Escalas Escala en

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg5 Historia de la unificación de las fuerzas gravity electric magnetic  -decay  -decay  -decay planets apple electromagnetiesm atoms Quantum mechanics mechanics Special relativity Quantum ElectroDynamics Weak force Strong force Electroweak theory Grand Unification? GR String theory?

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg6Experimentos

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg7 Tevatron en Fermilab

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg8CERN

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg9 Partículas y Cosmología

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg10 Aceleradores y Cosmología

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg11 Aceleradores en el tiempo

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg12 Ruptura espontánea de la simetría Boson de Higgs Generación de masa

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg13 Masa en Teoría de Campos Ondas planas  resorte L = p 2 /2m + k/2 x 2 Partícula libre con masa  Ondas plana L masa  v W  W 

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg14 Ruptura espontánea de la simetría

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg15 Higgs y generación de masa L INT  L masa  W  W  TÉRMINO DE MASA !!

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg16 Boson de Higgs y masa del W

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg17 Boson de Higgs y los experimentos

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg18 Boson de Higgs Datos actuales combinados con las predicciones teóricas del Modelo estándar: m H < 196 GeV (95%CL) m H > 113 GeV (95%CL) Tevatron en el Fermilab puede descubrir o excluir el boson Higgs del SM en el 2008

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg19 Large Hadron Collider (LHC):TeV proton-proton colisionador energía 14 TeV (cf. Fermilab) En construcción en CERN, Geneva Europeo en su mayoría Contribuciones de US, Japan, Canada Comienzo en ~2007

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg20 CERN - LHC

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg21 Producción en LHC

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg22 Boson de Higgs en el LHC LHC puede descubrir el boson de Higgs predicho por el SM, de cualquier masa, en 3 años! Medirá masa y cociente de acoplamientos

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg23 Algo más puede aparecer en el LHC HIGGS SUPERSIMETRÍA, DIMENSIONES EXTRA, LEPTOQUARKS...???

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg24 NEUTRINOS Un puzzle de 70 años

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg25 Desde el Big Bang: –Cuando el Universo estaba caliente, los neutrinos se crearon junto con las otras partículas –Quedan unos cuantos: ~300 neutrinos por cm 3 Vienen del SOL: –Trillones de neutrinos pasan por este salón cada segundo No los vemos: –Para detenerlos se necesita una pared de hierro de 3 años luz... Los NEUTRINOS están presentes

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg26 Problemas con el espectro Beta Tres tipos de radioactividad :   con espectro discreto porque E   = E i – E f Pero el espectro  es contínuo! Bohr: At the present stage of atomic theory, however, we may say that we have no argument, either empirical or theoretical, for upholding the energy principle in the case of b-ray disintegrations

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg27 Idea desesperada de Pauli Idea desesperada de Pauli

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg28 Tres tipos de Neutrinos Tres neutrinos Y no más

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg29 Los Neutrinos son zurdos

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg30 Los neutrinos no deben tener masa Todos los neutrinos izquierdos  sin masa Con masa no pueden ir a la vel. de la luz. Ahora los neutrinos son derechos??  contradicción  no tienen masa

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg31 Neutrinos: tienen masa ? Pauli apostó una caja de champagne asegurando que nadie encontraría los neutrinos Finalmente, Cowan y Reines lo hicieron usando un reactor nuclear en 1958 Neutrinos sin masa en el Modelo Estándar (‘60s) Evidencia masa neutrinos SuperK (1998) y SNO (2002) Primera evidencia que el Modelo Estándar mínimo de las partículas elementales es incompleto! 2002 Nobel : Davis Koshiba

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg32 Mucho esfuerzo desde los ’ Finalmente se encontró evidencia convincente de “oscilación de neutrinos” Los neutrinos parecen tener una masa pequeña pero finita Neutrinos: mucho trabajo y gente

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg33 Super-Kamiokande (SuperK) Mina Kamioka en Japón ~1000m bajo tierra 50kt agua Detector interno –11,200 PMTs Detector externo –2,000 PMTs

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg34 SuperKamiokaNDE Experimento del decaimiento del Nucleon p  e +  0, K +, etc –No observados aun –Fondo de neutrinos atmosféricos Rayos cósmicos isotrópicos –Neutrinos atmosféricos simetricos arriba-abajo

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg35 Mitad de  perdidos! teoríaexperimento

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg36 Oscilaciones de dos-neutrinos Cuando son producidos (ej.,  +  +  ), los neutrinos son de un tipo particular No más 100% , parcialmente  ! ( Pontecorvo ) “Probabilidad de supervivencia” para  después de t

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg37 Probabilidad de superviviencia La mitad de los que atraviesan la tierra se pierden p=1 GeV/c, sin 2 2  =1  m 2 =3  10 –3 (eV/c 2 ) 2

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg38 Resumen de resultados atmosféricos

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg39 Más por venir # eventos si no hay oscilacion # eventos observados: 56 MINOS (IL  MN) 2005 OPERA/ICARUS (CERN  GS) km

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg40 Neutrinos solares La fusión nuclear produce mucha energía Porqué brilla el SOL?

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg41 NO los recibimos todos...

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg42 Los neutrinos oscilan ? Explica los datos Problemas con el modelo del sol? Problemas con los experimentos? Problemas con la física de neutrinos? LMA LOW

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg43 SNO

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg44

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg45 SNO al rescate Corrientes cargadas : e Corrientes neutras : e +  +    vienen del sol!

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg46 Neutrinos equivocados Neutrinos equivocados Sólo e son producidos en el sol Neutrinos equivocados  vienen del sol! De alguna forma algunos de los e se convierten en  en su camino desde el centro del sol al detector  Oscilación de neutrinos!

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg47 Nuevas preguntas Porqué tienen masa? Porqué tan pequeña? Se ha visto diferencias de masas. Cuáles son las masas? Es necesario un cuarto neutrino? Son los neutrinos y anti-neutrinos iguales? Como se extiende el Modelo Estándar para incorporar neutrinos masivos?

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg48 Materia Oscura (no emite radiación electromagnética) Predicha por el modelo inflacionario Big Bang Las evidencias experimentales son gravitacionales - movimiento de brazos espirales viola las leyes de Kepler - idem con estrellas en brazos espirales exteriores - velocidad de rotación de galaxias alrededor de los centros de cluster - nubes de gas caliente observado alrededor de las galaxias debería escapar - lentes gravitaciones en desacuerdo con materia luminosa observada

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg49 Rotación de Galaxias Gravedad: G M(r) / r 2 = v 2 / r masa encerrada: M(r) = v 2 r / G velocidad, v radio, r Estrellas luminosas son una pequeña fracción de la masa de la galaxia

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg50 Candidatos neutrinos masivos? materia ordinaria (bariónica) que no radía? - polvo interestelar - enanas blancas oscuras, agujeros negros pequeños (MAssive Compact Halo Object) WIMP (partículas masivas débilmente interactuantes) ? axiones (asociados con QCD)? menos del 18% menos del 30% principal candidato  WIMPS/s/kg en la tierra cotas muy fuertes en su masa

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg51 Energía y materia Dark Energy (~70%) Stars (~2%) Baryonic DM (~3%) Non baryonic DM (~25%)

Setiembre 2004 APFU-TrinidadG.González Sprinberg52 Conclusión

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