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Medidas en Física de Partículas
(Identificación y Reconstrucción
de la resonancia J/Ψ)
M.I. Josa
CIEMAT
22 Marzo 2011
Índice
o Conservación de la energía y del momento
o ¿De qué están hechas las partículas ?
o La partícula que vamos a estudiar esta tarde
2
Conservación de la
energía y del momento
3
Conservación de la energía
Energía potencial
Energía cinética
4
Choque elástico
o Una bola de billar choca contra otra que está en
reposo. La primera se desvía de su trayectoria y
la segunda abandona el reposo y empieza a
moverse
5
Choque elástico
o Estado inicial:
p1 = mv1, p2 = 0
E1 = ½ mv12, E2=0
o Estado final:
p1´ = m v1´, p2´ = mv2´
E1 = ½ mv1´2, E2= ½ mv2´2
o p1+ p2 = p1´+ p2´
o E1+ E2 = E1´+E2´
Bola 1
Bola 1
Bola 2
6
Choque elástico
o Estado inicial:
p1 = mv1, p2 = 0
E1 = ½ mv12, E2=0
o Estado final:
p1´ = m v1´, p2´ = mv2´
E1 = ½ mv1´2, E2= ½ mv2´2
o p1+ p2 = p1´+ p2´
o E1+ E2 = E1´+E2´
p2´
p1´
p1
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Choque inelástico
v
v
p1 = −mv
p2 = mv
Ecinética,1 = ½ mv2
Ecinética,2 = ½ mv2
o La energía cinética de los coches se convierte en energía
de deformación, calorífica, acústica ...
o El momento lineal se conserva: pfinal = 0
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Inciso: Momento y energía de las partículas
o La velocidad de las partículas que colisionan en el
LHC y de las partículas resultantes de la colisión es
prácticamente la velocidad de la luz, v = c – 39 km/h
(c=300.000 km/s)
o En una carrera a la luna,
la luz gana a un protón
del LHC por 14 m,
después de un viaje de
384.500 km
γ
p
9
Mecánica relativista
o Mecánica clásica (I. Newton)
Momento: p = m ⋅ v
Energía: E = ½ m ⋅ v2
o Mecánica relativista (A. Einstein)
Momento: p = m ⋅ v / (1-β2)½
β = v/c
Energía: E = [p2c2+m2c4]½
Energía y masa son equivalentes
10
Choque elástico
11
Choque elástico
o Se parece mucho a lo
que hemos visto antes
12
Choque inelástico
o Energía total = Masa de los proyectiles + Energía
cinética de los mismos
p
p
-p
p
Energía disponible para
generar partículas de
naturaleza diferente
13
¿De qué están hechas
las partículas?
14
nuestra materia
(de momento puntual)
15
Constituyentes de la materia hadrónica
o ¿ Qué es esto ?
16
Constituyentes de la materia hadrónica
o Tres familias
u de quarks
d
c
s
t
b
o Cada vez más
masivos
o Tres colores: Verde, Azul y Rojo
o Número cuántico de
(no es como el color
que vemos con los ojos)
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Constituyentes de la materia hadrónica
o Quark de color rojo
o Antiquark de color
antirrojo
18
Leptones
νe
νμ
ντ
ν
leptones cargados
electrón (e)
muón (μ)
Cada vez más masivos
tau (τ)
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Choque inelástico
o Energía total = Masa de los proyectiles + Energía
cinética de los mismos
p
-p
Energía disponible para
generar partículas de
naturaleza diferente
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Cómo combinarlos
o Las partículas tienen que
ser estados neutros de
color, esto es, de color
blanco
o Tres quarks: un quark de
cada color Æ Barión
o Un quark de color y un
antiquark (no
necesariamente igual) de
anticolor Æ Mesón
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No vemos quarks, vemos jets
La fuerza fuerte
confina a los quarks.
jet 1
q
q
. Experimentalmente
vemos
jets (chorros) de partículas
jet 2
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Todo un zoo de partículas
o Con los nuevos aceleradores y detectores,
tuvimos acceso a todo un zoo de partículas:
Mesones
π0
uu
π+
ud
π−
du
η
dd
K0
ds
K+
us
K−
su
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Los bariones más ligeros
Bariones
p
uud
n
udd
Σ+
uus
Σ0
uds
Σ−
dds
Ξ0
uss
Ξ−
dss
Ω−
sss
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¿Que es una partícula ?
o Un estado ligado estable.
o Picos en una gráfica de frecuencias
(cuantas veces se produce un estado
final de una cierta masa)
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Las partículas se desintegran
o No es una situación estable indefinidamente
o Las partículas se desintegran convirtiéndose en otras, más
ligeras
o El ritmo de desintegración dependerá del mecanismo de
desintegración (fuerte, débil)
Sigue una ley
exponencial
N(t) = N0 exp (−t/τ)
Anchura Γ
Γ∝1 / τ
Masa
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¿ Y la partícula de hoy ?
o Se predijo la existencia de un cuarto “quark”
(Glashow, Iliopoulos, Maiani)
u
c
e-
µ-
d
s
νe
νμ
El modelo Estándar en
1970
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Descubrimiento del quark “charm” (encanto)
o Noviembre de 1974:
Descubrimiento de un estado ligado cc en
dos experimentos independientes
o 'Psi' en SLAC (Burt Richter)
o 'J' en Brookhaven (Sam Ting)
J/Ψ (psi)
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¿Qué le pasa a la partícula J/Ψ ?
o Se desintegra
rapidísimamente en
partículas más ligeras,
que a su vez se pueden
desintegrar.
o Nosotros observamos las
que son estables
J/Ψ Æ Hadrones
(combinaciones
de quarks)
J/Ψ Æ e+e−
J/Ψ Æ μ+ μ−
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¿ Qué le pasa a la partícula J/Ψ ?
o Producción de la
partícula J/Ψ
pp Æ J/Ψ + otras
cosas
J/Ψ Æ μ+ μ−
o La partícula J/Ψ vive
muy poco ~10-20 s
o Partículas que vemos:
μ +, μ −
¿Cual es la masa, el momento y la
energía de esta partícula, J/Ψ ?
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Reconstrucción de la partícula J/Ψ
o La suma de los momentos de las partículas finales
es igual al momento de la partícula inicial
o La suma de las energías de las partículas finales es
igual a la energía de la partícula inicial
pJ/Ψ = pμ+ + pμpμ
pμ
EJ/Ψ = Eμ+ + EμQ(μ+) = +1
Q(μ−) = − 1
Q(J/Ψ )= 0
mJ/Ψ = (E2J/Ψ − p2J/Ψ c2)½ / c2
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El detector CMS
ECAL Scintillating PbWO4
Crystals
SOLENOID
3.8 T B-field
CALORIMETERS
HCAL Plastic scintillator/
brass
sandwich
TRACKER
MUON
ENDCAPS
MUON BARREL
Silicon Strips
Pixels
Drift Tubes
(DT)
Resistive Plate
Chambers (RPC)
Cathode Strip Chambers (CSC)
Resistive Plate Chambers (RPC)
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Reconstrucción
de Muones
x
x
x
Reconstrucción en el
detector de trazasÆ Tracker
Muon
x
Reconstrucción en el
detector de
muonesÆStandAlone Muon
x
x
x
xx
x
x
Junto los dos trozos Æ
Global Muon
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Un suceso real de producción y desintegración de J/Psi
Vista perpendicular al
campo magnético
Dos muones, de
carga opuesta
Detectados en las tapas del
detector de muones
Vista paralela al campo
magnético
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Un suceso real de producción y desintegración de J/Psi
Representación 3D
Dos muones, de carga opuesta
Se detectan en el detector de
muones de las tapas de CMS
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Ejercicio de la tarde
o Visualización de sucesos candidatos a ser
partículas J/Ψ producidas en interacciones pp
del LHC y recogidos por el experimento CMS
o Clasificación de los candidatos:
o SI pueden ser J /Ψ, ¿ por qué ?
o NO, ¿ por qué ?
o Cálculo de la masa de la partícula J/Ψ
o Representación gráfica del resultado
o Discusión
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http://cms.web.cern.ch/cms/Media/Publications/CMStimes/2011/03_07/index.html
37
Un suceso real de producción y desintegración de J/Psi
38
Partículas e Interacciones
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