Física de Partículas
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Física de Partículas J.J. Thompson descubridor del electrón Felipe J. Llanes Estrada, [email protected] Departamento de Física Teórica I, Fac. CC. Físicas Como ya hemos visto en las lecciones anteriores El Átomo está compuesto de tres partículas: Una elemental a fecha de hoy (el electrón) y dos con estructura propia (neutrón y protón) Unidades de energía: Unidades de longitud: eV keV MeV GeV TeV m nm pm fm am 1 GeV = 109 eV ¿Pueden verse las radiaciones? Contador Geiger Trazas de ionización: las partículas cargadas excitan o arrancan los electrones en un material, y al volver los átomos a su estado inicial, emiten luz Colision nuclear Desintegracion radiactiva Cadena de desintegración radiactiva Desintegraciones α sucesivas Emisión de nucleos de Helio 42He = α Desintegración beta: se emite electrón falta momento (impulso) -> partícula neutra o “neutrino” Diagramas de niveles: excitaciones nucleares o “isómeros” Entre ellas se producen transiciones γ Métodos de datación Antipartículas Tienen la carga eléctrica contraria Se aniquilan con las partículas produciendo Energía (normalmente radiación electromagnética) Ejemplos: Electrón--- Positrón Quark--- Antiquark Protón--- Antiprotón La nueva tabla periódica: El modelo estándar de las partículas elementales Primera partícula descubierta: el electrón con masa 0.511MeV y carga negativa Tubo de rayos catódicos: cañón de electrones Herramientas experimentales 1) ¿Cómo se aceleran las partículas? Se usan campos electromagnéticos. Y sólo se aceleran partículas cargadas. Ejemplo: Con un campo eléctrico aceleramos un protón (+1) en un sentido y un electrón (-1) en el otro ¿Dónde se usa este principio? Para producir mayores aceleraciones colocamos varios sistemas Pero hay que ir cambiando los polos de los generadores Eso es un ACELERADOR LINEAL Una máquina que realiza esta función, se llama cavidad aceleradora Para producir mayores aceleraciones colocamos muchos sistemas como el de antes EN SERIE Pero hay que ir cambiando los polos de los generadores Eso es un ACELERADOR LINEAL El efecto es generar una onda electromagnética a la que van “subidas” las partículas Otro truco para acelerar partículas es apantallar el campo cuando tiene la dirección incorrecta En práctica, se utilizan cavidades de radiofrecuencia, para generar ondas electromagnéticas En casa usais algo “parecido” en... Llegar a grandísimas energías es menos costoso si cada partícula usa la misma cavidad muchas veces... Por eso la mayoría de los aceleradores hoy son circulares Además se emplean como anillos de almacenamiento Otro ejemplo importante: el TeVatron (Fermilab): Descubrimiento del quark top Para hacer que las partículas giren se usan campos magnéticos Campo magnético Fuerza Velocidad VISTA SUPERIOR En realidad los aceleradores aceleran muchas partículas a la vez, formando un rayo o haz Los campos magnéticos también se usan para focalizar el haz, y que sea muy intenso Cavidades de radiofrecuencia e imanes son los ingredientes basicos para construir un acelerador Colisiones de iones pesados Herramientas experimentales 2) ¿Cómo se detectan las partículas? Ya sólo nos falta detectar las partículas para estudiar cómo se comporta necesitamos... ¿Cómo se detectan las partículas y se observan sus propiedades ? Las partículas cargadas ionizan los materiales a su paso... dejando un rastro Se puede medir la carga de la partícula basándose en la intensidad de la traza En un campo magnético las partículas con distinto signo, giran en sentidos OPUESTOS De ese modo se detecta la carga Los primeros detectores eran cámaras de burbujas con un campo magnético Y se fotografiaban las trayectorias de las partículas, que dejaban burbujas a su paso Los cálculos se hacían a mano... Hoy día los experimentos son enormes ALEPH@LEP ATLAS@LHC Y el análisis de datos está computerizado Todos los experimentos tienen tambien grandes imanes Cuando se produce una colisión... Los detectores envían la señal a ordenadores y las partículas cargadas se detectan de forma similar a las antiguas cámaras de burbujas Tanto las partículas neutras como las cargadas se detectan cuando chocan y depositan energía (calor) en los calorímetros Métodos teóricos Los diagramas de Feynman: representan una operación matemática mediante un dibujo Cálculos de Montecarlo: Se calculan probabilidades de un suceso en un superordenador Hacía falta organizarse ... Partículas compuestas: “HADRONES” Dispersión neutron-proton: importante para ángulos cerca de 0 y 180 Interpretación: fuerza de intercambio Antes del choque Tras el choque Bajo ángulo Gran ángulo El protón y el neutrón se han intercambiado Intercambio de una particula llamada pión n + π+ p + πp + π0 p n p Fuerza nuclear fuerte de corto alcance V(r) = g e-mr / r Intercambio de piones Partículas “extrañas” Aquí, una “Lambda” (partícula neutra) decayendo a protón-pión Hace falta un nuevo quark “Extraño” EL MODELO DE GELL-MANN qqq q̄ q MESONES Predicción ! BARIONES LA HIPÓTESIS DEL COLOR ∆ ++ → u↑u↑u↑ prohibido por el principio de exclusión de Pauli ∑ u↑u↑u↑ colores Combinación de colores para dar hadrones “blancos” (no vemos el color) Los quarks up y down (constituyentes del protón y neutrón) Dispersión muy inelástica de electrones sobre un blanco de hidrógeno (protón) Chorros (o Jets) Los quarks están “confinados”, no se propagan (no hay trazas con carga fraccionaria) Pero dejan una señal distintiva: chorros de partículas secundarias Estructura del átomo con quarks La nueva tabla periódica: El modelo estándar de las partículas elementales Partículas “extrañas” Aquí, una “Lambda” (partícula neutra) decayendo a protón-pión Hace falta un nuevo quark “Extraño” Los portadores de las fuerzas entre partículas Fotón, Gluón, Bosones débiles Electrodinámica cuántica: teoría de las interacciones electromagnéticas 2 e 1 α EM = ≈ 4π 137 Creación e+e- Dispersión Compton Radiación de frenado Fotografía en una cámara de burbujas Creación par electrón-positrón (verde) Efecto Compton (rojo), Radiación de frenado (violeta) Electrones de ionización (azul) Descubrimiento del gluón 1979, DESY, Alemania Sucesos de tres chorros Interpretación teórica Desintegración beta del neutrón Partículas mediadoras de la fuerza débil W+W- ---> dos pares q/antiq ---> cuatro chorros Z ---> quark antiquark ---> dos chorros Gravitatoria Electromagnética Nuclear Fuerte Nuclear Débil Hacen falta masas grandes, apenas la sienten las partículas elementales Actúa sobre partículas cargadas. Responsable de que los electrones giren en los átomos y de que éstos se combinen Mantiene a los quarks unidos y a los protones y neutrones dentro del núcleo Responsable de desintegraciones radioactivas o de que quarks pesados decaigan. El muón: una copia del electrón Detectado originalmente en los Rayos Cósmicos Mµ ~ 200 Me ¿Quién ha pedido todo esto? I.I.Rabi La nueva tabla periódica: El modelo estándar de las partículas elementales Los quarks pesados c,b se desintegran tras viajar unas micras/milímetros; se fotografían en un “detector de vértices” El quark top ... Es demasiado inestable para fotografiarlo Se reconstruye su desintegración La partícula más pesada conocida 175 000 MeV La nueva tabla periódica: El modelo estándar de las partículas elementales El leptón tau: otra copia del electrón pero más pesado (1800 MeV) Se propaga unas micras La nueva tabla periódica: El modelo estándar de las partículas elementales Colisión “elástica” neutrino-protón Por solamente ver la interacción débil es complicado detectarlos SuperKamiokande, SNO,etc. Hoy día, el Modelo Estándar está verificado experimentalmente de forma muy precisa. Aún así, existen muchas cuestiones abiertas en Física de Partículas, como: Masas de neutrinos, neutrinos solares,… SUPERKAMIOKANDE (Japón) El Plasma de Quarks y Gluones, diagrama de fases. RHIC (NY), ALICE-LHC (CERN) Unificación de las fuerzas fundamentales → “Teorías de Todo” ... Además, la investigación básica en partículas tiene varios frutos... Los científicos necesitamos llevar al límite la tecnología e incluso inventar nueva tecnología ordenadores WWW (se inventó en el CERN) Superconductividad a nivel industrial Nos permite entender de qué y cómo estamos hechos nosotros y todo lo que nos rodea Actividad 17 de abril “Partículas y Aceleradores” Facultad CC.Físicas Hora: 19,30 (llegad lo más temprano posible) Actividad 17 de abril “Partículas y Aceleradores” Puntos de encuentro Facultad CC.Físicas 19,20-19,30 rellano de la puerta principal, planta baja 19,30-19,40 laboratorio de física (sótano, a mano dcha.) 19,40-19,55 vitrinas-museo de la escalera central 20,00-21,00 aula de informática, cuarta planta Este
