Física de Partículas

Anuncio
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
Descargar