masterclass 2007 jaime Álvarez muñiz departamento de física de partículas & instituto galego...
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Masterclass 2007
Jaime Álvarez Muñiz
Departamento de Física de Partículas &
Instituto Galego de Altas Enerxías
29 Marzo 2007Facultade de Física
PREÁMBULO
Pero…¿para qué estudiar Física?
El problema
¿La solución?
Vaya pues ahora tenemos... 2 problemas !!
¿ Y ahora qué ?
Bueno, vamos a ver ahora…
Problema 1 resuelto
Moraleja de la historia: La Física tiene un
papel crucial en el día a día!
pA
a P
a P > A p
Problema 2resuelto
¿Pero cómo… todavía pensáis que la Física no es divertida?
FIN DEL PREÁMBULO
1a PARTEEl mundo de las partículas
¿De qué está hecho el mundo que nos rodea?
¿Qué lo mantiene unido?
Tengo 2 preguntas para usted… Prof. Albert EinsteinSr. Zapatero
¿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 ?
1 1/2 1/22 1/23 1/24
1/25 1/26 1/27 1/28 1/29
1/210 1/211 1/212 1/213 1/214
Si hacemos esto mismo otras 70 veces !! llegaremos a conseguir UN ÁTOMO.
Busquemos un trozo de materia, por ejemploooo…
16384 trocitos
CHOCOLATE !!
El átomoDemócrito (S. V-VI a.C. ):
Toda la materia está constituída de partículas INDIVISIBLES llamadas ÁTOMOS
Pero… ¿es realmente el átomo indivisible ?
TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS
D. Mendeleev (1869)
Helio (He)
Neon (Ne)
Todos, pero todos todos, los átomos tienen un núcleo cargado positivamente, y electrones con carga negativaorbitando alrededor.
(El electrón fue descubierto por J.J. Thomson en 1897).
El átomo se puede dividir !
Evidencia de subestructura en el átomo
(Rutherford 1911)
Partículas alpha radiactivas
(carga positiva)
Pero… ¿y el núcleo?, ¿es indivisible ?
1 Angstrom =10-10
m
El núcleo se puede dividir !
El núcleo contiene protones de carga +e y neutronessin carga.
10-14
m
Pero… ¿y los protones y neutrones?, ¿son indivisibles ?
u
d
u
u
dd
Protón
Neutrón
Pues no…los protones y neutrones
también se pueden dividir !
1 fermi = 10-15
m
Neutrones y protones contienen “quarks” up and down
Pero… ¿y los quarks?, ¿también se pueden dividir?
<10-18
m
? No hay evidencia experimental
Pero… ¿y los quarks?,
¿también se pueden dividir?
u
d d
¿Y los electrones?, ¿se pueden dividir?
Hay evidencia experimental de que no…
QuarksNeutrónElectrón
MATERIA ~ 10-9 m ÁTOMO ~ 10-10 m NÚCLEO ~ 10-14 m NUCLEÓN ~ 10-15 m
ProtónÁtomo
…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...
En resumen… Prof. Einstein…
Otra partícula elemental: el fotón
La “luz” está formada por partículas llamadas fotones
El efecto fotoeléctrico:
Un haz de “luz” puede arrancar electrones de la materia.
Luz incidente Electrones arrancados
Einstein (1905)
¿Existen más partículas elementales?
Los físicos han descubierto cerca de 200 partículas…
Y siempre se hacen la misma pregunta… ¿serán verdaderamente indivisibles?.
Ya sabemos que existen: Quarks up & down, electrones y fotones
K0
K-
K+
+
0-
0
+
-
+ --
++
J
Hadrones
e
Leptones
… y más
e
6 QUARKS
6 LEPTONES
La materia ordinaria está formada por quarks u y d, y por electrones
Las 3 familias de partículas elementales
(Todos los hadrones están formados por combinaciones de qq o qqq)
Las 3 familias
_
(Indivisibles = elementales)
Además, por cada partícula elemental hay… una antipartícula
Electrón e-
Anti-electrón e+ (positrón)
Aniquilación electrón-positrón
e- e+
La aniquilación produce energía
electrón (materia)
Se producen nuevas partículas y antipartículas
positrón (antimateria)
e+e- → D+D-
E = mc2
La materia se puede convertir en energía y viceversa:
Excelente forma de producir nuevas partículas
La masa es una forma de energía.
Nº de partículas = Nº antipartículas
¿Cuánta energía tiene la materia?
+ =
1 gramo demateria
1 gramo deantimateria
Liberan una energía
equivalente a la explosión de una bomba atómica
E = mc2
LOS 6 QUARKS
Todos los hadrones están formados por combinaciones de qqq o qq
Los quarks tienen carga eléctrica fraccionaria
Gell-Mann (1963)
-
CONFINAMIENTO DE LOS QUARKS
Los quarks no existen en estado libre.
Si trato de separar dos quarks se forman hadrones (chorros de partículas)
Hadrón
HadrónHadrón
E = mc2
La energía se puede convertir en masa
LOS LEPTONES
e, y 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)
Electrón = gato
Tau = 85 tigres
Muón = 10 leonesNeutrinos < pulgas
Los leptones pueden existir como partículas libres.
NEUTRINOS
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)
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
Gravitatoria Débil
carga eléctrica
masacarga débil
carga de color
Ejemplos de interacciones entre partículas
Repulsión electromagnética entre dos electrones mediante intercambio de un fotón
Aniquilación débil de electrón y positrón y conversión en muón negativo y positivo
mediante intercambio de un Z0
El resultado final también puede ser un e-e+, un -+ o un quark-antiquark (que al separarse producirán hadrones)
e-
e+
-
+
q
anti-qR.P. Feynman
MODELO ESTÁNDAR
PARTÍCULAS ELEMENTALES
QU
AR
KS
LE
PT
ON
ES
3 FAMILIAS PA
RT
ÍCU
LA
S P
OR
TA
DO
RA
S
DE
FU
ER
ZA
Fotón : Electromagnética
(quarks y leptones cargados)
Gluón g: Fuerte
(quarks)
W+, W-, Z0: Débil
(quarks y leptones)
INTERACCIONES FUNDAMENTALES
partícula Higgs
Fin de la 1a PARTE
2a PARTEExperimentos en
Física de Partículas
¿Cómo trabajan los físicos de partículas?
Dos pasos básicos
1ª Encontrar una fuente de partículas, acelerarlas hasta que alcancen grandes energías y hacerlas chocar entre ellas o contra un blanco.
2ª Estudiar las partículas resultantes de esas colisiones en detectores y sacar conclusiones acerca del interior de la materia.
Es como en una radiografía…
Bombardeamos partículas (fotones = rayos X) contra un
blanco (cuerpo humano) y de lo que observamos en el detector
(la radiografía) sacamos conclusiones acerca de lo que
hay dentro…
¿Por qué queremos acelerar partículas a altas energías?
(1) Equivalencia ó dualidad onda-corpúsculo
E = h c /
constante de Planck longitud de onda
Cuanta más energía más pequeña es la longitud de onda asociada a la partícula y podremos ver estructuras más pequeñas (el interior de los quarks tal vez ? )
L. de Broglie (1924)
¿Por qué queremos acelerar partículas a altas energías?
(2) Cuanta más energía más masa, más partículas y de mayor masa se forman en p.ej. una aniquilación e-e+ o en la colisión de dos núcleos pesados.
E = mc2
¿Por qué queremos acelerar partículas a altas energías?
(3) Cuanta más energía más densidad y temperatura, más cerca estaremos de reproducir las condiciones que se dieron en el origen del Universo (Big Bang).
Big Bang Colisión de iones pesados
Fuentes de partículas
Electrones: se calienta una lámina metálica, los electrones se liberan de los átomos y se extraen de la lámina mediante una corriente eléctrica.
Protones: se lanzan electrones contra átomos de hidrógeno. Los electrones arrancan el electrón del átomo y nos queda un protón que se extrae mediante campos eléctricos y magnéticos.
¿Cómo producir antimateria?
e-
e-e-
e+
e e+ -
Hilo de metal
Región de campo magnético
E > pocos MeV
mec2 = 0.5 MeV
Antipartículas: un haz de partículas energéticas golpean un blanco y se crean pares de partículas y antipartículas que posteriormente pueden ser separadas usando campo magnéticos.
Aceleración: Un campo eléctrico acelera las partículas cargadas
1 MeV = 106 eV 1 GeV = 109 eV
1 TeV = 1012 eV
+-
E
Unidad de energía en Física de Partículas:
1 eV = 1.6 10-19 Julios
B
BB
B
+
+
+
Un campo magnético desvía las partículas cargadas en movimiento
F v+
El radio de la trayectoria circular es mayor cuanto mayor sea la velocidad (energía) de la partícula y
menor cuanto mayor sea el campo magnético
Acelerador lineal: la TV
El voltaje en una TV es de 20 kiloVoltios = 20 mil Voltios.
La energía de un electrón es por tanto 20 keV.
En SLAC (EEUU) la energía de un e- es 20 GeV = 1 millón de veces mayor que la de una TV.
! Un acelerador de partículas en mi propia casa !
Aceleradores Lineales
SLAC (EEUU) 3.2 km !!
e+e- E=20 GeV
3.2 km
Largos y muy costosos: más energía cuanto mayor longitud.
Aceleradores circulares
Fuente de partículas
Diferencia de potencial (alterna)
El ciclotrón
Campo magnético constante dirigido “hacia arriba”
E. O. Lawrence (1927)
En cada vuelta la partícula adquiere energía. La energía máxima está limitada por el tamaño del ciclotrón.
Vacío
Aceleradores circulares
El sincrotrónSe aumenta progresivamente el campo magnético a medida que la energía de la partícula aumenta.
De esta forma se consigue que el radio de la trayectoria circular se mantenga constante y que de muchas vueltas acelerándose.
zona de aceleración
imán
Energía limitada por las pérdidas de energía por radiación sincrotrón
Aceleradores circulares
El sincrotrón
European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble (Francia)
Interior del Proton Synchrotron en el CERN Ginebra (Suiza)
Aceleradores circulares¿Cómo reducir las pérdidas de energía por radiación sincrotrón y alcanzar E mayores?
Aumentando el radio de curvatura !!
LEP en el CERN
(entre Suiza y Francia)
27 km de circunferencia !!
Colisionador e- e+ (hasta 200 GeV)
Energía limitada por las pérdidas de energía por radiación sincrotrón
LEP: Large Electron Positron colliderCERN: Centre Europeene pour la Recherche Nucleaire
Las colisiones e- e+ se producen en 4 puntos de cruce donde se colocan los detectores de partículas:
ALEPH
DELPHI
L3
OPAL
100 m
LEP (1989-2000)
Detectores de partículas cargadas
Principio básico:
Cuando una partícula cargada pasa por un medio arranca electrones de los átomos (ioniza el medio).
Objetivo:
Determinar la carga, el momento y la energía de la partícula
Detectores de partículas cargadas
Cámara de burbujas
Contiene un líquido a mucha presión y a punto de hervir.
Cuando una partícula lo atraviesa el líquido comienza a hervir a lo largo de la trayectoria seguida por la partícula (se forman burbujas de vapor).
Se hace una fotografía de las burbujas y del análisis de la trayectoria se pueden obtener la carga eléctrica y el momento lineal de la partícula.
Detectores multihilo
Georges Charpak (1968)
Detectores de partículas cargadas
El paso de una partícula cargada ioniza el medio: los electrones arrancados son atraídos por los hilos y los iones por las placas. La corriente eléctrica producida es proporcional a la energía perdida por la partícula en el medio. La trayectoria de la partícula se conoce a partir de la posición de los hilos con corriente eléctrica.
Detectores de partículas cargadas
Formados por “capas” de distintos tipos de detectores para identificar distintos tipos de partículas y medir su trayectoria y energía.
Cada tipo de partícula deja una “firma” distinta en las distintas “capas” del detector.
neutrino invisible
Delphi
Colaboración Delphi:
56 universidades
550 físicos de 22 países
Delphi: Detector with Lepton Photon and Hadron Identification
EJERCICIO: hoy a la tarde
ANÁLISIS DE TRAYECTORIAS DE PARTÍCULAS EN EL DETECTOR DELPHI
El futuro: LHCLarge Hadron Collider
Se comenzó a diseñar en 1984.
Se terminará de construir en 2007
Mismo túnel que LEP
Colisionador protón-protón hasta 14000 GeV
4 detectores:
ATLAS
CMS
LHC-B (Santiago)
ALICE (Santiago)
Ejemplo de una colisión en LHC
Sólo en ATLAS se recogerán datos como para llenar un CD cada 7 segundos !, es decir 12,000 CDs al día !!, 4 millones de CDs al año !!!.
Si ponemos todos los “CDs” de ATLAS y CMS uno encima de otro harían una torre que tendría unos 20 km de altura !!!!
44 m
22 m
http://hands-on-cern.physto.se/ani/acc_lhc_atlas/lhc_atlas.swf
Rayos Cósmicos
Observatorio Pierre Auger(Mendoza, Argentina)
Rayos Cósmicos: Las partículas de más energía jamás observadas, son 1000 veces más energéticas que los protones de LHC
En el Universo también hay aceleradores de partículas, pero todavía no sabemos muy bien como funcionan…
Fin de la 2a PARTE