Introducción a la Física Experimental de

Partículasen Colisionadores

Sergio NavasDpto. Fisica Teórica y del Cosmos & C.A.F.P.E.

4 Marzo 2010

Parque de las Ciencias - Granada Universidad de Granada

> 40 órdenes de magnitud

Cosmología AstrofísicaAstronomía

Geofísica.

. Física Nuclear

Física del Estado SólidoQuímica Biológica

Mecánica

Física de Partículas

Si un nucleón tuviese un tamaño de 1 milímetro,la cucharilla tendría una tamaño mayor que mil veces la distancia de la Tierra al Sol !!

Dicho de otro modo …

… difícil hacerse una idea de lo

extraordinariamente pequeñas

que son las partículas elementales

Para estudiar una partícula elemental hay que “verla”,

“detectarla”

Se infiere su presencia a partir de su interacción con la materia, de

modo indirecto

¿Cómo podemos detectar y medir propiedades de partículas elementales ?Para llevar a cabo nuestros experimentos necesitamos :

– Fuentes de partículas : Radiación cósmica, radioactividad natural, reactores

nucleares, aceleradores (a partir de partículas generadas artificialmente )

– Detectores de partículas : recogen información de las partículas que los

atraviesan. Son nuestros ‘microscopios’ para estudiar las escalas más pequeñas

emulsiones fotográficas, cámaras de burbuja, cámaras de hilos, calorímetros, cámaras de deriva, detectores de material semiconductor, etc.

Fuentes de partículas: radioactividad natural• Una gran cantidad de elementos presentes en la naturaleza emiten partículas : transmutación nuclear, fisión …• Algunas partículas se desintegran en otras

Emisión nuclear Desintegración

Núcleo con

protones y

neutrones

Partícula

Electrón y

neutrinos

Muón

Fuentes de partículas: radiación cósmicaLa radiación cósmica procede del espacio exterior. Usualmente son protones y a veces núcleos de elementos. A nivel del mar nos llegan muones y algunos fotones, electrones y positrones.

Aceleradores de partículasSon los instrumentos más precisos para el estudio de partículas, pero también tienen sus limitacionesAntes de ver aquellos que empleamos para hacer ciencia, veamos un ejemplo cotidiano :CRT (Cathodic Ray Tube) : Nuestra querida TV !O cualquier monitor de ordenador (no LCDs)

Aceleradores de partículasCiclotrón :Acelerador en forma de dos D´s enfrentadascon voltaje alternante entre ellas. Un campo magnético perpendicular confina las partículas a una trayectoria circular

Linac :Acelerador lineal; acelera las partículas en tubos con voltaje alternante y de longitud que se incrementa conforme la partícula gana velocidad

Se emplea para experimentos de ‘blanco fijo’

Aceleradores de partículasSincrotrón :Acelerador circular que combina la aceleración en secciones rectilíneas con una órbita circular gracias a la acción de campos magnéticos

Desventaja : Orbita circular implica pérdida de energía porradiación ( partícula cargada acelerada )

Ventajas :1)Partículas aceleradas durante muchos ciclos2)Energía en colisiones es el doble3)Múltiples colisiones por haz inyectado

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ATLAS

LHC

SPS

LEP (19892000, CERN). Colisionador electrón-positrón entre 90 y 200 GeVLHC (2009 , CERN). Colisionador protón-protón de 14 TeV

LHCb

CMS

ALICE

Este túnel de 27 km se encuentra a unos 100 metros bajo tierra y contiene el tubo del acelerador LHC.~7 km de túnel están situados en territorio suizo …

Aeropuerto de Ginebra

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2300 empleados20 estados miembros + USA, Canadá, Japón, Rusia, China...

CERN

http://www.cern.ch

CERN:CERN:el laboratorio de Física de Partículas más grande del mundo

a 40 km/h

Energía: 7 TeV por haz (14.000.000.000 eV en centro de masas)

1011 protones por paquete (en un segundo dan aprox. 10 000 vueltas/s)

72 paquetes que producen una colisión cada 25 nsFecha de inicio: finales 2009 (empezó a diseñarse en 1984)

Temperaturas criogénicas: 1.9 K (a ~2 grados del cero absoluto !)

La energía concentrada en un haz bastaria para lanzar un coche a ~2000 km/h !!!

Colisionadores de partículas : el anillo LHC

Tevatron en Fermilab (Chicago)

Inyector principal

Tevatron 1.96 TeV

D0CDF p

p_

Dipolo magnético Cavidad radiofrecuencia

Detectores de propósito general

E=mc2

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Tracking EM Cal. HAD Cal. Muones

Interno externo

Detectores de partículas : cámaras de trazasSon sensibles al paso de partículas cargadas; obtenemos puntos espaciales que permiten la reconstrucción de una traza :

Contiene una mezcla gaseosa que se ioniza con facilidad y una serie de hilos que registran dicha ionización

Cámara de hilos, proyección temporal:

Detectores de Si o Ga. Precisión del orden de micrones !!!

Detectores microvértice:

Detectores de partículas : calorímetrosCalorímetro electromagnético :Aprovecha las interacciones de fotones, electrones y positrones que generan cascadas depositando toda su energíaLos hadrones sólo producen una cierta ionización pequeña señal

Detectores de partículas : sistemas de detección

Inserción de la cámara de deriva (TPC)

10 metros

3500 toneladas(el peso de 12 aviones A380)

Detectores de partículas : sistemas de detecciónDELPHI :Contiene todos los elementos típicos de un detector para un anillo de colisiones ( LEP )Las partículas ‘estables’ a detectar son : fotones, electrones (±), muones, protones, neutrones y piones ( kaones )Las cargadas dejarán su huella en una traza y parte o toda su energía en los calorímetrosLas neutras sólo serán detectadas en los calorímetros

¿Cómo vemos una colisión en este ‘monstruo’ ?Deposición neutra en

calorímetro e.m.

Deposición neutra en

calorímetro had.

Trazas de partículas cargadas

Deposición asociada a traza en

calorímetro had.

Deposición asociada a traza en

calorímetro e.m.

Sistemas de detección para LHCDetector ‘compacto’ : pesa tanto como la Torre Eiffel !!!

Si apilaramos los CDs con datos que producen en un año alcanzariamos la estratosfera (> 2 veces la altura del

Everest)

BACKUP

Experimento vs. teoríaDos facetas íntimamente ligadas que nos permiten avanzar en el conocimiento de los componentes últimos de la materia y sus interacciones.

La base de nuestro conocimiento se fundamenta en el uso del método científico (observación, hipótesis, experimentación).

La TEORIA Aporta los modelos matemáticos que explican los resultados de las observaciones experimentales Permite hacer hipótesis ideas para nuevos experimentos

Los EXPERIMENTOS Comprobación de los modelos Descartan modelos erróneos

Detectores de partículas : otros detectoresCentelleadores :Material cuyos átomos son excitados porpartículas cargadas y en su desexcitación emiten radiación luminosaTubos FotoMultiplicadores recogen dichaemisión y generan pulso eléctricoSon detectores muy rápidos y muy preci-sos en el aspecto temporal

Detectores de radiación Cerenkov :Contienen gases o líquidos en los que la velocidad de la luz es inferior a la de las partículas que lo atraviesanEmisión emitida en un cono

Detectores de partículas : cámaras de trazasCámara de deriva :La base es la misma que la de la cámara de hilos, pero el volumen de deriva es todo el volumen del detector. Medimos también tiempos de deriva de la ionización para obtener más información.

Detectores de material semiconductor :Detectores de Si o Ga. Precisión del orden de micrones !!! Presentan multibandas espaciadas en decenas de micras que son sensiblesa los pares electrón-hueco creados porel paso de partículas cargadas en la redcristalina del semiconductor

¿Cómo podemos detectar las partículas ?Hemos de conocer de qué forma interactúan con la materia

PARTICULAS CARGADASToda partícula cargada eléctricamente interacciona con los electrones de los átomos intercambio de energía. Esto puede suponer :

- Excitación de los átomos generando emisión de fotones- Ionización del medio creando iones y electrones libres

¿Cómo podemos detectar las partículas ?Electrones y positrones : * Sufren radiación de frenado ( baja masa ) durante la interacción con el medio produciendo fotones

* Los positrones ( antimateria ) se aniquilan con los electrones del medio generando pares de fotones

¿Cómo podemos detectar las partículas ?FOTONESSon cuantos de energía electromagnética ( luz, ondas de radio, televisión, UV, IR, rayos X, … )Estos son los procesos que sufren :Efecto fotoeléctrico El fotón extrae un electrón atómicoEfecto Compton El fotón cede parte de su energía a un electrón atómicoCreación de pares e+ e- El fotón da lugar a un electrón y un positrón

¿Cómo podemos detectar las partículas ?HADRONESProtones, neutrones, piones, … ( partículas con quarks )Interaccionan fuertemente con nucleones produciéndose múltiples procesos incluyendo la generación de cascadas de partículas a altas energías

Aceleradores

Microscopios

Telescopios ópticos y radiotelescopios

Binoculares

La física de partículas observa la materia en sus dimensiones más pequeñas.

Para profundizar en las escalas más diminutas necesitamos partículas con muy alta energía

Aceleradores de partículas