Introducción a la Física de...
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Introducción a la Física de Partículas Campus Científico de Verano 2011 Campus Vida, USC Inés Valiño Rielo
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Introducción a la
Física de Partículas
Campus Científico de Verano 2011
Campus Vida, USC
Inés Valiño Rielo
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El pensador (tú & yo)
El hombre se ha preguntado desde hace mucho tiempo,
"De qué está hecho el mundo?" y
"Qué lo mantiene unido?"
El filósofo griego Empédocles en el S.V a.C. :
tierra, aire, fuego y agua
Hoy sabemos que existe algo más fundamental que tierra, agua, aire y fuego ...
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Rutherford en 1919 usando partículas α
J.J. Thomson en 1897 usando tubo de rayos catódicos
El átomo
Demócrito (S. V-VI a.C. ):Toda la materia está hecha de partículas indivisibles llamadas átomos.
¿ Es realmente el átomo fundamental ?
Experimentos que empleaban partículas como sondasayudaron a los científicos a determinar que los átomostienen un núcleo, positivo y denso, y una nube deelectrones (e).
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¿Es el núcleo fundamental?
Los científicos descubrieron que el núcleo está compuesto por protones (p) y neutrones (n)
Pero los protones y neutrones, ¿son fundamentales?
Protones y neutrones están compuestos de partículas más fundamentales llamadas quarks.
Ahora los físicos creen que los quarks y los electrones son fundamentales, es decir, no tienen estructura interna.
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Si bien estamos seguros de que los quarksy los electrones son menores que 10-18 m,es posible que literalmente sean puntos.
También es posible que los quarks y loselectrones no sean realmente fundamen-tales, sino que estén compuestos por partí-culas más fundamentales.
(Vaya!, ¿ésto nunca terminará?)
Los quarks y la escala de los objetos
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En resumen, sabemos que los átomos están hechos de protones, neutrones yelectrones.
Los protones y los neutrones están hechos de quarks y éstos, a su vez, puede o no que estén hechos de partículas aún más fundamentales...
átomoelectrón protón neutrón quarks
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Partículas fundamentales
Los físicos buscan partículas no descubiertas con el objeto de entender como funciona el universo.
Y siempre surge la misma pregunta:
¿serán verdaderamente fundamentales?
Los físicos han descubierto cerca de200 partículas (muchas de las cualesno son fundamentales).
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El modelo estándar
Es una teoría que intenta describir toda la materia y todas las fuerzas que
existen en el universo (excepto a la gravedad).
Teoría capaz de explicar la existencia de cientos de partículas y sus complejas
interacciones en función de unas pocas partículas y fuerzas fundamentales.
Idea básica: existen dos tipos de partículas fundamentales:
PARTÍCULAS
MATERIALES
PARTÍCULAS PORTADORAS
DE FUERZAS
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Partículas materiales:quarks y leptones
Los quarks se comportan de forma diferente que los leptones.
Todas las cosas desde las galaxias …
… a las montañas… … a las moléculas están formadas por
quarks y leptones
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Antimateria
Para cada partícula de materia existe la correspondiente antipartícula (de antimateria).
La antipartícula es idéntica a ésta a excepción de su carga, que es de signo opuesto.
Cuando se encuentran una partícula y suantipartícula se aniquilan convirtiéndoseen energía pura. La cual puede producirnuevas partículas.
Cámara de burbujas
Hidrógeno líquido
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Leptones
Existen 6 tipos de leptones: tres con carga eléctrica y tres neutros.
Leptones cargados negativamente:
• electrón (e-)
• muón (μ-)
• tau (τ-)
Leptones neutros:
• neutrino electrónico (υe)
• neutrino muónico (υμ)
• neutrino tau (υτ)
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Neutrinos
Se caracterizan por:
• no tienen carga
• su masa es muy pequeña
• de interacción débil: casi nunca interactúan con otras partículas.
En el universo existen montones de neutrinos.
La mayor parte de los neutrinos pasan a través de la Tierra sin interactuar ni siquiera una vez. Por lo tanto, son muy difíciles de detectar.
En una gran variedad de desintegraciones e interacciones se producen neutrinos o antineutrinos.
Ejemplo:
desintegración beta del neutrón
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Quarks …
Hay 6 tipos de quarks:
• up/down
• charm/strange
• top/bottom
Se caracterizan por tener carga eléctrica fraccionada y por tener otro tipo de
carga que se denomina color.
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Los seis “sabores” de quarks son los siguientes:
o Los dos más ligeros se denominan :
up (arriba) y down (abajo) descubiertos en 1968.
o El 3º quark es llamando strange (extraño) porque
la primera partícula encontrada que contenía este
quark tenía una “extraña” larga vida media.
o El 4º quark es el quark charm (encanto)…con una corta vida media (1974).
o El 5º quark, llamado bottom (fondo), fue descubierto en Fermilab (USA) en 1977.
o Y por fin el 6º quark, llamado top (cima), fue el último en descubrirse en 1995
también en el Fermilab.
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¿De qué está hecho el mundo?:Hadrones,Bariones, Mesones
Los hadrones están formados por combinaciones de quarks, de tal forma que los
hadrones tengan una carga eléctrica neutra.
Los hadrones no tienen carga de color (son blancos).
Existen dos tipos de hadrones:
BARIONES MESONES
Formados por 3 (qqq).
Ej: los protones son (uud)los neutrones son (udd).
Formados por 2 (qq).
Ej: los piones son (ud)
(Los mesones son muy inestables)
ˉ
ˉ
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Generaciones de partículas
Una generación es un conjunto formado por un quark y un leptón de cada uno de los valores de carga posibles.
Toda la materia visible en el universo está formada por: quarks up y down, y electrones, todos ellos pertenecientes a la primera generación.
Las partículas de la segunda y tercera generación son inestables y decaen rápidamente hacia partículas de la primera generación.
Los quarks y los leptones se pueden clasificar en tres conjuntos denominados generaciones.
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Ya hemos respondido la pregunta "¿De qué está hecho el mundo?"
QUARKS y LEPTONES
Pero ahora la pregunta es, ¿Qué lo mantiene unido?
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Las interacciones fundamentales
La palabra "interacción" es más general que "fuerza“.
¿Cuál es la diferencia entre fuerza e interacción?
Todas las partículas que sirven de intermediarias en las interacciones (las
que “portan” la interacción) se denominan partículas portadoras de fuerzas.
FUERZA es el efecto sobre una partícula de la presencia de otras partículas
Las INTERACCIONES de una partícula incluyen todas las fuerzas que le
afectan, y también desintegraciones y aniquilaciones.
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¿Cómo interactúan las partículas materiales?
La cuestión es como pueden interaccionar las cosas sin tocarse !!
¿Cómo dos imanes “sienten” cada uno la presencia del otro atrayéndose o
repeliéndose? ¿Cómo el Sol atrae a la Tierra?
Magnetismo y gravedad
Pero, ¿qué pasa con las otras fuerzas?....
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Las interacciones son debidas al intercambio de partículas portadoras de
fuerzas.
La respuesta a la cuestión planteada ¿cómo pueden dos objetos “afectarse”
sin tocarse? es que esta fuerza invisible podría ser un intercambio de
partículas portadoras.
Una determinada partícula portadora sólo puede ser absorbida o producida
por una partícula material, la cual se está viendo afectada por una determina-
da fuerza.
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La carga eléctrica (positiva/negativa) y el magnetismo (norte/sur) son aspectos
diferentes de una misma fuerza: el electromagnetismo.
Las partículas portadoras de la fuerza electromagnética (EM) son los fotones.
Electromagnetismo
La fuerza EM es la que permite que los átomos se enlacen formando
moléculas…
Todas las estructuras del mundo existen simplemente porque
protones y electrones tienen cargas opuestas !!
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Gravedad
La fuerza gravitatoria no está incluida en el Modelo Standard porque su
efecto en los procesos entre partículas es despreciable.
Es una fuerza muy débil, a menos que haya grandes masas involucradas
(como pueden ser los planetas).
Las partículas portadoras de esta fuerza son los gravitones (aún no se han
detectado).
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Fuerte
Los quarks tienen carga de color.
La fuerza entre partículas con carga de color es muy intensa: Fuerza Fuerte.
Las partículas portadoras de la fuerza fuerte a altas energías se llaman gluones.
Los quarks se “pegan” formando partículas como protones y neutrones
¿Qué mantiene unidos a protones y neutrones dentro del núcleo?
La fuerza fuerte residual, entre los quarks de unprotón/neutrón y los quarks dentro de otroprotón/neutrón, es suficientemente fuerte paravencer a la fuerza repulsiva electromagnética quesepararía a los nucleones.
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DébilToda la materia estable en el universo está compuesta únicamente por los
dos quarks, los up y down, y el electrón. Este hecho se debe al fenómeno de
las desintegraciones.
Cuando una partícula se desintegra desaparece y, en su lugar, aparecen dos o
más partículas de masa menor. La interacción débil es la responsable de que
ocurran los desintegraciones de los quarks y leptones más masivos hacia los
menos masivos.
La interacción débil puede transformar un tipo de quark en otro tipo de
quark de menor masa.
Las partículas portadoras de la fuerza débil son W+, W-, y Z.
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Los físicos no sólo se sientan e “inventan” estos objetos, sino que existen modos de verificar si una idea o especulación es o no correcta.
Diseñan un experimento y usan lo que saben para encontrar aquéllo que no saben.
Los experimentos pueden ser sencillos o bien pueden requerir gigantescos detectores y aceleradores
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¿Cómo hacen sus experimentos los
físicos de partículas?
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Fuentes de partículas
Electrones: al golpear un metal algunos electrones son expulsados.
Protones: se obtienen fácilmente ionizando el hidrógeno.
Antipartículas: primero un haz de partículas energéticas golpean un blanco. Luego pares de partículas y antipartículas serán creadas via fotones virtuales o gluones. Posteriormente pueden ser separadas usando campos magnéticos .
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Aceleradores
Los aceleradores se usan principalmente por dos motivos :
1. La energía de las partículas aceleradas se puede usar para crear las partículas de gran masa que los físicos desean estudiar.
2. Al incrementar la energía de una partícula se disminuye su longitud de onda, permitiendo que ésta puede “espiar” en el interior de los átomos.
Mecanismo de funcionamiento de un acelerador:
Un acelerador toma una partícula, la acelera empleando campos electromag-néticos y la estrella contra un blanco o contra otro haz de partículas.Alrededor del punto de colisión están los detectores que registran lasnumerosas partículas emergentes.
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Colisión de haces de partículas
En un experimento de colisión de haces se hace que dos haces de partículas, de alta energía, se crucen.
Ambos haces tienen una energía cinética significativa, de modo que es más probable que, de la colisión entre ellos, nazca una partícula de masa alta.
LHC (Cern)
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Detectores (I)Para encontrar varias de esas partículas y los productos de su desintegración,los físicos diseñan detectores con muchos componentes. Los diferentescomponentes miden energías, momentos y cargas de diferentes clases departículas.
Cada una de las partes de un detector analiza un conjunto especial depropiedades de las partículas.
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Detectores (II)
Cada partícula deja su propia “firma” en el detector.
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Análisis de datos
Los detectores registran millones de datos durante los eventos de colisión. Por esta razón es necesario que una computadora analice los datos, y seleccione las trayectorias y las desintegraciones más interesantes, así como las anomalías que aparezcan respecto del comportamiento esperado.
Esta es una reconstrucción por computadora de un evento de colisión protón-antiprotón, que produjo un par electrón-positrón junto con muchas otras partículas.
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… pero en la naturaleza existen partículas que
son aceleradas a energías varios millones más
elevadas que las que pudiesen ser alcanzadas
en los aceleradores creados por el hombre…
las ASTROPARTÍCULAS …
