Introducción a la física de partículas

para profesores de instituto(no necesariamente de física)

IntroducciónUna pregunta básica de la ciencia (pero previa a la ciencia, seguramente) es ¿de qué están hechas las cosas?

La física de partículas (que otros llaman, ya veremos por qué, física de altas energías) se dedica a buscar los componentes más fundamentales del Universo y a investigar su comportamiento.

A qué se dedican los físicos de partículas

Las distinciones no son siempre tan claras como podemos creer desde fuera (aunque hay teóricos muy teóricos, no pueden ignorar los experimentos (¿verdad?).

Y desde luego, los experimentales más experimentales necesitan teoría…

Imagina un tablero con un blanco oculto por una pantalla, como en la figura.

Podríamos intentar deducir su forma, al menos en parte, lanzando bolitas contra él y viendo como salen.

No será igual con un triángulo que con un círculo o un rectángulo…Pues, una vez que se han agotado las posibilidades de usar

microscopios, eso es lo que hacen los físicos de partículas:

Acelerar partículas (¡no con una rampa!), dirigirlas contra un blanco y ver lo que sucede a medida que se aumenta la energía.

A veces lo que pasa es que las partículas simplemente se desvían.

Es el caso de los experimentos de Rutherford, Geiger y Marsden a principios del siglo XX, que no usaban partículas aceleradas, sino las partículas a que salían de ciertasEl modo de desviarse las partículas llevó

a Rutherford a pensar que había un minúsculo núcleo positivo y los electrones estaban en la periferia.

Entre 1966 y 1978, Friedman, Kendall yTaylor repitieron el experimento lanzando electrones acelerados contra blancos de hidrógeno, deuterio y otras cosas, deduciendo así que dentro de los protones y neutrones hay tres objetos “duros y pequeños”, los quarks, y aún más cosas…

Fermilab

Cuando las colisiones tienen suficiente energía, empiezan a pasar cosas raras…

Es como si al hacer chocar dos fresas, a partir de la energía de la colisión pudieran surgir paras, manzanas, bellotas, fresas…

Frutas que NO estaban dentro de las fresas antes de chocar, que se han materializado a partir de la energía.

E = mc2 en accióncortesía CERN / Rafael Carreras

Colisiones: el método experimental

Eso ocurre cada día en los aceleradores de altas energías (haz clic sobre “PLAY” en la presentación) y continuamente cuando los rayos cósmicos chocan contra los átomos de la atmósfera terrestre…

Simon Swordy, University of Chicago/NASA

CERN

CERN

CERN

Y no son imaginaciones de los físicos; se ve en los detectores:

En esta imagen tomada en una cámara de burbujas, entra una partícula (un pión) por la izquierda, choca con un protón en reposo y

como resultado aparecen 16 piones más…

(también se ven colisiones elásticas, como si se tratara de billar)

En el centro del detector Aleph del acelerador LEP (predecesor del LHC en el CERN) chocan un electrón y un positron. De la energía de la colisión salen dos chorros de nuevas partículas... 

foto CERN 

¿Por qué hacen falta altas energías?

E = mc2

Para crear nuevas partículas desconocidas que puedan existir ya que para que se materialice una partícula de masa m, hace falta al menos la energía mc2

(Los detalles más adelante…)

De forma similar al paso de la microscopía óptica a la electrónica, aquí más energía significa mayor resolución espacial.

Estos son los resultados:

Adaptado de una imagen cortesía de Fermilab

Los ingredientes básicos del universo son una serie de partículas, aparentemente sin estructura hasta donde se ha podido estudiar, las partículas elementales, de las que no sólo está hecha toda la materia y la radiación, sino que son responsables de las interacciones (algo más que las fuerzas) entre las partículas “materiales”

Por sus propiedades y comportamiento se pueden clasificar en tres grupos: los quarks y leptones (partículas materiales) y las que transmiten las interacciones.

Estos son los resultados:

Adaptado de un diagrama cortesía de Fermilab

En más detalle

Adaptado de un diagrama cortesía de PDG / LBNL

Notas:•Spin: Es, como la carga o la masa, una de las características que identifican a las partículas. Se trata de un momento angular intrínseco de la partícula. Si nos imaginamos las partículas como bolitas es fácil pensar que su spin describe cómo giran alrededor de sí mismas; el eje y la velocidad de rotación, pero no… El spin de una partícula es constante en módulo y su orientación sólo puede tomar una serie discreta de valores (dos para s = ½), además ¿cómo iba a girar en torno a sí misma una partícula puntual, sin tamaño?

•Unidades de masa: Los físicos de partículas no usan los kg. Están tan acostumbrados a la conversión de energía en materia que dan como masa la que sale de la relación de Einstein: m = E/c2 (E es la energía en reposo, la mínima necesaria para crear una partícula de masa m).

Por ejemplo, si protón tiene una masa m =1,67·10–27 kg, E = 1,50·10–16 J, que en electronvoltios es 0,938 ·1012 eV = 0,938 GeV. Por eso en la tabla saldría el valor m = 0,938 GeV/c2. Un átomo de hidrógeno tiene una masa similar, mientras para un electrón m ≈ 0,000 511 GeV/c2 (como 1/2000 de un átomo de hidrógeno) y para los quarks, aunque en este caso el concepto masa no es tan sencillo, mU ≈ 0,003 GeV/c2, m t ≈ 175 GeV/c2 (valor este muy parecido al de una molécula de cafeína o un átomo de plomo). Un grano de arena de los más pequeños que podemos ver tiene una masa del orden de 1017 GeV/c2 y un mosquito como 1020 GeV/c2

Notas (2):•Carga eléctrica: En unidades en las que la del electrón es –1.

•Tres familias: La tabla de partículas elementales materiales (fermiones) tiene una estructura curiosa. Podríamos explicar todo lo que nos rodea sólo con la primera generación de partículas: el electrón, el neutrino electrónico y los quarks u y d. Pero además está la segunda generación, con el muón, su neutrino y los quarks c y s y, finalmente, la tercera generación , con el tau y su neutrino más los quarks t y b. Lo curioso es que la segunda y tercera generaciones son en cierto sentido copias de la primera, siendo la masa la diferencia fundamental (no la única, por ejemplo, el muón es inestable y se desintegra al cabo de una media de dos microsegundos, pero el electrón es estable). Las partículas de las 2ª y 3ª generaciones sólo se ven tras colisiones de alta energía, ya sea en aceleradores, ya en los rayos cósmicos…

•Antipartículas: Para cada partícula existe una antipartícula que es igual que la correspondiente partícula (misma masa, igual spin…) salvo en la carga eléctrica, que es opuesta (lo mismo sucede con otras cargas que existen, como la carga de color que es la fuente de la interacción de color –fuerte– del mismo modo que la carga eléctrica es la fuente de la interacción electromagnética. Las antipartículas son famosas sobre todo porque cuando se encuentran con sus corresponidentes partículas se pueden aniquilar, desaparaceciendo y convirtiéndose su energía en bosones fundamentales (fotones, gluones o W)

Adaptado de un diagrama cortesía del Particle Data Group / LBNL

Cada interacción tiene asociada una partícula o un grupo de partículas, las partículas mediadoras de esa interacción

Y estas son las interacciones que hay entre las partículas

Adaptado de un diagrama cortesía del Particle Data Group / LBNL

Porque la interacción entre dos partículas, dos electrones por ejemplo se entiende como debida al intercambio de una tercera partícula, un fotón para la interacción electromagnética

Para fuerzas repulsivas, como la que hay entre dos partículas de la misma carga, la analogía con dos patinadores que se lanzan tartas o balones funciona. Al lanzar la tarta retrocedes, lo mismo que al recibirla…

electrón

electrón

fotón

Pero, ¿y si la fuerza es atractiva?

Por ejemplo, la atracción entre partículas con cargas de signo opuesto también se explica mediante el intercambio de fotones. Ahí la analogía no es útil, por eso hay que usarla con precaución…

Además, una interacción es más que una fuerza

En el ejemplo de la figura, la emisión de un bosón W– transforma un quark d en uno u (y por tanto un protón en un neutrón); es la desintegración beta, ejemplo de la interacción débil

Órdenes de magnitudy otros datos

El trabajo de la física es complicado aunque sólo sea por los más de cuarenta órdenes de magnitud que tiene que abarcar.

Y eso es nada más el tamaño…

Física de partículas y cosmologíaHay pistas (principalmente el fondo de radiación de microondas) que sugieren que todo el Universo proviene de un cóctel denso y caliente de partículas elementales. Este es el motivo por el que a veces se dice que en LHC se recreará el big bang (falso; como mucho reproducirá las condiciones de alta energía que se habrían dado una fracción de segundo después, por ejemplo el plasma de quarks y gluones que se espera estudiar en el detector ALICE del LHC).

Consiguientemente, una serie de grandes preguntas son relevantes tanto para la física de altas energías como para la cosmología:

•¿Qué es la materia oscura? ¿Y la energía oscura?

•¿Por qué apenas hay antimateria en el Universo cuando partículas y antipartículas se crean en pie de igualdad?

•…

Los instrumentos: aceleradores y detectores

ATLAS

CMS

cortesía CERN 

El acelerador 

foto CERN 

Por cierto, ¿están bien colocados los imanes de herradura?

En un acelerador circular las partículas son desviadas y focalizadas por campos magnéticos y aceleradas por campos eléctricos oscilantes

Los detectores (I)cortesía CERN  Muchos detectores funcionan

con el mismo principio básico:

El paso de una partícula cargada por un medio sensible da lugar a una señal (eléctrica o luminosa) que se recoge y se amplifica.

Así pueden reconstruirse trayectorias (tracking) y calcular momentos lineales a partir de ellas si el detector incluye un campo magnético (puesto que la curvatura de la trayectoria de–pende del momento lineal, de la carga y del campo

magnético.Otro tipo de aparatos, los calorímetros, emplean un principio similar para medir energías.

Los detectores (II)

foto CERN 

Sección transversal del detector CMS del LHC (CERN)Durante una presentación, al pasar el puntero por el nombre de una partícula se ve una simulación de su paso por CMS. Para salir, pulsar escape

Detectores de muones

Solenoidesuperconductor

calorímetros

tracker

•Selección de sucesos. Cuando el LHC funcione, en sus detectores tendrán lugar del orden de mil millones de interacciones protón – protón cada segundo. Sería imposible almacenar y analizar la información de todas. ¿Cómo se eligen? ¿cómo se tratan después?

•Vale, tenemos detectores que producen datos trayectorias, momentos y energías. ¿cómo se extrae de ahí la física? ¿Cuándo se dice que se ha descubierto una partícula y por qué…?

Lo que nos hemos dejado

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Cuando edites esta presentación, agrega aquí tu nombre, por favor:Francisco Barradas Solas, 2 de noviembre de 2009 (All Souls’)

Procedencia de las ilustraciones y fotografías:• Las ilustraciones y fotografías cortesía de los laboratorios (CERN, Fermilab, PDG/LBNL están

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de su web “Viaje al corazón de la materia. Física de partículas en el Instituto” (http://palmera.pntic.mec.es/~fbarrada/) y están sujetos a la licencia Reconocimiento-Compartir bajo la misma licencia 3.0 España de Creative Commons