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1. II Jornadas I+D+i
(organizadas por Promálaga)
El gran reto científico y tecnológico del siglo XXI:
El Gran Colisionador Hadrónico (LHC)
Miguel Ángel Sanchis Lozano
E-mail: Miguel.Angel.Sanchis@ific.uv.es
Instituto de Física Corpuscular
(IFIC)
Universidad de Valencia
Centro Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)
CAC Málaga 1
28 de Abril de 2009

2. Homo sapiens
neanderthalensis
Pan troglodytes :
Chimpancé común
Homo sapiens sapiens
Antropos: levanta los ojos hacia arriba
El hombre, por naturaleza, desea saber
Aristóteles
Lo cosa más incomprensible del Universo …
es que se pueda comprender, Einstein
2

3. EL OBJETIVO DE NUESTRA INVESTIGACIÓN
¿De qué está hecho el mundo?
Los átomos de Demócrito
485-430 a.C. 460-370 a.C.
Tabla periódica de los elementos Desde el siglo XIX
Los “elementos” según Empédocles
Descubrimiento de la Radioactividad
Los átomos no son indivisibles
Becquerel, finales del siglo XIX
3

4. Los componentes de la materia ordinaria
Moléculas, átomos, protones, electrones, quarks…
De mayor a … … a menor tamaño
Quarks y leptones: “ladrillos” de la materia conocida
Hadrones
Partículas compuestas
de quarks
Materia y antimateria
4

5. Las (cuatro) fuerzas fundamentales
Las fuerzas o
interacciones
se pueden
entender
mediante el
intercambio de
otras partículas s
5

6. Materia: tres familias de quarks y leptones
Fuerzas: fotones, gluones, bosones W y el Zº
El bosón de Higgs ¡Aún por descubrir!
¡La gravedad va aparte!
Agujero negro
absorbiendo una
estrella
¿Existe algún límite?
6

7. EL “BIG BANG” La creación del mundo
Miguel Ángel
El Universo se formó en una gran explosión
que creó el espacio …
y el tiempo
7

8. ¡LA ENERGÍA OSCURA
DOMINA EL UNIVERSO!
Satélite SNAP
(en proyecto)
Sólo “conocemos” el 5% del Universo
En nuestra galaxia, donde hay 10 000 millones de
estrellas, existe más materia oscura que materia visible
¡pero todavía hay más energía oscura!
La energía oscura es la que
acelera la expansión del universo
¿La constante
Einstein cosmológica?
Materia, materia y energía oscuras
8

9. Distintos finales del Universo
El Gran Desgarro (Big Rip)
Galatea de las esferas,
Dalí
Los átomos se
“desgarrarán”
y el tiempo
Saturno, Goya se detendrá
Reloj blando, Dalí
9

10. The universe
is expanding
& accelerating!
↓
DARK ENERGY
10

11. La Física: ciencia experimental
La observación y experimentación siempre han l sido,
e
son y, seguro, serán esenciales para el desarrollo
en
r
de la física za
di
fun
pr o
Newton, Galileo, Kepler,
y
OS
Halley.., son famosos por sustos
NT
c
ME
grandes contribuciones aefe la
RU
dinámica gravitatoria vos en ST
y
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nc
particular del movimiento de
OS
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r va e s EV
sistemas planetarios.
e, NU
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on R
UI
ie
ara ci hubieran TR
PeroPnuncam S logrado llegar a sus conclusiones sin el
o
desarrollo de CON
on nuevos instrumentos, telescopios, que les
c
permitieron observar lo que hasta entonces jamás se había
observado. 11

12. Las escalas de nuestro mundo
Lo “grande”: 1022 m”
Escala en 10-18 m
Escala en m
Lo “pequeño”:
10-18 m”
12

13. Según la escala se requiere un “instrumento” para
ver en el interior y de qué están hechos de los cuerpos
Cuanto más “adentro”
queremos mirar
más energía hemos
de emplear
13

14. Cómo se “observa” ahora en Física de Partículas:
Experimentos en Aceleradores
Longitud Energía
(metros)
metros) (electron-Volt)
(electron-Volt)
electron
Microscopio Electrónico
Ciclotrón
Acelerador Lineal Sincrotrón
14

15. Los Instrumentos: Aceleradores
mb
E0
Nsucesos = L x σ Blanco Fijo L **
L = Luminosidad E~(2mbE0)1/2 E*
σ = Sección Eficaz
Circular
e+e-
Condiciones
E0 E0 L ***
del Experimento pp
E ***
(la energía del proceso, pp
el estado inicial…)
ep
Colisionadores
E=2E0 Lineal
L ∝ Npartf/A
∝
∆Eperdida E4/R
f ~ µsec-nsec
L **
e+e-
∝
A ~ 20 x 200 µm2 ∆Eperdida 1/m4 E ***
Npart ~ 1010-12 part.
10-
15

16. Los Instrumentos: Los detectores
Principio de detección del paso de una partícula:
interacción con el medio + conversión en señal eléctrica + digitalización + procesado ....
Fuente
Blanco
Detector de Si
El detector
Detector
p
∆T<10 ns
h+
Q ~ 3-4 fC
n
e-
Resolución Espacial
5-15 µm
16
n+
+V

17. Cuestiones sin resolver por el Modelo Estándar
Nuestro modelo sin embargo no ofrece respuestas a:
s
i gg r
• Cuestiones formales:
ve
H l
el
1. ¿Por qué una teoría Gauge? so
, e
2. ¿Qué son las partículas? ¿y las cuerdas a ¿y lasin r
z? membranas?
ie
ss
ap
nta
n
Cuestiones fenomenológicas: a u
• u
r eg
lt
1. ¿Por qué tres familias? fa
sp
le
2. ¿Por qué algunas partículas tienen masa? ¿cómo se origina la masa?
da
S a
M
3. ¿Existe el Higgs? ¿es unasi
el partícula?
ma
eνd ~ 10-7 m(e)?
z m(ν la asimetría materia-antimateria observada en el Universo?
4. ¿Por qué zl ) de
5. ¿Sel entiende deja
pu
A ,
6. ¿Cuál es elsorigen de la Materia Oscura?
má
7. ¿Por qué f(gravedad) ~ 10-40 f(eléctrica)? ¿existe una fuerza unificada?
e
ad
8. ¿Realmente en el Universo existen tres dimensiones espaciales (D=3+1)
D=3+1)?
D=3+1)
,
y
e+ e-
γ 17

18. Lo GRANDE y lo PEQUEÑO están correlacionados
? ?
¿? ¿?
Cuánto mas sabemos mas nos
cuesta establecer la frontera
entre
grande”
lo grande y lo pequeño
“lo peque o”
“lo
COMPLEMENTARIEDAD
18

19. 19

20. EL LHC: Large Hadron Collider
p, Pb p,Pb
7 TeV + 7 TeV
p-p colisiones (L =1034cm-2s-1)
Motivación: Origen de la masa, materia oscura,
materia vs antimateria (ATLAS,CMS, LHC-B)
Pb-Pb colisiones (L =1027cm-2s-1)
Pb-
Motivación: Quark-Gluon plasma (ALICE)
20

21. Descubrimiento de América por Colón
Utilizar tecnología punta en navegación: la carabela portuguesa
Gracias a:
• un modelo semi-erróneo de la Tierra,
semi-
• una gran experiencia y sabiduría
como marino y
• el uso de tecnologías punteras
en navegación,
el viaje pudo ser proyectado y … realizado
Nota: el proyecto fue rechazado por los “Comités Científicos” de la época, tanto en
Portugal como en España. 21

22. El proyecto LHC
1) Descubrir el bosón de Higgs y el origen de la masa
2) Comprender porqué hay más materia que antimateria en el universo
3) Encontrar la materia oscura (¿partículas supersimétricas?)
4) Estudiar la unificación de las fuerzas y entender qué puede ser la
energía oscura, …
Túnel del LHC
22

23. 23

24. El CERN
Fundado en 1954
Situado en Ginebra (Suiza)
Una de las primeras aventuras europeas de
colaboración internacional.
Actualmente cuenta con 20 estados
miembros (entre ellos España). Otros
estados participan en calidad de “estados
observadores” (EEUU, Japón, Rusia ... ) .
Contribución de acuerdo con PIB de cada
pais (España contribuye alrededor del 8,5%).
Mas de 8.000 científicos de todo el mundo
participan en experimentos del CERN
(Consejo Superior de Investigaciones
Científicas –CSIC- son unos 5.000
científicos). 24

25. ¿Agujeros negros en el LHC?
Los agujeros negros
Dimensiones extra
se “evaporan”
Sólo se formarían agujeros negros más rápidamente
en el LHC cuanto
si hay más de tres dimensiones menos masa tienen
espaciales
(para que la gravedad sea mucho más fuerte en las distancias cortas)
25

26. Participación Española en el LHC
GRID:
Tier 1
3 Tier 2 Pp, B-physics, CPV
LHCb
Contr. Española:
SCT, Ecal-LAr, TiCal,
LHC : 27 km cir.
~100m profundidad
Contr. Española:
InTrk, ScintPaDet
ATLAS/LHCf
Propósito General,
Contr. Española:
pp, ions
Miembro del CERN
Contr. Española:
µ-system,
Iones Pesados
ALICE
Contr. Española:
CMS/TOTEM
26
Computing,

27. ATLAS
IFAE (Barcelona)
CNM-IMB (Barcelona)
IFIC (Valencia)
UAM (Madrid)
CMS
4 CIEMAT (Madrid)
IFCA (Santander)
UO (Oviedo)
UAM (Madrid)
LHCb
UB (Barcelona)
URL (Barcelona)
USC-IGFAE (Santiago)
ALICE
CIEMAT (Madrid)
USC-IGFAE (Santiago)
Participación Española en el
LHC 27

28. 28

29. La Física de Partículas en España
Ministerio de Ciencia e Innovación
Universidades (~60) CSIC CIEMAT Otros
117 Institutos
18 con actividades FPA Basic Research LSC
Dept.
Dept.
• Centros Mixtos CSIC IFIC**,IFCA, IAC
Tecnologías
IEM*,IMAFF, IFT*
IFIC Valencia PIC
(*solo teoría)
IFCA Santander (aceleradores)
(** parcialmente
• Centros Mixtos con teoría)
Gobiernos Autonomicos
CNM-
IAA, CNM-IMB
IFAE Barcelona
CAFPE Granada
IGFAE Santiago
29

30. Aceleradores, I+D, ILC
Física Nuclear
HEP Research in Spain
GRID
Aplicaciones: Física Médica
Experimental
7%
Teoría
5%
15% 39%
15%
Física de Astro-Partículas 19%
Física de Partículas
Experimental
TOTAL: 886 EDPs Experimental
(2006-2008) 30

31. Física Teórica
de Partículas
34
3
4
Partículas. Astro-Partículas &
Gravedad/Cosmología
31

32. Física Nuclear
4
4
FAIR
ISOLDE
N-TOF
GANIL
LEGNARO
JEFFLAB
LOUVAIN
JAVALSKAYA
Grupos Experimentales
Grupos Teóricos
32

33. Canfranc
AUGER
MAGIC
DM, 2β Bipo (SN)
4
Bipo (SN) DES
AUGER
CAST,ANAIS
MAGIC
4
DM
AMS
ANTARES
DES
Bipo (SN)
Física de Astro-
Partículas
DM
Experimental (2008)
AUGER
La Palma
Grupos Experimentales
Infraestructuras Científicas 33

34. EES, Bilbao
4
ALBA, Barcelona
Tandem,
Tandem, Madrid
4 Light Source Synchrtron
UAM
IFIMED, Valencia
Medical Applications
Accelerator Infraestructures
CNA, Sevilla
Operating infrastructures
Future infrastructure initiatives
34

35. Producción Española
Scientific Publications
(CERN SCOAP3 Study Group)
España 3,1%
(dividido por el
número total
publicaciones y
autores, doble
normalización)
35

36. Producción Española
Olympic Ranking
(The New York Times)
la s
u
tíc
ar
P
de
a
ísic
F
n
OS
,e
ia EM
c
en OD
Ci
nP
en
bié
y
a
tam
añ
p
Es
En
En los Juegos Olímpicos de Pekín, España: 2% de la medallas, 14 en el ranking
En Física de Partículas, España: 3,1% peso en publicaciones, 9 en el ranking
36
@ Informe P5 EEUU

37. Algunos Ejemplos
I+D, Tecnologías
Computación
•
– E-Ciencia (Tecnologías GRID)
Semiconductores:
•
– Detectores de Silicio
– Imagen Médica
– Resistencia a la radiación
– Micro-soldado de Alta Densidad
IFCA
Aceleradores:
•
– Imanes
– Criogenia
– RadFrec, Fuentes de Tensión
Proyectos:
•
– CLIC/CTF3
– ILC, ATF2
– SLHC, RD50
– Dear Mama, CIMA 37

38. Médica: Médica,
Física Médica: Imagen Médica, radiotrazadores
radio-
Uso de radio-isótopos en medicina
¿Cómo se utilizan?
• Uso de una sustancia bioquímica cuya distribución en el
cuerpo dependa de cómo/dónde se encuentre el tumor.
• Adjuntar a la sustancia bioquímica un radiotrazador que
se inyecta al paciente.
• Medir la distribución de las trazas.
• Interpretar los resultados y reconstrucción de las
imágenes.
Contribución de los físicos de partículas:
• Construcción de detectores
• Reconstrucción de imágenes
38

39. Mini Camara Gamma
Diagnóstico de cáncer
Melanoma ganglio centinela
Hospital Clínico de Barcelona
Hipertiroidismo. Hospital 9 de Octubre, Valencia
39

40. Mini Cámara Gamma: Diagnóstico neurológico
Imagen del Cerebro de un Ratón
40

41. Radioterapia, Hadroterapia
protons or
carbon ions
XPhotons
rays Protons
Photons Protons
Protones 25 cm
Tumor
200 MeV
Haz de hadrones
Iones de Carbono
4600 MeV
Tratamiento convencional de tumores por radioterapia, Rayos-X
Hadroterapia (protones, iones). Ofrece una mejor modulación y
localización del tratamiento. ¡Incluso se estudia con anti-materia ! 41

42. Sir Edmund Hillary
Reinhold Messner
Investigador,
se hace ciencia al investigar
y, al volver la vista atrás,
Investigación: una aventura de hoy en la que
se ven las aplicaciones a ser pionero dado lugar
aún se puede las que ha
(¡¡¡ y que me perdone A. Machado !!)
42

43. Ciencia básica y tecnología
Física de la Tierra, Ciencias medio-
ambientales, Ecología …
Física nuclear y de partículas,
Astrofísica, Energías alternativas
Física Cuántica, Nanotecnología,
Computación Cuántica…
Física médica,
Biotecnología …
43