Este documento describe el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN y los experimentos realizados allí para explorar las fronteras de la física de partículas. El LHC acelera haces de partículas a energías récord de varios TeV antes de hacerlos colisionar dentro de enormes detectores subterráneos como ATLAS y CMS. Estos detectores miden los productos de las colisiones para buscar nueva física más allá del Modelo Estándar, como la materia oscura o la supersimetría. Los descub

1. Explorando las fronteras de la
Física de partículas con el LHC

2. Disculpas
Hobbes: ¿Nombres
científicos?
Cartel: Nombres
científicos – 1.00$
Calvin: Por supuesto.
Los científicos
aparecen con grandes
y osadas teorías, pero
después les dan
nombres simplones y
sin imaginación
Calvin: Por ejemplo,
los científicos creen
que el espacio está
lleno de una masa
misteriosa, invisible, y
¿cómo la llaman?
¡“Materia oscura”!
¡Duhh! Enterate, se
puede hacer una
fortuna aquí.
Hobbes: Me gusta
decir “Quark”! Quark,
quark, quark, quark!
Calvin: En lugar de
hacer el tonto, porque
no vas a buscarme
algún científico

3. Mapa galáctico de la Ciencia

4. ¿De qué
estamos
hechos?

5. ¿De qué estamos hechos?
[ Respuesta antigua ]

6. ¡Una nueva tabla periódica!
Gluones (8)
Quarks
Mesones
Bariones Núcleos
Graviton ? Bosones
(W,Z)
Atomos
Luz
Química
Electrónica
Sisteme solar
Galaxias
Agujeros negros
Desintegración n
Radioactividad beta
Interacciones de los neutrinos
Fusión en el sol
Fuerte
Fotón
Gravitacional Débil
Grupo de Física Experimental de Altas Energías, U. Oviedo
Electromagnetica
Tau
Muon
Electron
Tau
Neutrino
Muon
Neutrino
Electron
Neutrino
-1
-1
-1
0
0
0
Bottom
Strange
Down
Top
Charm
Up
2/3
2/3
2/3
-1/3
-1/3
-1/3
cada quark: R, B, G 3 colores
QuarksCarga eléctrica
LeptonesCarga eléctrica

7. ne
eup
down
quarks leptones
. . .
La masa de las partículas
La razón está relacionada con la existencia de una nueva
partícula llamada el “bosón de Higgs” descubierta en 2012

8. Premio Nobel Física 2013
El mayor
descubrimiento
científico de los
últimos 50 años

9. ¿Hay la
algo
más?

10. La rotación de las galaxias
Vera Rubin

11. ¿Qué más hay ahí fuera?
Satélite Plank – Resultados de marzo de 2013

12. ¿De qué está hecha la materia
oscura?
(pregunta para un físico de partículas)
¡Tiene que ser algo que no hayamos visto aún!
O bien pesa mucho y no lo hemos producido en
nuestros experimentos....
... o bien interactúa muy poco con las partículas que
conocemos y se produce con muy poca frecuencia...
... o ambas cosas ...

13. La naturaleza está llena de cosas
simétricas

14. Construimos cosas simétricas

15. ¿Y si nos inventamos una nueva simetría
que relacione fermiones y bosones?
La upersimetría

16. ¿Dónde se estudian al
mismo tiempo los
constituyentes de la
materia y el origen del
Universo?

17. EL CERN
Investigación y
Descubrimiento
Formación
Tecnología
Colaboración
El mayor laboratorio del mundo en Física de Partículas
1949 – Propuesto por Louis de Broglie
1954 – Fundación

18. El CERN en NúmerosUsuariosCERN-Enero2014

19. Miles de científicos de todo el mundo

20. Esto es el LHC…
El experimento más grande del mundo
El acelerador: LHC

21. Acelerando las partículas...
Un conjunto de cavidades de radiofrecuencia
El campo de aceleración es de 5 Millones de Voltios por metro
Frecuencia 400 MHz

22. 27 km a 99.9999% de la velocidad de la luz...

23. Acelerando las partículas...
Un conjunto de cavidades de radiofrecuencia
El campo de aceleración es de 5 Millones de Voltios por metro
Frecuencia 400 MHz

24. Se usan electroimanes dipolares para
acelerar los protones y mantener su trayectoria. Cada
uno tiene 15m de longitud y pesa 35 Tm.
Existen 20 km de estos imanes
superconductores y para enfriarlos a 1.9 K se usan
96 Tm de He superfluido
Se requieren campos magnéticos de 8.3 T para
mantener la trayectoria de los protones, cada uno con
una corriente de 11,700 A. En una casa familiar
medio se usan menos de 70 A.
Curvando las partículas...

25. El lugar más frío del universo
Universo
T=-270,5 oC
12 Ml de Ni líquido se vaporizan durante el enfriamiento inicial (31000 Tm de material).
Posteriormente 5000 Tm de He líquido son necesarios para mantenerlo por debajo de 2K.

26. El espacio más vacío del Sistema Solar
10-13 atmósferas, ¡diez veces menos que la presión de la Luna!

27. La energía almacenada por los todos los imanes del LHC a
14 TeV es de 10.4 GJulios
• Esa energía hay que descargarla en 40 seg!!!
Comparando con los aceleradores previos:
• Campo magnético: x 2
• Energía del haz: x 7
• Energía almacenada: x 200
10 GJ  A380 @ 700 km/h

28. Transformamos energía en masa

29. Choque de protones

30. Los detectores...
...donde colisionan los protones
Images of Assembly and Installation

31. Los detectores más grandes y sofisticados jamás construidos

32. Instalados en cavernas
enormes bajo tierra
En las cavernas en las que están
los experimentos cabría la
catedral de Oviedo
¡10 pisos de altura!
a 100 m bajo tierra

33. El desafío de mover miles de toneladas

34. La cámara de fotos más precisa...
100M pixeles
40M fotos/s
Datos
15000 TB/año
¡Por experimento!
Solo se almacenan
600 cada segundo

35. • El 80% de la computación de CMS se hace
fuera del CERN en centros repartidos por
todo el mundo:
– Con más de 20.000 cores, que procesan 15
millones de GB de datos y producen 5000
millones de simulaciones al año
• En la Universidad de Oviedo hemos
instalado un Tier-3 y participamos en el
Tier-2 español
• Además disponemos de un CMS Centre
que nos sirven como:
– Centro de control remoto del experimento
– Centro de divulgación científica
Computación
Tenemos que encontrar 1 suceso (colisión)
entre 10.000.000.000.000

36. Y a pesar de algún algún imprevisto
(exagerado por la prensa)

37. Primeras colisiones (con haces estables) el
7 de mayo de 2016

38. Primeras colisiones (con haces estables) el
7 de mayo de 2016

39. Y el resultado es...
...Una colisión en CMS
𝐻 → 𝜸𝜸 @ 8 TeV

40. ¿Cómo vemos los resultados los
físicos?

41. Y esto...
¿para qué
sirve?

42. ¿Aplicaciones prácticas?
1897 - J.J. Thomson
El electrón
Thomson describiendo en 1934 el
posible impacto de su descubrimiento
del electrón en 1897:
“¿Podría algo parecer menos
práctico que un cuerpo que es tan
pequeño que su masa es una fracción
insignificante de la masa de un átomo de
hidrógeno?...
... que es tan pequeño que un
conjunto de estos cuerpos igual a la
población mundial total no podía haber
sido detectado por ningún medio
conocido por la ciencia en ese momento.”

43. Tecnología e Innovación
Aplicaciones médicas
Combinación de la Física, la Biología
y la Medicina en la lucha contra el cáncer
Acelerando haces de partículas
~30.000 aceleradores en el mundo
~17.000 usados en Medicina

44. Tecnología e Innovación
Aplicaciones médicas
Hadronterapia
Tumour Target
Protones
Iones ligeros
Rayos X protones
El CERN coordina la investigación en este campo
Carbono
Protón
Neutrón
Electrón

45. Tecnología e Innovación Aplicaciones médicas
Detectando partículas: PET
Las técnicas de tomografía por emisión de positrones
utilizan la antimateria (los positrones) emitida
por un radiofármaco para producir un par de fotones al
aniquilarse con otro electrón del cuerpo.
Los detectores utilizados derivan directamente
de los que se utilizan en los grandes detectores de
Física de Partículas

46. ...la World Wide Web...

47. Técnicas de Computación
- La Grid -
160 centros
35 países

48. Redes de comunicaciones y
computación cuántica
Redes de Comunicaciones actuales
¿Redes de Comunicaciones futuras?
La criptografía cuántica permitiría utilizar
redes de comunicaciones de manera segura.
La computación cuántica abordaría
problemas complejos en tiempos muchos
más cortos que los actuales
Las necesidades del LHC han
propiciado la creación de
rapidísimas redes científicas de
comunicaciones utilizadas en todo el
mundo.

49. Desarrollos industriales
Las técnicas de vacío ultra alto
se utilizan para mejorar el
aislamiento de las cámaras de calor
de los paneles solares
incrementando su eficiencia.
Las necesidades del LHC han
propiciado la creación de
rapidísimas redes de comunicación
utilizadas en todo el mundo.
Y mucho más...
• Criogenia para conservación de
los alimentos
• Superconductividad en levitación
magnética, transporte eficiente
de la energía eléctrica
Paneles solares en el aeropuerto de Ginebra
fabricados por una empresa española.

50. ¿Puedo participar?
Beamline for schools
Descripción en castellano en http://beamline-for-schools.web.cern.ch/sites/beamline-for-
schools.web.cern.ch/files/Spanish.pdf
Página principal:
http://beamline-for-schools.web.cern.ch

51. ¡Muchas
Gracias!
Para saber más sobre...
• ... el CERN
Web: http://www.cern.ch
• ... el CPAN [C. Nacional de Partículas,
Astropartículas y Nuclear]
Web: http://www.i-cpan.es
• ... el grupo de Física Experimental de
Altas Energías
Web: http://www.hep.uniovi.es
Twitter: @uniovihep
Un gran grupo de investigadores

52. Backup

53. Lentes gravitatorias y
colisiones de cúmulos
Choque de cúmulos
En azul la materia
oscura
Lente gravitatoria causada
por materia oscura

54. No se vayan todavía: ¡aún hay más!
Unificación de fuerzas
EM
Débil
Fuerte

56. El largo camino del LHC y los detectores
-2025 o 2030 LHC FUNCIONANDO
2015 A la caza de la materia
oscura
2012 Observa de una partícula
consistente con el Higgs
2009/10 Comienzo del LHC
2008 CMS listo para las primeras
colisiones protón-protón
2004 Se completan las cavernas
2000 Comienza el ensamblado en superficie.
Cierre del LEP
1998 Comienzo de la construcción (TDRs)
1998 Firma del MoU de Construcción
1996 Aprobada su construcción
1994 Technical Proposals Approved
1993 LoI (ATLAS y CMS)
1992 Reunión General sobre Física del LHC y
Detectores, Evian les Bains
1990 ECFA LHC Workshop, Aachen
1987 El “Long-Range Planning Committee”
recomienda el LHC como elección de futuro
para el CERN
1984 Workshop on a Large Hadron Collider
in the LEP tunnel, Lausanne
Proyectode25+20años

57. Raw SET~2 TeV
14 jets with ET>40
Estimated PU~50
57

58. El lugar más caliente del universo
160 000 000 000 000 000 oC

59. ¿Por qué sólo hay materia?

60. ¿Dónde está la antimateria?
Si el Universo comenzó puramente a partir de energía
debería contener la misma cantidad de materia que de
antimateria. Si hubiese la misma cantidad de materia que
antimateria se hubiera aniquilado entre sí.
Pero aún estamos aquí y no se ha encontrado evidencia
para aglomeraciones de antimateria.
Por cada 109 pares de partículas-antipartículas producidas
en la llamada bariogénesis (10-6 segundos después del Big
Bang), parece que hay un exceso de 1 partícula
 TODO LO QUE SE VE EN EL UNIVERSO HOY es ese
exceso
Algunas leyes de la Naturaleza podrían no
ser IMPARCIALES entre materia y
antimateria (Charge-Parity Violation)

61. Cazadores de partículas españoles
• España es miembro del CERN
desde 1983 y aporta un 8,9% del
total al organismo que gestiona
el LHC, lo que la convierte en el
quinto contribuyente
• Más de una decena de
Universidades y Centros de
Investigación participan en el LHC
• 70 empresas españolas participaron en su construcción: Duro
Felguera, Asturfeito, Nortemecánica,...
• El Centro Nacional de Física de Partículas,
Astropartículas y Nuclear (CPAN), proyecto en
el cual participan 26 grupos de investigación y
más de 400 científicos, aglutina en gran
medida la participación española en el CERN

62. Oportunidades en el CERN
(http://cern.ch/jobs)

63. Oportunidades en el CERN
(http://cern.ch/jobs)