Una primera introducción a la física de partículas para profesores de materias científicas en enseñanza secundaria.

1. Introducción a la física de partículas para profesores de instituto (no necesariamente de física)

3. 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…

4. 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.

5. 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 ciertas El 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 y Taylor 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

6. 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 = mc 2 en acción cortesía CERN / Rafael Carreras Colisiones: el método experimental

7. 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

8. 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)

9. 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

10. ¿Por qué hacen falta altas energías ? E = mc 2 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 mc 2 (Los detalles más adelante…) De forma similar al paso de la microscopía óptica a la electrónica, aquí más energía significa mayor resolución espacial.

11. 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.

12. Estos son los resultados: Adaptado de un diagrama cortesía de Fermilab

13. En más detalle Adaptado de un diagrama cortesía de PDG / LBNL

16. Adaptado de un diagrama cortesía del Particle Data Group / LBNL

17. 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

18. 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

19. 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

20. Órdenes de magnitud y 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…

23. Los instrumentos: aceleradores y detectores cortesía CERN ATLAS CMS

24. 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

25. 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.

26. 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 Solenoide superconductor calorímetros tracker