1. La Física de Partículas.
¿Qué es? ¿Qué es el bosón de Higgs?
¿Cómo se estudia?
Francisco Matorras
Instituto de Física de
Cantabria (IFCA)

2. IFCA 2
Instituto de Investigación Mixto, de dos instituciones:
Universidad de Cantabria
Consejo Superior de Investigaciones Científicas
Creado en 1995
Trabajamos ~100 personas
Investigadores
• Profesores de la UC
• Investigadores del CSIC
• Postdocs, Contratados, Becarios de UC y CSIC
Plantilla de Apoyo
• Administración
• Unidad de Servicios Informáticos
• Laboratorios
Publicamos >100/año artículos en las mejores revistas internacionales
de Física
¿Qué es el IFCA?

3. IFCA 3
Actividad del IFCA
El IFCA es fundamentalmente un centro de investigación
básica en:
Astrofísica:
• Fondo Cósmico de Microondas
• Radiofuentes
• Astronomía de Rayos X
• Telescopios terrestres
Estructura de la Materia:
• Física Estadística y No Lineal
– sistemas complejos
– predicción meteorológica
– comunicaciones ópticas
• Física Experimental de Partículas
– Desarrollo de instrumentación
– Análisis de datos
– computación avanzada
casi 20 años investigando algunas
de las preguntas fundamentales
en física:
La evolución del Universo.
Las galaxias más lejanas.
Cuásares.
Materia versus Antimateria
La partícula más pesada que existe
A la búsqueda del bosón de Higgs
Computación Grid
Predicciones en sistemas complejos.
Comunicaciones caóticas.

4. IFCA 4
¿Cómo investigamos?
Desarrollamos, construimos y utilizamos detectores
para observar
Usamos grandes telescopios
Lanzamos satélites de observación
Instalamos grandes detectores de partículas
trabajando y desarrollando tecnologías de última
generación

5. Introducción
 La Física de Altas Energías estudia las
partículas elementales, ¿porqué?
 Porque toda la Naturaleza está formada por
estos bloques básicos...de hecho explican la
composición y comportamiento de toda la
materia y energía del Universo.

6. ¿De qué está hecha la materia que nos rodea?
 Está formada por los diferentes tipos
de átomos que conocemos (tabla
periódica), formando parte de diversas
estructuras (moléculas, cristales…)
 Cada átomo tiene un núcleo, rodeado
de una nube de electrones, y formado
por neutrones y protones, que son
mucho mas pesados (unas 2000 veces
mas que los electrones).
 La gran variedad de materiales que
conocemos es combinación de estas
tres partículas: electrón, protón y
neutrón
Tabla Periódica
de los Elementos

7. Mosca de la fruta: 3 mm (0.003 m)

8. Ácaros: 500 µm (0.0005 m)

9. Bacteria: 0.5 µm (0.0000005 m)

10. Virus: 100 nm (0.0000001 m)

11. Molécula de proteina: 10 nm (0.00000001 m)

12. Cadena de átomos: 2 nm (0.000000002 m)

13. electrón
protón
neutrón
< 1 am
(0.000000000000000001 m
10-18 m)
1 fm
(0.000000000000001 m
10-15 m)
1 fm
(0.000000000000001 m)
Átomo(OJO, no está a escala!!):
100 pm (0.0000000001 m)

14. Proton
?
?

15. Up Quark & Down Quark: < 1 am
(< 0.000000000000000001 m
10-18 m)

16. ¿Por qué necesitamos más
partículas?
 Con estos tres tipos de partículas se pueden explicar la
composición de toda la materia “habitual”
 Hace poco más de un siglo parecía entenderse todo a
nivel fundamental de forma muy correcta:
 Se conocen la fuerza gravitatoria (Newton) y el campo
electromagnético (Maxwell)
 Se descubre y entiende la radioactividad:
 Relatividad:
 Cinemática relativista
 equivalencia masa-energía E=mc2
 Teoría del átomo con sus componentes elementales:
 electrón, protón, neutrón
 Sin embargo, observaciones de ciertos fenómenos de la
naturaleza y posteriores experimentos mostraron un
mundo más complejo

17. Neutrinos
neutrino
 En el estudio de ciertas desintegraciones radioactivas
se observan inconsistencias que no encajan en esta
imagen
 Pauli propone la existencia de una nueva partícula
 Esta partícula, sin carga eléctrica y mucho más ligera
que el electrón (quizás sin masa), es el neutrino.
 Tiene un papel esencial en las reacciones de
transformación entre neutrones y protones.

18. La radiación cósmica
 Durante la primera mitad del
siglo XX se encontraron nuevos
tipos de partículas estudiando la
radiación cósmica
 en cascadas de partículas
creadas por la colisión de protones
del espacio con átomos de la
atmósfera.
 Los muones son partículas
idénticas a los electrones,
¡excepto por su masa que es
unas 200 veces mayor y son
inestables!
 Además se encontraron otras
partículas como los piones y
otras denominadas extrañas

19. Antimateria
 ¿Existe realmente la antimateria? ¿No es ciencia ficción?
 Sí, inicialmente fue simplemente una hipótesis para
justificar un problema matemático en la expresión que
describe el movimiento del electrón
 Se observó posteriormente en la naturaleza (rayos
cósmicos y en ciertos procesos de radiactividad
natural)
 Se produce constantemente en laboratorios de
investigación
 Es la base de instrumentos en medicina (PET, Proton
Emision Tomography)

20. Antimateria: ¿Qué es?
 ¿Qué es la materia?
 entendemos la materia como aquello que está
formado por un tipo de partículas llamadas
fermiones
 quarks y electrones que forman la materia “habitual”
 y alguna más...
 Cada una de estas partículas tiene una “pareja” casi
idéntica con las propiedades invertidas
 se pueden “crear” (producir) pares
partícula/antipartícula a partir de energía
 una partícula que se encuentre con su
antipartícula se aniquila produciendo energía

21. Antimateria
 En 1928, Paul Dirac explica
matemáticamente el
comportamiento del electrón
combinando la teoría cuántica y
la relatividad
 La ecuación propuesta tenía dos
soluciones: una la esperada...
 pero también otra que
representaría a un electrón
con todas sus propiedades
invertidas.
 Dirac interpretó esta segunda
solución como la de una
antipartícula, copia idéntica pero
con propiedades opuestas.
 En el caso del electrón, el
antielectrón o positrón

22. Antimateria
 Anderson confirmó la existencia del positrón poco después al
detectar en la radiación cósmica la conversión de un fotón en un
electrón y un positrón
creación de nuevas partículas a partir de energía
E=mc2
la antimateria se aniquila produciendo energía
cuando entra en contacto con la materia

23. Ahora entendemos la materia compuesta por 12
tipos de partículas fundamentales y sus
correspondientes antipartículas:
LEPTONES
CARGADOS:
electrón
muón,
tau
NEUTRINOS:
aparecen en
desintegraciones
radiactivas
QUARKS:
protones y neutrones (núcleos
de átomos)
u,d,s,c,b,top

24. ... que interaccionan por medio de 4
fuerzas fundamentales
 intercambiando partículas mediadoras (bosones).
 como dos personas que se lanzan un balón medicinal...
 se repelen por intercambio de una partícula
FUERTE:
ligadura de los
núcleos
energía nuclear
gluones
ELECTRO-DÉBIL:
electricidad, magnetismo
combustión estrellas
fotón, bosones W,Z
GRAVITATORIA:
gravedad terrestre,
galaxias
Gravitón(?)

25. El modelo estándar
 Todo este conocimiento se condensa en un modelo
matemático: el Modelo Estándar
 con pocas hipótesis y parámetros
 explica con gran precisión todos los fenómenos
subatómicos observados
 es capaz de predecir resultados de experimentos de
laboratorio
 Al igual que con Mendeleiev quedaron “huecos” que
posteriormente se llenaron con partículas

26. ¿Qué es la masa?
 Según la RAE, la wikipedia (y muchos libros de
texto)
 La masa es una medida de la cantidad de materia
que posee un cuerpo
 Realmente en el mundo subatómico es más complejo...
 ¡hay partículas de materia sin masa y partículas con
masa que no son materia!
 De forma más general, la masa de un cuerpo es una
propiedad relacionada con la fuerza que hay que hacer
para poner ese cuerpo en movimiento (o con la
atracción gravitatoria)
 algo tiene mucha masa si cuesta mucho frenarlo o
ponerlo en movimiento (o si pesa mucho)

27. El bosón de Higgs
 ¿Dónde encaja en todo esto?
 con el planteamiento inicial el modelo estándar
funcionaba sólo para partículas sin masa
 ¡sin embargo, sabemos que las partículas tienen
masa!
 Hace unos 50 años se propuso un “artificio”
matemático (mecanismo de Higgs) que
solucionaba este problema
 Incorporaba las masas de forma natural y mantenía
el poder predictivo del modelo.
 Predecía un nuevo tipo de partícula, el bosón de
Higgs, que sin embargo no se había observado en
estos 50 años

28. El bosón de Higgs
 ¿Por qué tanta excitación?
 el modelo estándar explica a la perfección todos
los fenómenos de la naturaleza a escala
subatómica (incluido los primeros instantes
después del Big-Bang)
 Se basa en una hipótesis “arriesgada”
 ¿Cómo puede funcionar tan bien el modelo y sin
embargo estar equivocada esta hipótesis?
 Pese a muchos años de experimentos (en
Cantabria colaboramos en varios desde el año
1985) ¿por qué no se ha visto el Higgs?

29. Campo de Higgs
 ¿Cómo funciona?
 es un campo cuántico que se extiende por
todo el espacio
 se acopla con distinta intensidad a cada tipo
partícula
 (si lo hace con más intensidad la partícula
tendrá una mayor masa).
 la intensidad viene dada por algo parecido a
una fricción con el campo de Higgs,
 por lo que las partículas más ligeras se
moverían por este campo fácilmente mientras
que las más pesadas lo harán con mayor
dificultad.

30. Campo de Higgs
 El campo de Higgs sería como un mar
invisible que se extiende por todo el
universo
 las partículas como barcos navegando por él.
Barcos más grandes sufren una mayor
fricción, tendrán mayor masa.
 En ciertas condiciones el mismo campo se
puede manifestar como una partícula, el
bosón de Higgs
 como el mar en ciertas condiciones puede
producir un iceberg que navega por él...

32. Bosón de Higgs  ¿Por qué es tan difícil de
detectar?
 el bosón de Higgs se
desintegra inmediatamente a
otras partículas subatómicas
 no existe en la naturaleza
 incluso en experimentos
dedicados, se produce muy
raramente
 hay que:
1. producir un Higgs
2. detectar las partículas a las
que se desintegra
3. reconocerlo entre otras
muchas colisiones
parecidas

33. ¿Cómo se investiga en este
campo?
 La mayoría de las partículas elementales no
existen en la naturaleza en estos momentos
 Somos capaces de “crear” (producir)
transformando energía en materia
acelerando partículas más comunes y
haciéndolas chocar entre sí
 Mediante detectores de alta tecnología
somos capaces de ver su rastro y medir sus
propiedades

34.  The Large Hadron Collider
 acelerador de partículas del
CERN (Geneva)
 centro europeo de física
de partículas
 Acelera partículas
subatómicas (protones) y
las acelera a altísimas
velocidades para hacerlas
colisionar
 Se pueden producir
partículas que no existen
en las actuales condiciones
de la naturaleza
 Grandes y complejos
detectores registran los
productos de las colisiones
El LHC

35.  27 Km de tunel 100 m bajo tierra
 Se aceleran los protones hasta 0.99999999 veces
la velocidad de la luz
 11000 vueltas por segundo
 Vacío comparable al del espacio interestelar
Algunos números...

36.  1600 imanes superconductores
 Uno de los lugares más fríos del Universo, -271 Celsius
 120 Toneladas de Helio Líquido
 A la vez, las colisiones producen durante un breve instante
las mayores temperaturas en el Universo
 miles de millones de veces la temperatura interna del sol
 Parecida a la que hubo en el Universo fracciones de segundo
después del Big-Bang
Algunos números

37. Detectores de partículas
 Las partículas elementales son extremadamente pequeñas… ¿cómo
se pueden estudiar?
 Un reactor que vuela muy alto, no es visible, pero su traza en el cielo
bajo ciertas condiciones, si lo es…
 De forma similar una partícula subatómica puede dejar un rastro al
ionizar los átomos un medio:
 Emulsión fotográfica
 Cámaras de niebla, llenas de vapor, se empleaba un principio similar: se
observa un rastro de condensación creada por la partícula.
 Para medir su energía y su carga se puede emplear un campo
magnético: las partículas curvan su trayectoria en él.

38. Detectores Modernos
 Los detectores generan señales
electrónicas que son recogidas y
analizadas por ordenador
Un detector está
compuesto de muchos
tipos de subdetectores
complejos y tiene
grandes dimensiones
1. Las partículas al cruzar el
detector chocan con los
átomos y liberan
electrones
1. Ios electrones son
atraídos por un hilo
1. la señal eléctrica se
amplifica y se envía a un
ordenador
1. la trayectoria es
reconstruida por el
ordenador

39.  Actualmente se
construyen enormes
detectores basados
en componentes
electrónicos
 4 en el LHC: Alice,
Atlas, CMS, LHCb
 Probablemente los
aparatos más
complejos jamás
construidos
 Han llevado cerca de
20 años de desarrollo
y construcción por
equipos de miles de
científicos
Detectores

40. Desafío tecnológico
 15 m de diámetro, 20 m
longitud
 Los campos
magnéticos más
intensos: 4 Tesla
(100000 veces el
campo terrestre)
 12500 Tm (2x Torre
Eiffel) de alta
tecnología
 Como una gigantesca
cámara 3D sacando
40000 fotos/segundo a
partículas subatómicas
con precisiones de
milésimas de milimetro
 La mayoría con
tecnologías
desarrolladas por los
propios científicos del
LHC que luego se
pueden utilizar en otras
aplicaciones

41. Moverlo fue un desafío...

43. ¡Un ejemplo de cooperación!
El experimento CMS del LHC

44.  Desafío computacional
 Como almacenar 1 GB/s
de datos (unos 100000000
GB/año !!!)
 Sólo una de cada
1000000000 colisiones
producen un bosón de
Higgs
 GRID computing: datos y
recursos distribuidos en 30
centros por el mundo (uno
de ellos en Santander)
Hay que analizar los datos

45. Con todo esto...
 Las señales producidas por las colisiones del
LHC en Ginebra se almacenan y analizan en
Santander
 Sobre ellas se trabaja
e intenta sacar
conclusiones
 Ésta es la primera
colisión detectada en
el LHC

46.  Las colisiones en que
se produce algo
“interesante” son muy
raras
 por ejemplo el bosón
de Higgs se produce
en unas 10 de cada
billones de colisiones
 la señal detectada no
es muy distinta de
otras colisiones
Una aguja en un pajar

47. ¿Cuál es el Higgs?

48. ¿Cuál es el resultado actual?
 Aunque se siguen acumulando y analizando
datos para confirmarlo
 en Julio se tuvo la certeza de que había algo
nuevo en los datos:
 no es compatible con ninguna partícula conocida
 si no es el bosón de Higgs, al menos es algo con
propiedades parecidas

49. Y, ¿ya entendemos todo?
 NO, de momento se ha
entendido el problema
de la masa
 y no completamente
aún hay aspectos
que aclarar
 Muchas otras
cuestiones abiertas en
este campo se siguen
estudiando en el LHC
 ¿Qué es la materia oscura?
¿existe?
 ¿Y la energía oscura?
 ¿Vivimos realmente en un
mundo de 3 dimensiones
espaciales o hay más?
 ¿Por qué existe tan gran
asimetría entre materia y
antimateria?
 ¿Por qué hay 4 fuerzas
fundamentales? ¿Por qué son
tan distintas?
 ¿Existe la supersimetría?

50. Courtesy of IBA
¿Para qué sirve todo esto?
 Aumentar nuestro conocimiento,¡ algo fundamental como seres
humanos!
 Descubrimientos de Ciencia Básica de hace 100-150 años son los
que han permitido la revolución tecnológica de los últimos años
 Los desarrollos tecnológicos
revierten a más corto plazo en
nuestra vida diaria
 aceleradores de partículas son
ya habituales en el tratamiento
del cáncer
 Las técnicas de
radiodiagnóstico han
evolucionado tremendamente
los últimos años en gran
medida a partir de las técnicas
desarrolladas en experimentos
como estos.
 ¡el www se desarrolló en el
CERN por investigadores en
Física de Partículas!

51. En resumen...
 El descubrimiento del
bosón de Higgs cierra una
fase de nuestro
conocimiento del
Universo...
 ...aunque aún quedan
muchas preguntas por
responder
 La búsqueda de esta
partícula ha sido un
esfuerzo colaborativo de
escala mundial (en la que
hemos colaborado desde
Cantabria)
 Por el momento no
sabemos de ninguna
aplicación práctica
(aunque probablemente
las habrá)
 ¡salvo para historias de
ciencia ficción!
 Sí hay aplicaciones
directas de la tecnología
desarrollada para su
descubrimiento

52. Más información difusion@ifca.unican.es
 Visitas al IFCA en Noviembre (Semana de
la Ciencia)
 En nuestro www www.ifca.unican.es
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