Este documento describe la física de partículas elementales y las cuatro interacciones fundamentales. Explica que la materia está compuesta de quarks y leptones, y que las fuerzas electromagnética, fuerte, débil y gravitatoria son mediadas por bosones como el fotón, gluón, W y Z. También describe el bosón de Higgs, partícula clave del Modelo Estándar que otorga masa a las demás partículas a través de su interacción con el campo de Higgs.

1. Física
• Diego Mazzitelli
• Carlos Acha
• Daniel de Florian
Departamento de Física - FCEyN-UBA
Educar - Aportes para la enseñanza en el nivel Medio
aportes.educ.ar

2. Estado del arte
Física : ciencia de escalas
Lo mas pequeño, Partículas Elementales : Higgs
Lo mas grande, Cosmología : Agujeros Negros
Lo “super” y lo “nano”: Superconductividad

3. El bosón de Higgs
Educar - Aportes para la enseñanza en el nivel Medio
aportes.educ.ar
Daniel de Florian
Departamento de Física - FCEyN-UBA

4. Aparecerá en medios con frecuencia durante los próximos años
Unica partícula del Modelo Standard aún no “descubierta”
Misión fundamental: “otorgar” masa a las partículas

5. Aparecerá en medios con frecuencia durante los próximos años
Unica partícula del Modelo Standard aún no “descubierta”
Misión fundamental: “otorgar” masa a las partículas

6. Aparecerá en medios con frecuencia durante los próximos años
Unica partícula del Modelo Standard aún no “descubierta”
Misión fundamental: “otorgar” masa a las partículas

7. Aparecerá en medios con frecuencia durante los próximos años
Unica partícula del Modelo Standard aún no “descubierta”
Misión fundamental: “otorgar” masa a las partículas
“So, if we created a negative Higgs field, and
bombarded them with a stream of Higgs anti-
bosons, they might disintegrate”

8. Aparecerá en medios con frecuencia durante los próximos años
Unica partícula del Modelo Standard aún no “descubierta”
Misión fundamental: “otorgar” masa a las partículas

9. Aparecerá en medios con frecuencia durante los próximos años
Unica partícula del Modelo Standard aún no “descubierta”
God Particle
Misión fundamental: “otorgar” masa a las partículas

10. Aparecerá en medios con frecuencia durante los próximos años
Unica partícula del Modelo Standard aún no “descubierta”
God Particle
Misión fundamental: “otorgar” masa a las partículas
Revisión: Partículas Elementales
Interacciones Fundamentales

11. Durante el siglo XIX se comprendió la naturaleza
de la materia en término de átomos
Tabla de Mendeleev (1870)
Toda la materia, viva o inerte, está formada
por átomos y moléculas

12. Durante el siglo XX se comprendió la naturaleza
de la materia en término de componentes de los
átomos hasta llegar a quarks y leptones

13. Durante el siglo XX se comprendió la naturaleza
de la materia en término de componentes de los
átomos hasta llegar a quarks y leptones
Atomos y Núcleo y Protón y Quarks
La materia
moléculas electrón Neutrón
10-8 cm 10-12 cm 10-13 cm Sin tamaño?
Puntuales?
10-8 = 0.00000001
ocho ceros

14. Los “hadrones”: como el protón y el neutrón que forman los núcleos
de los átomos están formados por quarks
Nombre
Down
Up
Masas desde 5 MeV hasta 170 GeV
Charm Strange
Top Bottom m(e-) = 0.5 MeV
+ 2/3 - 1/3
Carga
Así por ejemplo:
protón (uud) neutrón (udd)
+ 2/3 - 1/3 - 1/3 = 0
+ 2/ + 2/ - 1/ = 1
Carga: 3 3 3

15. Los “hadrones”: como el protón y el neutrón que forman los núcleos
de los átomos están formados por quarks
Nombre
Down
Up
Masas desde 5 MeV hasta 170 GeV
Charm Strange
Top Bottom m(e-) = 0.5 MeV
+ 2/3 - 1/3
Carga
Así por ejemplo:
protón (uud) neutrón (udd)
+ 2/3 - 1/3 - 1/3 = 0
+ 2/ + 2/ - 1/ = 1
Carga: 3 3 3
Los Atomos están compuestos de
quarks (u y d) y electrones

16. Partículas de MATERIA Particulas Elementales
Mediadores de Fuerzas
Además existen “parientes”
pesados del electrón (muón y tau)
y sus correspondientes “neutrinos”
6 quarks y 6 leptones
Organizados en 3 familias
¡Agregar las antipartículas!
Tabla de Mendeleev del siglo XXI

17. Partículas de MATERIA Particulas Elementales
Mediadores de Fuerzas
Además existen “parientes”
pesados del electrón (muón y tau)
y sus correspondientes “neutrinos”
6 quarks y 6 leptones
Organizados en 3 familias
¡Agregar las antipartículas!
Tabla de Mendeleev del siglo XXI

18. Interacciones
…y reinterpretamos la fuerza electromagnética
q1 q2
r
F= 2
r
2
1
Pero si nada puede ser más rápido que “c” ¿Cómo puede existir una
fuerza (información) instantánea?
Electrodinámica cuántica (QED) : EM +relatividad + mecánica cuántica
γ
2
1
La interacción es mediada por el intercambio
FOTON
de una partícula (bosón de gauge)
El fotón viaja a la velocidad de la luz y es la unidad cuántica
del campo electromagnético, o más fácil, LA LUZ!!

19. …y descubrimos nuevas interacciones: fuerzas fuerte y débil
A estas interacciones las comprendimos en la década del 70:
Nuevos bosones de intercambio : gluones , W, Z
gluón
La fuerza Fuerte (nuclear) responsable de
mantener unidos a los quarks (núcleos)
protón
La fuerza Débil responsable del
decaimiento del neutrón
Neutrino: nueva partícula
n  peν decaimiento β
La interacción gravitatoria es la primera que sentimos pero
aún no la entendemos bien (¿gravitón?)

20. …y descubrimos nuevas interacciones: fuerzas fuerte y débil
A estas interacciones las comprendimos en la década del 70:
Nuevos bosones de intercambio : gluones , W, Z
gluón
Particulas Elementales
La fuerza Fuerte (nuclear) responsable de
mantener unidos a los quarks (núcleos)
protón
Mediadores de Fuerzas
La fuerza Débil responsable del
decaimiento del neutrón
Neutrino: nueva partícula
n  peν decaimiento β
La interacción gravitatoria es la primera que sentimos pero
aún no la entendemos bien (¿gravitón?)

21. …y descubrimos nuevas interacciones: fuerzas fuerte y débil
A estas interacciones las comprendimos en la década del 70:
Nuevos bosones de intercambio : gluones , W, Z
gluón
Particulas Elementales
La fuerza Fuerte (nuclear) responsable de
mantener unidos a los quarks (núcleos)
protón
Mediadores de Fuerzas
La fuerza Débil responsable del
decaimiento del neutrón
Neutrino: nueva partícula
n  peν decaimiento β
La interacción gravitatoria es la primera que sentimos pero
aún no la entendemos bien (¿gravitón?)

22. Modelo Standard : partículas de materia + partículas de intercambio
Teoría “elegante” y sencilla : teorías de “gauge”
pequeño problema: no acepta partículas con masa..
Un

23. Modelo Standard : partículas de materia + partículas de intercambio
Teoría “elegante” y sencilla : teorías de “gauge”
pequeño problema: no acepta partículas con masa..
Un
Formas alternativas de
“aumentar inercia” de un cuerpo
Masa Inercial : m = F/a Rozamiento
Viscosidad
Fuerza ~ constante

24. Modelo Standard : partículas de materia + partículas de intercambio
Teoría “elegante” y sencilla : teorías de “gauge”
pequeño problema: no acepta partículas con masa..
Un
Formas alternativas de
“aumentar inercia” de un cuerpo
Masa Inercial : m = F/a Rozamiento
Viscosidad
Fuerza ~ constante
Introducir una nueva partícula : bosón de Higgs
Impregna el espacio: Interactúa con las demás partículas
“otorgándoles” masa campo o especie de viscosidad

29. Higgs aún no hallado Masa > 114 GeV ?
Para descubrirlo, necesitamos aceleradores de mayor energía

30. Higgs aún no hallado Masa > 114 GeV ?
Para descubrirlo, necesitamos aceleradores de mayor energía
En este momento se está terminando de construir en el CERN,
Ginebra, un colisionador de protones a 14.000.000 MeV
Tiene 27 km de circunferencia - WWW
2007/2008
27 Km