Este documento resume los principales conceptos de la física de partículas, incluyendo la constante de Planck, el principio de indeterminación, los aceleradores de partículas, la relatividad, el espín, los quarks, los leptones, la interacción débil, y el mecanismo de Higgs. También describe los objetivos y métodos del Gran Colisionador de Hadrones en el CERN para explorar estas cuestiones fundamentales a través de colisiones de alta energía.

1. HANDS ON PARTICLE PHYSICS
Bernardo Adeva Andany
Universidad de Santiago de Compostela
Facultad de Física, 17 de Marzo de 2005

2. Constante de Planck ħ igual
para átomos, núcleos y quarks
Principio de
indeterminación:
Energía cinética mínima T
Δx =distancia de confinamiento
Energías muy altas para explorar distancias muy cortas
Δx
c
T


FISICA CUÁNTICA

3. ¿Por qué aceleradores?
Para investigar en física de partículas
La física de partículas observa la materia en sus
dimensiones más pequeñas.
Aceleradores Microscopios Telescopios ópticos y
radiotelescopios
Binoculares

4. RELATIVIDAD
La velocidad c no es superada nunca.
La energía (E) y el momento (p) son
equiparables al tiempo (t) y la distancia (x)
0)
T
p
(
2
c
m
E
:
reposo
En
2
/c
2
v
1
1
γ
2
c
γ
m
T
2
c
m
E
0
0
0








los aceleradores elevan el valor del momento p
después de estabilizar el electrón ( ó positrón)
a la velocidad c
E Δx =cΔt
CAVIDADES DE RADIOFRECUENCIA
Inyección periódica de energía electromagnética
LA MASA ES EN REALIDAD ENERGÍA

6. EL ESPÍN
Los átomos y los núcleos pueden girar alrededor de sí mismos (espín)
El espín está cuantificado en múltiplos de ħ (BOSONES)
ó de ħ/2 (FERMIONES).
Puede ser a derechas ó a izquierdas respecto a la dirección
de movimiento (signo + ó )
S
LOS QUARKS Y ELECTRONES TAMBIÉN GIRAN,
AUNQUE NO CONOZCAMOS SU INTERIOR.
SU ESPÍN ES ± ћ/2
P

7. RELATIVIDAD

e

e
q
q
protón
metal
El campo electromagnético (y la interacción fuerte) crean
pares electrón-positrón y pares quark-antiquark para energías
mayores que 2
0c
m
2
El positrón tiene energía positiva y espín opuesto al electrón

e
q

e
q
,
,
fotón

8. P.M.A. Dirac (1902-1984)

9. RELATIVIDAD
Electrón











m
E
p














m
E
p
LA OPOSICIÓN DEL ESPÍN EN LAANTIMATERIA
ES UNA CONSECUENCIA DE LA RELATIVIDAD
El positrón puede entenderse como un electrón
que viaja hacia atrás en el tiempo (R. P. Feynman)
Estados de energía positiva y negativa del electrón
Positrón

10. El anti-neutrino electrónico ( ) fué descubierto
en reactores nucleares (Reines y Cowan, 1953)
n
e
p
νe 

 
e
ν

12. El neutrino tiene también espín ½ e interacciona con los quarks
neutra)
(corriente
d
d
cargada)
(corriente
u
d



ν
ν
νμ


descubiertas en el CERN en 1973
INTERACCIÓN DÉBIL
TRASMUTACIÓN NUCLEAR
EL ANTI-NEUTRINO TIENE ESPÍN OPUESTO AL NEUTRINO
Pero sólo se han observado neutrinos con una orientación
del espín (a izquierdas)
LA INTERACCIÓN DÉBIL ROMPE LA SIMETRÍA
DERECHA-IZQUIERDA EN LA NATURALEZA

13. d
u
u
-


+
d
u u
u
μ
d
νμ


d
μ
u
νμ


El neutrino sólo ve los quarks d
El anti-neutrino sólo ve los quarks u
Protón

14. LOS ACELERADORES PUEDEN AUMENTAR LA ENERGÍA
DE LOS POSITRONES (E >> m c 2) Y CREAR CORRIENTES
MUY ELEVADAS ( hasta ~ 0.1 amperios de antimateria)
Aniquilación electrón-positrón:
quarks : u,c,t (carga +2/3), d,s,b (carga –1/3)
leptones : electrón (e), muón (), tau ()
q
q
e+
e-
e+
e-

15. Métodos de física de partículas
3) Identificar partículas creadas
en el Detector (buscar trazas,
determinar masas, momentos)
1) Concentrar energía en
las partículas
(Acelerador)
2) Colisionar partículas
(formar todo tipo de quarks,
nuevos electrones, etc.)
COMO FUNCIONA UN EXPERIMENTO

18. 























b
t
s
c
d
u


























 



 

e
e
EXISTEN 3 REPLICAS IDÉNTICAS DE QUARKS Y LEPTONES
A IZQUIERDAS EN LAS DESINTEGRACIONES TIPO  :
Ejemplos:
e
e
d
u 

 d
u 
 

(radiactividad) (experimentos con neutrinos)

19. ¿EXISTEN LOS QUARKS (ELECTRONES) A DERECHAS?
• se acoplan al electromagnetismo
(CON simetría derecha-izquierda):
• se acoplan a la corriente neutra
(SIN simetría derecha-izquierda):
b
b
γ 
b
b
0 
Z
Por supuesto, la respuesta es : SÍ
¿CUÁL ES LA SIMETRÍA DE LA TEORÍA
ELECTRODÉBIL UNIFICADA?
En cambio, ¡los neutrinos a derechas no existen!

20. EXISTEN 4 BOSONES , 3 DE ELLOS
MUY MASIVOS: W+,W-,Z0 Y EL TERCERO
DE MASA NULA, EL FOTÓN ()
En la TEORÍA ELECTRODÉBIL, sus acoplos
dependen de un único parámetro:
EL ÁNGULO DE WEINBERG w
Medido por el CERN con gran precisión:
sin2W = 0.23113 ± 0.00015
Así como la masa MZ = 91.1876 ± 0.0021 GeV/c2
Permite calcular el acoplo con los fermiones a derechas e izquierdas:


 l
l
Z0 q
q
Z 
0



0
Z
W
Z
W
M
M

cos


21. A pesar de la diferente estructura derecha-izquierda
de quarks y electrones
Su MASA EN REPOSO exige en RELATIVIDAD
el acoplo de ambas partes (derecha, izquierda):
E = m c2
Quark, electrón
La simetría electrodébil debe ser respetada al adquirir masa

22. El mecanismo de Higgs es la única forma conocida de
generar masas de los quarks, leptones y bosones respetando
la simetría electrodébil.
Un campo que está “magnetizado” en el vacío en una
dirección específica (espacio 4D) y con una energía
muy elevada:
< H0> = 174 GeV
Una partícula sin espín, el bosón de Higgs, que no
ha sido encontrada hasta la fecha en los aceleradores

23. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) será el
instrumento de investigación de partículas más
potente jamás construido.
Objetivo del CERN:
Construir aceleradores de partículas

25. Huella del Higgs en el LHC
Esperamos encontrar solo 1 Higgs en
1,000,000,000,000 de sucesos.
Los dos haces de protones colisionarán frontalmente
800 millones de veces por segundo en el LHC.

27. El LHC: Como será
El LHC comenzará a funcionar en el 2007.
Sin duda cambiará nuestra visión del Universo.

28. ¿SE DESINTEGRAN IGUAL LOS QUARKS A DERECHAS
QUE LOS ANTI-QUARKS A IZQUIERDAS?
SIMETRÍA CP
Sabemos que NO hay prácticamente antimateria
en el universo galáctico ¿Porqué?
Durante la explosión primera NO HUBO CONSERVACIÓN
de la simetría CP (Sakharov, 1967)
ELACELERADOR DEL CERN PODRÁ REPRODUCIR
ESTA SITUACIÓN EN EL EXPERIMENTO LHCb

29. DESCONOCEMOS EL ORIGEN
DE LAS MASAS DE LOS QUARKS
¿Es correcto el mecanismo de Higgs?
¿Cuántas partículas de Higgs existen?
Al adquirir masa, los quarks también adquieren
fases relativas entre las 3 generaciones o réplicas
 estas fases serán medibles en LHCb.

31. Medida de las fases relativas entre las 3 generaciones de quarks
EXPERIMENTO LHCb

32. Tracking detectors

33. El proyecto de cálculo GRID para el LHC está
financiado por la Unión Europea. Su objetivo es el de
construir una infraestructura de cálculo de nueva
generación que nos provea de una mayor capacidad
de análisis.
El GRID : una posible solución
del CERN a sus problemas de cálculo