Instituto de Física Teórica



   ¿Quiénes somos?


        ¿Dónde estamos?


             ¿A qué nos dedicamos?
(2004)




Investigadores   Postdocs   Estudiantes de
  de Plantilla                Doctorado
   ~ 20          ~ 20          ~ 40
Dónde estamos....




Campus UAM
Instituto de Física Teórica



         Investigación

       Formación
                               Producción Científica
    Conferencias Científicas
       Seminarios
       Estancias
      Divulgación
Física de Partículas

                                   ¿De qué
¿Qué investigamos?                 estamos
                                   hechos?

                Cosmología
¿De qué estamos
             hechos?
  Introducción a la Física de
    Partículas Elementales
IFT-CSIC/UAM      Angel Uranga
Madrid             (agradecimiento
Marzo 2012         a Alberto Casas
                por las transparencias)
LHC
Del estudio de las
partículas que se
producen en los choques
de protones
se espera obtener
información nueva y
crucial para nuestra
comprensión de la
naturaleza.
EL objetivo del LHC es traspasar la
frontera actual del conocimiento básico
          sobre la naturaleza
¿ Por
qué... ?
¿Por qué hay tantas sustancias y
       objetos diversos?
...
                               ...




Mendeleiev
 (1867)      Tabla Periódica
?
  Tabla Periódica
                          Átomo




Rutherford    Bohr
 (1909)      (1913)
protón   neutrón   electrón
...




protón   neutrón   electrón
protón    neutrón   electrón

 ¿Por qué existen estas tres partículas
  y a qué se deben sus propiedades?


   Esta pregunta sólo ha podido ser
       respondida parcialmente

 Aquí es donde chocamos con la
frontera básica del conocimiento
Frontera actual




Modelo Estándar
Modelo Estándar
                        (~1980)




Teoría de la      Mecánica
Relatividad       Cuántica
Modelo Estándar
                                  (~1980)


               Simetría




Componentes de la
                          Interacciones
    Materia
Materia

 1932                 p, n, e    ν

 1937                  µ

 1940s                 mesones π, K

  1950s                partículas Λ, Δ, Σ, ...


...Actualmente se conocen unas 300 partículas
protón        neutrón




u       u             d       d

    d                     u




             quarks
νe           u

          e           d


1a familia de partículas elementales


 casi todo está hecho con ellas
1995
      1897

                                ντ      t
             νµ     c
                                τ       b
νe      u
             µ      s
e       d
                                    a
                                3 familia
              a
             2 familia
1a familia
                                ¿Por qué?
Interacciones
Todas estas interacciones son manifestaciones
 de sólo


          4 interacciones básicas




gravitatoria             fuerte


        electromagnética             débil
Todas las interacciones están mediadas por
otras partículas: mensajeros de la interacción


  e              e




            γ         Interacción Electromagnética

                       ≡   Intercambio de fotones

      e           e
Las interacciones básicas de la naturaleza son
consecuencia de simetrías subyacentes


       Tipo de Interacción   Partícula Mediadora

      Electromagnética         γ (fotón)


           Fuerte              g (gluón)


            Débil             bosones W, Z


        Gravitatoria          G (gravitón)
Simetría

...Quizá el concepto más importante en la
física de partículas moderna




Simetría ≡ Invariancia bajo transformaciones
¿ Presenta la naturaleza alguna
          simetría ?
Lo verdaderamente fundamental no son los
objetos, sino las leyes de la física que los
originan.

... y las leyes de la física tienen una enorme
simetría



Es decir, quedan invariantes bajo ciertas
transformaciones matemáticas
Por ejemplo:
Las leyes de la física tienen
invarianza temporal:
 no cambian con el tiempo




                       Conservación de
                          la Energía

Análogamente: la simetría del electromagnetismo
se relaciona con la conservación de la carga, etc
Simetrías


                 Leyes de
               conservación

            Interacciones


                   Partículas
                   Mediadoras
Las interacciones básicas de la naturaleza son
consecuencia de simetrías subyacentes


       Tipo de Interacción   Partícula Mediadora

      Electromagnética         γ (fotón)


           Fuerte              g (gluón)


            Débil             bosones W, Z


        Gravitatoria          G (gravitón)
Higgs
Mecanismo de Higgs
Existe un campo (campo de Higgs) que llena
todo el espacio, como un líquido viscoso.




                     Fricción con el
       masa     ≡    líquido viscoso
Si esta hipótesis es correcta, debería existir
una nueva partícula “especial”:

              el bosón de Higgs


                                  Ondas en el
 Bosón de Higgs        ≡          líquido viscoso
Esta es la única predicción importante del
      Modelo Estándar aún sin verificar


        Pero es una predicción crucial




Producir una partícula de Higgs es equivalente a
  “sacar al vacío de su sitio” (por un instante
                    diminuto)
Descubrir el bosón
                    de Higgs


Objetivos del LHC


                    Descubrir la física
                    más allá del M.E.
Pero si el Mod. Est.
 funciona tan bien,
¿Por qué ir más allá?




Qué hay de malo con
   el Mod. Est.?
???



?
Problemas estéticos

Recordar...               ντ      t
              νµ      c
                          τ       b
νe        u
              µ       s
e         d
                              a
                          3 familia
               a
              2 familia
 1a familia
                          ???
Problema de la jerarquía

        ¿Por qué las
    partículas tienen las
     masas que tienen?


                  ¿Y no son, por
               ejemplo, un millón de
                veces más pesadas?
Problema de la jerarquía


La estabilidad de las masas de
    las partículas requiere



                   Nueva física a
                 energías accesibles
                     en el LHC
¿Qué nueva física?




Supersimetría       Technicolor

          Dimensiones
            extras
                                  ...
Supersimetría
Dimensiones Extras

 El espacio que percibimos con nuestros sentidos
 posee tres dimensiones espaciales:




  En 1917 Kaluza y Klein conjeturaron la existencia
  de dimensiones extras compactas (invisibles)
Dimensiones Extras Compactas




                   ¿Tendría esta dimensión
                   extra alguna influencia en
                   nuestra vida?
Un escenario distinto

                     3   D
              a   na
         Br

              ó    n
          fot
                             gravitón




                ia
            ter
          ma
Existe otra posibilidad...
... que estemos
     completamente
      equivocados



  ¡Y ésta podría ser la
situación más excitante!
Para acceder a esa nueva física necesitamos
una máquina que permita acelerar las partículas
hasta enormes energías ....




                  ¡ y hacerlas chocar !




                             LHC
LHC

      LHCb
             ATLAS
CMS
               ALICE
Uranga.2012

Uranga.2012

  • 1.
    Instituto de FísicaTeórica ¿Quiénes somos? ¿Dónde estamos? ¿A qué nos dedicamos?
  • 2.
    (2004) Investigadores Postdocs Estudiantes de de Plantilla Doctorado ~ 20 ~ 20 ~ 40
  • 3.
  • 4.
    Instituto de FísicaTeórica Investigación Formación Producción Científica Conferencias Científicas Seminarios Estancias Divulgación
  • 5.
    Física de Partículas ¿De qué ¿Qué investigamos? estamos hechos? Cosmología
  • 6.
    ¿De qué estamos hechos? Introducción a la Física de Partículas Elementales IFT-CSIC/UAM Angel Uranga Madrid (agradecimiento Marzo 2012 a Alberto Casas por las transparencias)
  • 7.
  • 10.
    Del estudio delas partículas que se producen en los choques de protones se espera obtener información nueva y crucial para nuestra comprensión de la naturaleza.
  • 11.
    EL objetivo delLHC es traspasar la frontera actual del conocimiento básico sobre la naturaleza
  • 12.
  • 13.
    ¿Por qué haytantas sustancias y objetos diversos?
  • 14.
    ... ... Mendeleiev (1867) Tabla Periódica
  • 15.
    ? TablaPeriódica Átomo Rutherford Bohr (1909) (1913)
  • 16.
    protón neutrón electrón
  • 17.
    ... protón neutrón electrón
  • 18.
    protón neutrón electrón ¿Por qué existen estas tres partículas y a qué se deben sus propiedades? Esta pregunta sólo ha podido ser respondida parcialmente Aquí es donde chocamos con la frontera básica del conocimiento
  • 19.
  • 20.
    Modelo Estándar (~1980) Teoría de la Mecánica Relatividad Cuántica
  • 21.
    Modelo Estándar (~1980) Simetría Componentes de la Interacciones Materia
  • 22.
    Materia 1932 p, n, e ν 1937 µ 1940s mesones π, K 1950s partículas Λ, Δ, Σ, ... ...Actualmente se conocen unas 300 partículas
  • 23.
    protón neutrón u u d d d u quarks
  • 24.
    νe u e d 1a familia de partículas elementales casi todo está hecho con ellas
  • 25.
    1995 1897 ντ t νµ c τ b νe u µ s e d a 3 familia a 2 familia 1a familia ¿Por qué?
  • 26.
  • 27.
    Todas estas interaccionesson manifestaciones de sólo 4 interacciones básicas gravitatoria fuerte electromagnética débil
  • 28.
    Todas las interaccionesestán mediadas por otras partículas: mensajeros de la interacción e e γ Interacción Electromagnética ≡ Intercambio de fotones e e
  • 29.
    Las interacciones básicasde la naturaleza son consecuencia de simetrías subyacentes Tipo de Interacción Partícula Mediadora Electromagnética γ (fotón) Fuerte g (gluón) Débil bosones W, Z Gravitatoria G (gravitón)
  • 30.
    Simetría ...Quizá el conceptomás importante en la física de partículas moderna Simetría ≡ Invariancia bajo transformaciones
  • 31.
    ¿ Presenta lanaturaleza alguna simetría ?
  • 33.
    Lo verdaderamente fundamentalno son los objetos, sino las leyes de la física que los originan. ... y las leyes de la física tienen una enorme simetría Es decir, quedan invariantes bajo ciertas transformaciones matemáticas
  • 34.
    Por ejemplo: Las leyesde la física tienen invarianza temporal: no cambian con el tiempo Conservación de la Energía Análogamente: la simetría del electromagnetismo se relaciona con la conservación de la carga, etc
  • 35.
    Simetrías Leyes de conservación Interacciones Partículas Mediadoras
  • 36.
    Las interacciones básicasde la naturaleza son consecuencia de simetrías subyacentes Tipo de Interacción Partícula Mediadora Electromagnética γ (fotón) Fuerte g (gluón) Débil bosones W, Z Gravitatoria G (gravitón)
  • 37.
    Higgs Mecanismo de Higgs Existeun campo (campo de Higgs) que llena todo el espacio, como un líquido viscoso. Fricción con el masa ≡ líquido viscoso
  • 38.
    Si esta hipótesises correcta, debería existir una nueva partícula “especial”: el bosón de Higgs Ondas en el Bosón de Higgs ≡ líquido viscoso
  • 39.
    Esta es laúnica predicción importante del Modelo Estándar aún sin verificar Pero es una predicción crucial Producir una partícula de Higgs es equivalente a “sacar al vacío de su sitio” (por un instante diminuto)
  • 40.
    Descubrir el bosón de Higgs Objetivos del LHC Descubrir la física más allá del M.E.
  • 41.
    Pero si elMod. Est. funciona tan bien, ¿Por qué ir más allá? Qué hay de malo con el Mod. Est.?
  • 43.
  • 44.
    Problemas estéticos Recordar... ντ t νµ c τ b νe u µ s e d a 3 familia a 2 familia 1a familia ???
  • 45.
    Problema de lajerarquía ¿Por qué las partículas tienen las masas que tienen? ¿Y no son, por ejemplo, un millón de veces más pesadas?
  • 46.
    Problema de lajerarquía La estabilidad de las masas de las partículas requiere Nueva física a energías accesibles en el LHC
  • 47.
    ¿Qué nueva física? Supersimetría Technicolor Dimensiones extras ...
  • 48.
  • 49.
    Dimensiones Extras Elespacio que percibimos con nuestros sentidos posee tres dimensiones espaciales: En 1917 Kaluza y Klein conjeturaron la existencia de dimensiones extras compactas (invisibles)
  • 50.
    Dimensiones Extras Compactas ¿Tendría esta dimensión extra alguna influencia en nuestra vida?
  • 51.
    Un escenario distinto 3 D a na Br ó n fot gravitón ia ter ma
  • 52.
  • 53.
    ... que estemos completamente equivocados ¡Y ésta podría ser la situación más excitante!
  • 54.
    Para acceder aesa nueva física necesitamos una máquina que permita acelerar las partículas hasta enormes energías .... ¡ y hacerlas chocar ! LHC
  • 55.
    LHC LHCb ATLAS CMS ALICE