Introducció n a la Física Experimental de Partículas en Colisionadores

1. Introducción a la Física Experimental de Partículasen Colisionadores Sergio Navas Dpto. Fisica Teórica y del Cosmos & C.A.F.P.E. 4 Marzo 2010 Parque de las Ciencias - Granada Universidad de Granada

2. Física de Partículas Cosmología Astrofísica Astronomía Geofísica . . Física Nuclear Física del Estado Sólido Química Biológica Mecánica > 40 órdenes de magnitud

3. Dicho de otro modo … Si un nucleón tuviese un tamaño de 1 milímetro, la cucharilla tendría una tamaño mayor que mil veces la distancia de la Tierra al Sol !! … difícil hacerse una idea de lo extraordinariamente pequeñas que son las partículas elementales

4. Para estudiar una partícula elemental hay que “verla”, “detectarla” Se infiere su presencia a partir de su interacción con la materia, de modo indirecto

5. ¿Cómo podemos detectar y medir propiedades de partículas elementales ? Para llevar a cabo nuestros experimentos necesitamos : • Fuentes de partículas : Radiación cósmica, radioactividad natural, reactores nucleares, aceleradores (a partir de partículas generadas artificialmente ) • Detectores de partículas : recogen información de las partículas que los atraviesan. Son nuestros ‘microscopios’ para estudiar las escalas más pequeñas emulsiones fotográficas, cámaras de burbuja, cámaras de hilos, calorímetros, cámaras de deriva, detectores de material semiconductor, etc.

6. Fuentes de partículas: radioactividad natural • Una gran cantidad de elementos presentes en la naturaleza emiten partículas : transmutación nuclear, fisión … • Algunas partículas se desintegran en otras Emisión nuclear Desintegración Partícula  Núcleo con protones y neutrones Muón Electrón y neutrinos

7. Fuentes de partículas: radiación cósmica La radiación cósmica procede del espacio exterior. Usualmente son protones y a veces núcleos de elementos. A nivel del mar nos llegan muones y algunos fotones, electrones y positrones.

8. Aceleradores de partículas Son los instrumentos más precisos para el estudio de partículas, pero también tienen sus limitaciones Antes de ver aquellos que empleamos para hacer ciencia, veamos un ejemplo cotidiano : CRT (Cathodic Ray Tube) : Nuestra querida TV ! O cualquier monitor de ordenador (no LCDs)

9. Aceleradores de partículas Ciclotrón : Acelerador en forma de dos D´s enfrentadas con voltaje alternante entre ellas. Un campo magnético perpendicular confina las partículas a una trayectoria circular Linac : Acelerador lineal; acelera las partículas en tubos con voltaje alternante y de longitud que se incrementa conforme la partícula gana velocidad Se emplea para experimentos de ‘blanco fijo’

10. Aceleradores de partículas Sincrotrón : Acelerador circular que combina la aceleración en secciones rectilíneas con una órbita circular gracias a la acción de campos magnéticos Desventaja : Orbita circular implica pérdida de energía por radiación ( partícula cargada acelerada ) Ventajas : 1)Partículas aceleradas durante muchos ciclos 2)Energía en colisiones es el doble 3)Múltiples colisiones por haz inyectado

11. LEP (19892000, CERN). Colisionador electrón-positrón entre 90 y 200 GeV LHC (2009 , CERN). Colisionador protón-protón de 14 TeV ALICE ATLAS SPS CMS LHCb LHC Aeropuerto de Ginebra Este túnel de 27 km se encuentra a unos 100 metros bajo tierra y contiene el tubo del acelerador LHC. ~7 km de túnel están situados en territorio suizo …

12. a 40 km/h Colisionadores de partículas : el anillo LHC Energía: 7 TeV por haz (14.000.000.000 eV en centro de masas) 1011 protones por paquete (en un segundo dan aprox. 10 000 vueltas/s) 72 paquetes que producen una colisión cada 25 ns Fecha de inicio: finales 2009 (empezó a diseñarse en 1984) Temperaturas criogénicas: 1.9 K(a ~2 grados del cero absoluto !) La energía concentrada en un haz bastaria para lanzar un coche a ~2000 km/h !!! CERN: el laboratorio de Física de Partículas más grande del mundo CERN http://www.cern.ch 2300 empleados 20 estados miembros + USA, Canadá, Japón, Rusia, China...

13. Tevatron en Fermilab (Chicago) CDF p D0 Cavidad radiofrecuencia Dipolo magnético Tevatron 1.96 TeV _ p Inyector principal

14. Detectores de propósito general E=mc2 Tracking EM Cal. HAD Cal. Muones 14 Interno externo

15. Detectores de partículas : cámaras de trazas Son sensibles al paso de partículas cargadas; obtenemos puntos espaciales que permiten la reconstrucción de una traza : Detectores microvértice: Cámara de hilos, proyección temporal: Contiene una mezcla gaseosa que se ioniza con facilidad y una serie de hilos que registran dicha ionización Detectores de Si o Ga. Precisión del orden de micrones !!!

16. Detectores de partículas : calorímetros Calorímetro electromagnético : Aprovecha las interacciones de fotones, electrones y positrones que generan cascadas depositando toda su energía Los hadrones sólo producen una cierta ionización  pequeña señal

17. Detectores de partículas : sistemas de detección 3500 toneladas (el peso de 12 aviones A380) 10 metros Inserción de la cámara de deriva (TPC)

18. Detectores de partículas : sistemas de detección Deposición neutra en calorímetro had. Trazas de partículas cargadas DELPHI : Contiene todos los elementos típicos de un detector para un anillo de colisiones ( LEP ) Las partículas ‘estables’ a detectar son : fotones, electrones (±), muones, protones, neutrones y piones ( kaones ) Las cargadas dejarán su huella en una traza y parte o toda su energía en los calorímetros Las neutras sólo serán detectadas en los calorímetros ¿Cómo vemos una colisión en este ‘monstruo’ ? Deposición asociada a traza en calorímetro had. Deposición neutra en calorímetro e.m. Deposición asociada a traza en calorímetro e.m.

19. Sistemas de detección para LHC Detector ‘compacto’ : pesa tanto como la Torre Eiffel !!! Si apilaramos los CDs con datos que producen en un año alcanzariamos la estratosfera (> 2 veces la altura del Everest)

20. BACKUP

21. Experimento vs. teoría • Dos facetas íntimamente ligadas que nos permiten avanzar en el conocimiento de los componentes últimos de la materia y sus interacciones. • La base de nuestro conocimiento se fundamenta en el uso del método científico (observación, hipótesis, experimentación). • La TEORIA • Aporta los modelos matemáticos que explican los resultados de las observaciones experimentales • Permite hacer hipótesis ideas para nuevos experimentos • Los EXPERIMENTOS • Comprobación de los modelos • Descartan modelos erróneos

22. Detectores de partículas : otros detectores Centelleadores : Material cuyos átomos son excitados por partículas cargadas y en su desexcitación emiten radiación luminosa Tubos FotoMultiplicadores recogen dicha emisión y generan pulso eléctrico Son detectores muy rápidos y muy preci- sos en el aspecto temporal Detectores de radiación Cerenkov : Contienen gases o líquidos en los que la velocidad de la luz es inferior a la de las partículas que lo atraviesan Emisión emitida en un cono

23. Detectores de partículas : cámaras de trazas Cámara de deriva : La base es la misma que la de la cámara de hilos, pero el volumen de deriva es todo el volumen del detector. Medimos también tiempos de deriva de la ionización para obtener más información. Detectores de material semiconductor : Detectores de Si o Ga. Precisión del orden de micrones !!! Presentan multibandas espaciadas en decenas de micras que son sensibles a los pares electrón-hueco creados por el paso de partículas cargadas en la red cristalina del semiconductor

24. ¿Cómo podemos detectar las partículas ? Hemos de conocer de qué forma interactúan con la materia PARTICULAS CARGADAS Toda partícula cargada eléctricamente interacciona con los electrones de los átomos  intercambio de energía. Esto puede suponer : • Excitación de los átomos generando emisión de fotones • Ionización del medio creando iones y electrones libres

25. ¿Cómo podemos detectar las partículas ? * Sufren radiación de frenado ( baja masa ) durante la interacción con el medio produciendo fotones * Los positrones ( antimateria ) se aniquilan con los electrones del medio generando pares de fotones Electrones y positrones :

26. ¿Cómo podemos detectar las partículas ? FOTONES Son cuantos de energía electromagnética ( luz, ondas de radio, televisión, UV, IR, rayos X, … ) Estos son los procesos que sufren : Efecto fotoeléctrico El fotón extrae un electrón atómico Efecto Compton El fotón cede parte de su energía a un electrón atómico Creación de pares e+ e- El fotón da lugar a un electrón y un positrón

27. ¿Cómo podemos detectar las partículas ? HADRONES Protones, neutrones, piones, … ( partículas con quarks ) Interaccionan fuertemente con nucleones produciéndose múltiples procesos incluyendo la generación de cascadas de partículas a altas energías

28. Para profundizar en las escalas más diminutas necesitamos partículas con muy alta energía Aceleradores de partículas Telescopios ópticos y radiotelescopios Aceleradores Microscopios Binoculares La física de partículas observa la materia en sus dimensiones más pequeñas.