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Masterclass 2007

Masterclass 2007. Jaime Álvarez Muñiz Departamento de Física de Partículas & Instituto Galego de Altas Enerxías 29 Marzo 2007 Facultade de Física. PREÁMBULO. Pero…¿para qué estudiar Física?. El problema. ¿La solución?. Vaya pues ahora tenemos... 2 problemas !!. ¿ Y ahora qué ?.

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Presentation Transcript

  1. Masterclass 2007 Jaime Álvarez Muñiz Departamento de Física de Partículas & Instituto Galego de Altas Enerxías 29 Marzo 2007 Facultade de Física

  2. PREÁMBULO

  3. Pero…¿para qué estudiar Física?

  4. El problema

  5. ¿La solución?

  6. Vaya pues ahora tenemos... 2 problemas !!

  7. ¿ Y ahora qué ?

  8. Bueno, vamos a ver ahora…

  9. Problema 1 resuelto

  10. Moraleja de la historia:La Física tiene un papel crucial en el día a día! Problema 2resuelto a P > A p A p a P

  11. ¿Pero cómo… todavía pensáis que la Física no es divertida?

  12. FIN DEL PREÁMBULO

  13. 1a PARTEEl mundo de las partículas

  14. Tengo 2 preguntas para usted… Prof. Albert Einstein Sr. Zapatero ¿De qué está hecho el mundo que nos rodea? ¿Qué lo mantiene unido?

  15. ¿De qué está hecho el mundo? El filósofo griego Empédocles en el S.V a.C. : tierra, aire, fuego y agua Hoy sabemos que existe algo más fundamental…

  16. ¿De qué está hecha la materia ? Busquemos un trozo de materia, por ejemploooo… CHOCOLATE !! 1 1/2 1/22 1/23 1/24 1/25 1/26 1/27 1/28 1/29 16384 trocitos 1/210 1/211 1/212 1/213 1/214 Si hacemos esto mismo otras 70 veces !! llegaremos a conseguir UN ÁTOMO.

  17. El átomo Demócrito (S. V-VI a.C. ): Toda la materia está constituída de partículasINDIVISIBLESllamadasÁTOMOS TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS D. Mendeleev (1869) Pero… ¿es realmente el átomo indivisible ?

  18. El átomo se puede dividir ! Helio (He) Neon (Ne) Todos, pero todos todos, los átomos tienen un núcleo cargado positivamente, y electrones con carga negativa orbitando alrededor. (El electrón fue descubierto por J.J. Thomson en 1897).

  19. Evidenciade subestructura en el átomo Partículas alpha radiactivas (carga positiva) (Rutherford 1911) 1 Angstrom =10-10 m Pero… ¿y el núcleo?, ¿es indivisible ?

  20. El núcleo se puede dividir ! El núcleo contiene protones de carga +e y neutrones sin carga. 10-14 m Pero… ¿y los protones y neutrones?, ¿son indivisibles ?

  21. u u u d d d Pues no…los protones y neutrones también se pueden dividir ! Neutrón 1 fermi = 10-15 m Neutrones y protones contienen “quarks” up and down Protón Pero… ¿y los quarks?, ¿también se pueden dividir?

  22. u d d Pero… ¿y los quarks?, ¿también se pueden dividir? ? No hay evidencia experimental <10-18m Hay evidencia experimental de que no… ¿Y los electrones?, ¿se pueden dividir?

  23. MATERIA ~ 10-9 m ÁTOMO ~ 10-10 m NÚCLEO ~ 10-14 m NUCLEÓN ~ 10-15 m Átomo Electrón Protón Neutrón Quarks En resumen… Prof. Einstein… …hoy sabemos que la materia está hecha de átomos, losátomosestán hechos deprotones, neutronesyelectrones, los protones y neutronesestán hechos dequarksy éstos, a su vez, al igual que los electrones, puede (o no) que estén hechos de partículas incluso MÁS elementales...

  24. Otra partícula elemental: el fotón El efecto fotoeléctrico: Un haz de “luz” puede arrancar electrones de la materia. Einstein (1905) Luz incidente Electrones arrancados La “luz” está formada por partículas llamadas fotones

  25. ¿Existen más partículas elementales? Ya sabemos que existen: Quarks up & down, electrones y fotones Leptones Los físicos han descubierto cerca de 200 partículas… Y siempre se hacen la misma pregunta… ¿serán verdaderamente indivisibles?. m- m+ t- t+ e+ ne nm nt Hadrones h L+ S- K+ D+ D- p- p0 r W- J/y K0 D++ L0 p+ K- … y más

  26. Las 3 familias de partículas elementales 6 QUARKS (Todos los hadrones están formados por combinaciones de qq o qqq) _ 6 LEPTONES (Indivisibles = elementales) La materia ordinaria está formada por quarks u y d, y por electrones Las 3 familias

  27. Además, por cada partícula elemental hay… una antipartícula Anti-electrón e+ (positrón) Electrón e-

  28. La aniquilación produce energía g g e- e+ positrón (antimateria) electrón (materia) g g Se producen nuevas partículas y antipartículas Aniquilaciónelectrón-positrón La materia se puede convertir en energía y viceversa: E = mc2 La masa es una forma de energía. e+e-→ D+D- Nº de partículas = Nº antipartículas Excelente forma de producir nuevas partículas

  29. ¿Cuánta energía tiene la materia? = + E = mc2 Liberan una energía equivalente a la explosión de una bomba atómica 1 gramo de antimateria 1 gramo de materia

  30. Gell-Mann (1963) LOS 6 QUARKS Los quarks tienen carga eléctrica fraccionaria Todos los hadrones están formados por combinaciones de qqq o qq -

  31. CONFINAMIENTO DE LOS QUARKS La energía se puede convertir en masa Hadrón E = mc2 Hadrón Hadrón Los quarks no existen en estado libre. Si trato de separar dos quarks se forman hadrones (chorros de partículas)

  32. LOS LEPTONES Los leptones pueden existir como partículas libres. Electrón = gato Tau = 85 tigres Muón = 10 leones Neutrinos < pulgas e, m y t tienen carga eléctrica. El muón penetra mucho en la materia. Los neutrinos son neutros, tienen una masa muy pequeña y son extremadamente penetrantes (interaccionan muy poco con la materia)

  33. NEUTRINOS Propuestos por W. Pauli (1930) para evitar la no conservación de la energía en la desintegración del neutrón. Descubiertos por Cowan y Reines (1956) Los neutrinos son extremadamente difíciles de detectar… 600.000 millones de neutrinos (procedentes del Sol) atraviesan la palma de vuestra mano cada segundo !!!, sólo uno (con suerte) chocará en 100 años !!!

  34. Ya hemos respondido a la pregunta: "¿De qué está hecho el mundo?" QUARKSyLEPTONES

  35. ¿Qué mantiene unida la materia? Existen 4 interacciones (fuerzas) fundamentales en la Naturaleza: Gravitatoria Electromagnética Fuerte Débil Interacción = atracción, repulsión, aniquilación ó desintegración Las interacciones entre partículas se producen por intercambio de una serie de partículas elementales llamadas BOSONES.

  36. 4 interacciones fundamentales Fuerte Electromagnética carga de color carga eléctrica Gravitatoria Débil carga débil masa

  37. Ejemplos de interacciones entre partículas Repulsión electromagnética entre dos electrones mediante intercambio de un fotón Aniquilación débil de electrón y positrón y conversión en muón negativo y positivo mediante intercambio de un Z0 t- e- q t+ e+ anti-q R.P. Feynman El resultado final también puede ser un e-e+, un t-t+ o un quark-antiquark (que al separarse producirán hadrones)

  38. PARTÍCULAS ELEMENTALES QUARKS PARTÍCULAS PORTADORAS DE FUERZA LEPTONES 3 FAMILIAS MODELO ESTÁNDAR INTERACCIONES FUNDAMENTALES Fotón g : Electromagnética (quarks y leptones cargados) Gluón g: Fuerte (quarks) W+, W-, Z0: Débil (quarks y leptones) partícula Higgs

  39. Fin de la 1a PARTE

  40. 2a PARTEExperimentos en Física de Partículas

  41. ¿Cómo trabajan los físicos de partículas?

  42. Dos pasos básicos 1ª Encontrar una fuente de partículas, acelerarlas hasta que alcancen grandes energías y hacerlas chocar entre ellas o contra un blanco. 2ª Estudiar las partículas resultantes de esas colisiones en detectores y sacar conclusiones acerca del interior de la materia.

  43. Es como en una radiografía… Bombardeamos partículas (fotones = rayos X) contra un blanco (cuerpo humano) y de lo que observamos en el detector (la radiografía) sacamos conclusiones acerca de lo que hay dentro…

  44. ¿Por qué queremos acelerar partículas a altas energías? (1)Equivalencia ó dualidad onda-corpúsculo E = h c /l   constante de Plancklongitud de onda Cuanta más energía más pequeña es la longitud de onda asociada a la partícula y podremos ver estructuras más pequeñas (el interior de los quarks tal vez ? ) L. de Broglie (1924)

  45. ¿Por qué queremos acelerar partículas a altas energías? (2) Cuanta más energía más masa, más partículas y de mayor masa se forman en p.ej. una aniquilación e-e+ o en la colisión de dos núcleos pesados. E = mc2

  46. ¿Por qué queremos acelerar partículas a altas energías? (3) Cuanta más energía más densidad y temperatura, más cerca estaremos de reproducir las condiciones que se dieron en el origen del Universo (Big Bang). Colisión de iones pesados Big Bang

  47. Fuentes de partículas Electrones: se calienta una lámina metálica, los electrones se liberan de los átomos y se extraen de la lámina mediante una corriente eléctrica. Protones: se lanzan electrones contra átomos de hidrógeno. Los electrones arrancan el electrón del átomo y nos queda un protón que se extrae mediante campos eléctricos y magnéticos.

  48. + e g - + e e - e - e - e E g > pocos MeV Hilo de metal mec2 = 0.5 MeV Región de campo magnético ¿Cómo producir antimateria? Antipartículas: un haz de partículas energéticas golpean un blanco y se crean pares de partículas y antipartículas que posteriormente pueden ser separadas usando campo magnéticos.

  49. - + E Aceleración: Un campo eléctrico acelera las partículas cargadas Unidad de energía en Física de Partículas: 1 eV = 1.6 10-19 Julios 1 MeV = 106 eV 1 GeV = 109 eV 1 TeV = 1012 eV

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