Módulo 1 Física de partículas

1. Módulo 1Física de partículas Carlos Pajares, Jaime Álvarez Muñiz, Carlos Salgado Departamento de Física de Partículas & Instituto Galego de Altas Enerxías Universidade de Santiago de Compostela

2. 2 preguntas fundamentales ¿De quéestáhecho el mundoquenosrodea? ¿Qué lo mantieneunido?

3. ¿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…

4. ¿De qué está hecha la materia ? Busquemos un trozo de materia 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.

5. 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 ?

6. 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).

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

8. 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 ?

9. u u u d d d 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?

10. 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?

11. En resumen… Núcleo 10-14 m Átomo Protón 10-15 m Átomo 10-10 m Electrón Protón Neutrón Quarks …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...

12. 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

13. ¿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

14. 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

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

16. 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

17. ¿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

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

19. 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)

20. 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)

21. 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 !!!

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

23. ¿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.

24. 4 interacciones fundamentales Fuerte Electromagnética carga de color carga eléctrica Gravitatoria Débil carga débil masa

25. 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)

26. 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)

27. ¿Por qué las partículas del Modelo Estándar tienen las masas que tienen? Peter Higgs sugirió un mecanismo por el cual las partículas adquieren masa mediante la interacción con un campo (como un campo eléctrico o gravitatorio) que llena todo el espacio y que las “frena”. Peter Higgs Cuanto más fuerte es la interacción más masiva será la partícula. Las partículas sin masa no interaccionan con el campo

28. El mecanismo de Higgs