Historia de la Física de Partículas

1. Historia de la Física de Partículas

2. ¿Cómo empezó todo? • La gente se planteaba dos preguntas: • ¿De qué están hechas las cosas? • ¿Por qué la materia se mantiene unida? • Debe existir algo (fuerza) que mantiene unidas las cosas. • Aparentemente no tienen relación, pero como veremos están muy relacionadas

3. Un poco de historia • Todo esto comenzó hace más de 2000 años, en la antigua Grecia. Observaron que hay muchas formas de materia. (madera, metales, tierra, el viento…) • ¿No puede ser que todas las cosas estén compuestas por los mismos ingredientes? • 624-547 A.C. Thales de Mileto postula que el agua es la sustancia básica de la Tierra. También estaba enterado de la fuerza de atracción entre imanes y del efecto en el ámbar, al frotarlo.

4. Un poco de historia • Todo esto comenzó hace más de 2000 años, en la antigua Grecia. Observaron que hay muchas formas de materia. (madera, metales, tierra, el viento…) • ¿No puede ser que todas las cosas estén compuestas por los mismos ingredientes? • 624-547 A.C. Thales de Mileto: el agua. • 500-428 B.C., 484-424 B.C. Anaxágoras y Empédocles. Anaxágoras postuló que la materia se compone de una infinita multitud de elementos primarios, sus ideas fueron un antecedente para la ley de conservación de la masa. Empédocles redujo estas partes indivisibles a cuatro elementos: tierra, aire, fuego, y agua.

5. Un poco de historia • Todo esto comenzó hace más de 2000 años, en la antigua Grecia. Observaron que hay muchas formas de materia. (madera, metales, tierra, el viento…) • ¿No puede ser que todas las cosas estén compuestas por los mismos ingredientes? • 624-547 A.C. Thales de Mileto: el agua. • 500-424 A.C. Anaxágoras y Empédocles. tierra, aire, fuego, y agua. • 460 - 370 A.C. Demócrito desarrolló la teoría que el universo está formado por espacio vacío y un número (casi) infinito de partículas invisibles , que se diferencian unas de otras en su forma, posición, y disposición.. Toda la materia está hecha de partículas indivisibles llamadas átomos.

6. Un poco de historia • Todo esto comenzó hace más de 2000 años, en la antigua Grecia. Observaron que hay muchas formas de materia. (madera, metales, tierra, el viento…) • ¿No puede ser que todas las cosas estén compuestas por los mismos ingredientes? • 624-547 A.C. Thales de Mileto: el agua. • 500-424 A.C. Anaxágoras y Empédocles. tierra, aire, fuego, y agua. • 460 - 370 A.C. Demócrito: la materia está hecha de átomos. Su principal problema es que no tenían instrumentos de medida.

7. Un salto en el tiempo • En el siglo XIX (¡¡más de 2000 años después!!) experimentos de química muestran que las sustancias cuando se combinan lo hacen siempre en las mismas proporciones. • 1804. Dalton interpreta que la materia está compuesta por átomos que son indivisibles y distintos para cada elemento químico • 1869. Mendeleiev observa que los átomos presentan una serie de propiedades que se repiten y los clasifica en la tabla periódica

9. Un salto en el tiempo • En el siglo XIX (¡¡más de 2000 años después!!) experimentos de química muestran que las sustancias cuando se combinan lo hacen siempre en las mismas proporciones • 1804. Dalton interpreta que la materia está compuesta por átomos que son indivisibles y distintos para cada elemento químico • 1869. Mendeleiev observa que los átomos presentan una serie de propiedades que se repiten y los clasifica en la tabla periódica • Es una buena teoría, pero hay muchos átomos distintos ¿No puede ser que estén todos formados por los mismos ingredientes?

10. Se da un paso más adelante • A finales del siglo XIX, se producen una serie de descubrimientos extraordinarios • 1895. Wilhelm Röntgen descubrió los rayos X. • 1898. Marie y Pierre Curie separaron los elementos radioactivos. • 1898. Joseph Thomson identifica los rayos beta como partículas del átomo a las que llama electrones con carga negativa y una masa de 0.0000000000000000000000000000001 kg. ¡¡El átomo no es indivisible!! Thomson descubrió la primera partícula que a día de hoy sigue siendo elemental, el electrón.

11. Entramos en el siglo XX • El siglo XX fue un siglo de oro para la Física que revolucionó el mundo!!! • 1909. Hans Geiger y Ernest Marsden, bajo la supervisión de Ernest Rutherford, dispersaron partículas alfa mediante una hoja de oro y observaron, a veces, grandes ángulos de dispersión; sugirieron que los átomos tienen un núcleo pequeño y denso, cargado positivamente.

12. Entramos en el siglo XX • El siglo XX fue un siglo de oro para la Física que revolucionó el mundo!!! • 1909. Hans Geiger y Ernest Marsden, bajo la supervisión de Ernest Rutherford, dispersaron partículas alfa mediante una hoja de oro y observaron grandes ángulos de dispersión; sugirieron que los átomos tienen un núcleo pequeño y denso, cargado positivamente. • 1911. Victor Franz Hess, físico estadounidense de origen austríaco, demostró en el año 1911 que la ionización atmosférica aumenta con la altitud, y concluyó que la radiación debía proceder del espacio exterior.

13. Entramos en el siglo XX • El siglo XX fue un siglo de oro para la Física que revolucionó el mundo!!! • 1909. Hans Geiger y Ernest Marsden, bajo la supervisión de Ernest Rutherford, dispersaron partículas alfa mediante una hoja de oro y observaron grandes ángulos de dispersión; sugirieron que los átomos tienen un núcleo pequeño y denso, cargado positivamente. • 1911. Victor Franz Hess, físico estadounidense de origen austríaco, demostró en el año 1911 que la ionización atmosférica aumenta con la altitud, y concluyó que la radiación debía proceder del espacio exterior. • 1913. Niels Bohr tuvo éxito al construir una teoría de la estructura atómica, basándose en ideas cuánticas. • 1919. Ernest Rutherford encontró la primera evidencia de un protón. • 1931. James Chadwick descubrió el neutrón.

14. Entramos en el siglo XX • El siglo XX fue un siglo de oro para la Física que revolucionó el mundo!!! • 1909. Hans Geiger y Ernest Marsden, bajo la supervisión de Ernest Rutherford, dispersaron partículas alfa mediante una hoja de oro y observaron grandes ángulos de dispersión; sugirieron que los átomos tienen un núcleo pequeño y denso, cargado positivamente. • 1911. Victor Franz Hess, físico estadounidense de origen austríaco, demostró en el año 1911 que la ionización atmosférica aumenta con la altitud, y concluyó que la radiación debía proceder del espacio exterior. • 1913. Niels Bohr tuvo éxito al construir una teoría de la estructura atómica, basándose en ideas cuánticas. • 1919. Ernest Rutherford encontró la primer evidencia de un protón. • 1931. James Chadwick descubrió el neutrón. • Mientras, entre 1907 y 1917 Albert Einstein apoyado en postulados de Planck identifica el fotón como el responsable de los Rayos X y lo propone como responsable de la fuerza electromagnética.

15. Recapitulemos • Modelo atómico con electrones y núcleo formado por protones y neutrones • Fuerza electromagnética mediada por fotones • Parece que ya lo sabemos todo … ¿o no? • Algunas preguntas • ¿Qué mantiene los núcleos unidos? • ¿Por qué en la radiación beta no hay balance energético?

16. Nuestra historia continúa • 1933-1934. Pauli dice que debe haber una partícula sin carga y con una masa muy pequeña que se lleva parte de la energía en las desintegraciones beta. Es una partícula fantasma… Muy difícil de detectar, la llaman neutrino • 1933-1934. Yukawa dice que debe haber una nueva fuerza (fuerza fuerte) que mantenga los núcleos unidos. Está relacionada con una partícula 200 veces más pesada que el electrón.

17. Nuevos personajes • Una serie de experimentos ponen de manifiesto que los rayos cósmicos están formados por partículas cargadas, principalmente protones, pero hay más cosas… • ¡¡Se encuentra en los rayos cósmicos una partícula como la que dice Yukawa!!

18. Nuevos personajes • Una serie de experimentos ponen de manifiesto que los rayos cósmicos están formados por partículas cargadas, principalmente protones, pero hay más cosas… • ¡¡Se encuentra en los rayos cósmicos una partícula como la que dice Yukawa!! • Pero no es la que queremos, porque al igual que el electrón no interacciona con la fuerza fuerte ¿Entonces que es?… Lo llamaremos m • Diez años después encontramos la partícula que Yukawa buscaba, y la llamamos p Ya lo tenemos todo y lo entendemos todo, hemos acabado…

19. Recapitulemos… de nuevo • Modelo atómico con electrones y núcleo formado por protones y neutrones. • Fuerza electromagnética mediada por fotones. • Parece que ya lo sabemos todo … ¿o no? • Algunas preguntas • ¿Qué mantiene los núcleos unidos? (El pión) • ¿Por qué es así la radiación beta? (Por que el neutrino se lleva parte de la energía y no se detecta)

20. La historia interminable • Mientras seguíamos analizando los rayos cósmicos, encontramos otra partícula, el Kaón, una partícula realmente “extraña”. Bueno, sólo es una partícula más… • Aparecen 4 nuevas partículas, la familia de las Deltas. Bueno, solo son 5 partículas más… • En los años siguientes aparecen más de 20 nuevas partículas… A lo mejor aún no lo hemos entendido todo. Hay demasiadas partículas, ¿No puede ser que estén todas formadas por los mismos ingredientes? p, n p K D0, D-, D+, D++ r, w, j, L, X, ... e m g

21. Los quarks • Los físicos desarrollan un nuevo modelo: las partículas que sienten la interacción fuerte están formadas por partículas más pequeñas llamadas quarks • Protón: uud • Pión: ud • Kaón: sd • Recordad que en la materia ordinaria (neutra) por cada protón (2u+1d) tenemos 1 electrón en los átomos

22. Los quarks y los colores • Los quarks son partículas que interaccionan fuertemente (a través de gluones). • No es posible encontrarlos libres, y siempre aparecen formando partículas (hadrones). Los quarks tienen una propiedad llamada color (R, A, V) y se combinan para formas partículas no coloreadas: Mesón-> quark + anti-quark (π, K, …) Barión-> combinaciones de tres quarks (p, n, Δ, …)

23. Resumiendo los Quarks • Tenemos una familia de partículas llamadas Quarks que se combinan para formar “casi” todas las partículas que existen en la naturaleza. Protones, Neutrones, Kaones… • Pero… ¿Que sucede con las partículas que quedan?

24. Los leptones • Los leptones son los componentes de la materia que no interaccionan con la fuerza fuerte • Si están cargados tendrán interacciones electromagnéticas (mediante fotones) y si no solamente interacciones débiles (W y Z) • Dentro de los leptones tenemos las partículas más escurridizas que se conocen, los neutrinos, que sólo interaccionan de forma débil y necesitamos detectores muy masivos (del tamaño de una casa) para poder verlos

25. Los leptones De nuevo tenemos una familia de partículas llamadas leptones entre las que se encuentran el electrón, el muón, la partícula tau y tres partículas “fantasmas” llamadas neutrinos. Y… ¿que pasaba con las fuerzas?

26. Los bosones y las fuerzas • En la naturaleza existen 4 fuerzas: • Fuerza fuerte 1 • Fuerza electromagnética 0.0073 • Fuerza débil 0.000000001 • Fuerza gravitatoria 0.00000000000000000000000000000000000001 A ver… familia de quarks, familia de leptones, las fuerzas mediadas por bosones… QUE LIO!!!!

27. Resumiendo… • Esta es nuestra nueva tabla periódica de los “elementos”: • Toda la materia conocida esta formada por combinaciones de estas partículas.

29. Fin… • Nooo!! • Aún queda una pregunta … Ya sabemos de que está formada la materia que conocemos… pero… ¿De donde sale la masa de las partículas elementales? • Y más cosas …

30. El mecanismo de Higgs • 1964. Peter Higgs, François Englert y Robert Brout postulan el Mecanismo de Higgs. • El Mecanismo de Higgs consiste en un campo que interactúa con las partículas dotándolas de masa. Asociado a ese campo debe existir el denominado bosón de Higgs. Hay signos (débiles) de su existencia.

31. La materia y energia oscuras • Un 96% (!!!) del universo nos es desconocido • F. Zwicky (J. Oort) en 1932 : velocidad de rotación de estrellas en galaxias espirales • Materia que no absorbe ni emite luz • Todavia desconocida ! • La energia oscura explica la aceleración en la expansión del universo

33. Antimateria

34. de la presentación Fin ...