1. Introducción a
la física de
partículas
para profesores de instituto
(no necesariamente de física)

2. Introducción
Una pregunta básica de la ciencia (pero
previa a la ciencia, seguramente) es
¿de qué están hechas las cosas?
La física de partículas (que otros llaman,
ya veremos por qué, física de altas
energías) se dedica a buscar los
componentes más fundamentales del
Universo y a investigar su
comportamiento.

3. A qué se dedican los físicos
de partículas
Las distinciones
no son siempre
tan claras como
podemos creer
desde fuera
(aunque hay
teóricos muy
teóricos, no
pueden ignorar
los experimentos
(¿verdad?).
Y desde luego, los experimentales más experimentales
necesitan teoría…

4. Imagina un tablero con un
blanco oculto por una
pantalla, como en la figura.
Podríamos intentar deducir
su forma, al menos en
parte, lanzando bolitas
contra él y viendo como
salen.
No será igual con un
triángulo que con un
círculo o un rectángulo…
Pues, una vez que se han agotado las posibilidades de usar
microscopios, eso es lo que hacen los físicos de partículas:
Acelerar partículas (¡no con una rampa!), dirigirlas contra un
blanco y ver lo que sucede a medida que se aumenta la
energía.

5. A veces lo que pasa es que las
partículas simplemente se desvían.
Es el caso de los experimentos de
Rutherford, Geiger y Marsden a
principios del siglo XX, que no
usaban partículas aceleradas, sino
las partículas a que salían de ciertas
El modo de desviarse las partículas llevó a
Rutherford a pensar que había un
minúsculo núcleo positivo y los
electrones estaban en la periferia.
Entre 1966 y 1978, Friedman, Kendall y
Taylor repitieron el experimento lanzando
electrones acelerados contra blancos de
hidrógeno, deuterio y otras cosas,
deduciendo así que dentro de los protones
y neutrones hay tres objetos “duros y
pequeños”, los quarks, y aún más cosas… Fermilab

6. Colisiones: el método experimental
Cuando las colisiones
tienen suficiente energía,
empiezan a pasar cosas
raras…
Es como si al hacer chocar
dos fresas, a partir de la
energía de la colisión
pudieran surgir paras,
manzanas, bellotas,
fresas…
Frutas que NO estaban
dentro de las fresas antes
de chocar, que se han
materializado a partir de la
energía.
E = mc2 en acción
cortesía CERN / Rafael Carreras

7. Eso ocurre cada día en los
aceleradores de altas energías (haz
clic sobre “PLAY” en la presentación)
y continuamente cuando los rayos
cósmicos chocan contra los átomos
de la atmósfera terrestre… CERN
Simon Swordy, University of Chicago/NASA
CERN

8. Y no son imaginaciones de los físicos; se ve en los detectores:
CERN
En esta imagen tomada en una cámara de burbujas, entra una partícula
(un pión) por la izquierda, choca con un protón en reposo y como
resultado aparecen 16 piones más…
(también se ven colisiones elásticas, como si se tratara de billar)

9. En el centro del detector Aleph del acelerador LEP (predecesor del LHC en el
CERN) chocan un electrón y un positron. De la energía de la colisión salen
dos chorros de nuevas partículas...
foto CERN

10. ¿Por qué hacen falta altas energías?
E = mc2
Para crear nuevas partículas desconocidas que
puedan existir ya que para que se materialice
una partícula de masa m, hace falta al menos la
energía mc2
(Los detalles más adelante…)
De forma similar al paso de la microscopía
óptica a la electrónica, aquí más energía
significa mayor resolución espacial.

11. Estos son los resultados:
Los ingredientes básicos del
universo son una serie de partículas,
aparentemente sin estructura hasta
donde se ha podido estudiar, las
partículas elementales, de las que
no sólo está hecha toda la materia y
la radiación, sino que son
responsables de las interacciones
(algo más que las fuerzas) entre las
partículas “materiales”
Por sus propiedades y
comportamiento se pueden
clasificar en tres grupos: los quarks
y leptones (partículas materiales) y
Adaptado de una imagen cortesía de Fermilab las que transmiten las interacciones.

12. Estos son los resultados:
Adaptado de un diagrama cortesía de

13. En más detalle
Adaptado de un diagrama cortesía de PDG / LBNL

14. Notas:
•Spin: Es, como la carga o la masa, una de las características que identifican a
las partículas. Se trata de un momento angular intrínseco de la partícula. Si nos
imaginamos las partículas como bolitas es fácil pensar que su spin describe cómo
giran alrededor de sí mismas; el eje y la velocidad de rotación, pero no… El spin
de una partícula es constante en módulo y su orientación sólo puede tomar una
serie discreta de valores (dos para s = ½), además ¿cómo iba a girar en torno a sí
misma una partícula puntual, sin tamaño?
•Unidades de masa: Los físicos de partículas no usan los kg. Están tan
acostumbrados a la conversión de energía en materia que dan como masa la que
sale de la relación de Einstein: m = E/c2 (E es la energía en reposo, la mínima
necesaria para crear una partícula de masa m).
Por ejemplo, si protón tiene una masa m =1,67·10–27 kg, E = 1,50·10–16 J, que en
electronvoltios es 0,938 ·1012 eV = 0,938 GeV. Por eso en la tabla saldría el valor
m = 0,938 GeV/c2. Un átomo de hidrógeno tiene una masa similar, mientras para
un electrón m ≈ 0,000 511 GeV/c2 (como 1/2000 de un átomo de hidrógeno) y
para los quarks, aunque en este caso el concepto masa no es tan sencillo, mU ≈
0,003 GeV/c2, m t ≈ 175 GeV/c2 (valor este muy parecido al de una molécula de
cafeína o un átomo de plomo). Un grano de arena de los más pequeños que
podemos ver tiene una masa del orden de 1017 GeV/c2 y un mosquito como 1020
GeV/c2

15. Notas (2):
•Carga eléctrica: En unidades en las que la del electrón es –1.
•Tres familias: La tabla de partículas elementales materiales (fermiones)
tiene una estructura curiosa. Podríamos explicar todo lo que nos rodea sólo con
la primera generación de partículas: el electrón, el neutrino electrónico y los
quarks u y d. Pero además está la segunda generación, con el muón, su neutrino
y los quarks c y s y, finalmente, la tercera generación , con el tau y su neutrino
más los quarks t y b. Lo curioso es que la segunda y tercera generaciones son en
cierto sentido copias de la primera, siendo la masa la diferencia fundamental (no
la única, por ejemplo, el muón es inestable y se desintegra al cabo de una media
de dos microsegundos, pero el electrón es estable). Las partículas de las 2ª y 3ª
generaciones sólo se ven tras colisiones de alta energía, ya sea en aceleradores,
ya en los rayos cósmicos…
•Antipartículas: Para cada partícula existe una antipartícula que es igual
que la correspondiente partícula (misma masa, igual spin…) salvo en la carga
eléctrica, que es opuesta (lo mismo sucede con otras cargas que existen, como la
carga de color que es la fuente de la interacción de color –fuerte– del mismo
modo que la carga eléctrica es la fuente de la interacción electromagnética. Las
antipartículas son famosas sobre todo porque cuando se encuentran con sus
corresponidentes partículas se pueden aniquilar, desaparaceciendo y
convirtiéndose su energía en bosones fundamentales (fotones, gluones o W)

16. Adaptado de un diagrama cortesía del Particle Data Group / LBNL

17. Y estas son las interacciones que hay entre las partículas
Cada interacción
tiene asociada
una partícula o
un grupo de
partículas, las
partículas
mediadoras de
esa interacción
Adaptado de un diagrama cortesía del Particle Data Group / LBNL

18. Porque la interacción entre
electrón dos partículas, dos
electrones por ejemplo se
fotón entiende como debida al
intercambio de una tercera
partícula, un fotón para la
electrón interacción
electromagnética
Para fuerzas repulsivas,
como la que hay entre dos
partículas de la misma
carga, la analogía con dos
patinadores que se lanzan
tartas o balones funciona. Al
lanzar la tarta retrocedes, lo
mismo que al recibirla…

19. Pero, ¿y si la fuerza es atractiva?
Por ejemplo, la atracción entre partículas con cargas de
signo opuesto también se explica mediante el intercambio
de fotones. Ahí la analogía no es útil, por eso hay que
usarla con precaución…
Además, una
interacción es más
que una fuerza
En el ejemplo de la figura,
la emisión de un bosón W–
transforma un quark d en
uno u (y por tanto un
protón en un neutrón); es
la desintegración beta,
ejemplo de la interacción
débil

20. Órdenes
de magnitud
y otros
datos
El trabajo de la física
es complicado
aunque sólo sea por
los más de cuarenta
órdenes de
magnitud que tiene
que abarcar.
Y eso es nada más
el tamaño…

21. Física de partículas y cosmología
Hay pistas (principalmente el fondo de radiación de microondas)
que sugieren que todo el Universo proviene de un cóctel denso
y caliente de partículas elementales. Este es el motivo por el que
a veces se dice que en LHC se recreará el big bang (falso; como
mucho reproducirá las condiciones de alta energía que se
habrían dado una fracción de segundo después, por ejemplo el
plasma de quarks y gluones que se espera estudiar en el
detector ALICE del LHC).
Consiguientemente, una serie de grandes preguntas son
relevantes tanto para la física de altas energías como para la
cosmología:
•¿Qué es la materia oscura? ¿Y la energía oscura?
•¿Por qué apenas hay antimateria en el Universo cuando
partículas y antipartículas se crean en pie de igualdad?
•…

23. Los instrumentos:
aceleradores y detectores
ATLAS
CMS
cortesía CERN

24. El acelerador
En un acelerador circular las
partículas son desviadas y
focalizadas por campos
magnéticos y aceleradas por
campos eléctricos oscilantes
foto CERN
Por cierto, ¿están bien
colocados los imanes de
herradura?

25. Los detectores (I)
cortesía CERN
Muchos detectores funcionan
con el mismo principio básico:
El paso de una partícula cargada
por un medio sensible da lugar
a una señal (eléctrica o
luminosa) que se recoge y se
amplifica.
Así pueden reconstruirse
trayectorias (tracking) y calcular
momentos lineales a partir de
ellas si el detector incluye un
campo magnético (puesto que la
curvatura de la trayectoria de–
pende del momento lineal, de la carga y del campo magnético.
Otro tipo de aparatos, los calorímetros, emplean un principio
similar para medir energías.

26. Los detectores (II)
tracker
Solenoide
calorímetros
superconductor Detectores
de muones
foto CERN
Sección transversal del detector CMS del LHC (CERN)
Durante una presentación, al pasar el puntero por el nombre de una
partícula se ve una simulación de su paso por CMS. Para salir, pulsar escape

27. Lo que nos hemos dejado
•Selección de sucesos. Cuando el LHC funcione, en sus
detectores tendrán lugar del orden de mil millones de
interacciones protón – protón cada segundo. Sería imposible
almacenar y analizar la información de todas. ¿Cómo se eligen?
¿cómo se tratan después?
•Vale, tenemos detectores que producen datos trayectorias,
momentos y energías. ¿cómo se extrae de ahí la física? ¿Cuándo
se dice que se ha descubierto una partícula y por qué…?

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Francisco Barradas Solas, 2 de noviembre de 2009 (All Souls’)
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• Los diagramas y dibujos no atribuidos son de Alberto Izquierdo y Francisco Barradas, proceden
de su web “Viaje al corazón de la materia. Física de partículas en el Instituto”
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