Este documento presenta un resumen de una introducción a la física de partículas dada por la Dra. Begoña de la Cruz en el CIEMAT en Madrid. Explica que la física de partículas estudia la materia a nivel subatómico para entender de qué están compuestos los diferentes objetos. Describe la evolución del modelo atómico y la identificación de partículas elementales como protones, neutrones, electrones y otras. Finalmente, introduce conceptos clave como quarks, bosones, fuerzas fundamentales, el modelo estándar

1. 22 Marzo 2011, CIEMAT, Madrid
Introducción a la Física de Partículas
Dra. Begoña de la Cruz
CIEMAT

2. ¿Por qué hay tantas sustancias y
objetos diversos?

3. ...
...
Mendeleiev
(1867)
Tabla Periódica

4. ?
Tabla Periódica
Átomo
Rutherford Bohr
(1909) (1913)

5. ?
Tabla Periódica
Átomo protón
neutrón
electrón

6. ...
protón neutrón electrón
 Estas partículas son finalmente elementales?...
…O están compuestas por otras aún más simples?...
El estudio para responder estas preguntas corresponde a la
Física de Partículas

7. Materia Molécula Atomo Núcleo Quark
Hadrones
Química
Física Atómica
Física
Masa protón = Nuclear
1.67⋅10-27 Kg =
938.3 MeV/c2 Física Partículas
∼1 GeV/c2

8. Materia
1932 p, n, e ν
1937 μ
1940s mesones π, K
1950s partículas Λ, Δ, Σ, ...
...Actualmente se conocen unas 300 partículas

9. En 1964 se propuso la idea de los quarks
como partículas elementales, de
carga eléctrica fraccionaria, que
existen con distintas personalidades
ó sabores
Zweig
Gell-Mann
u u d d
d u
protón neutrón

10. ¿De qué está compuesto un protón?
d u
q(u) = +2/3
u q(p) = +1
q(d) = -1/3
...y un neutrón?
d u
d q(n) = -1/3 - 1/3 + 2/3= 0

11. ¿Qué mantiene unidos a los quarks?
u u
Los gluones
d protón
Nunca se ha visto nunca un quark libre, por
qué?
...

12. Partículas Elementales
1897
1ª familia:
u, d, e- , ν e
2ª familia:
c, s, µ - , ν µ
leptones
3ª familia:
t, b, τ - , ν τ
1995

13. Antimateria
Toda partícula tiene su antipartícula, de igual masa pero
números cuánticos opuestos
Ej. electrón, e- : q(e-) =-1 , spin = -1/2 , m(e-) = 9.1×10-28 gr.
positrón, e+ : q(e+) =+1 , spin = +1/2 , m(e+) = 9.1×10-28 gr.

14. Interacciones

15. Todas estas interacciones
son manifestaciones de sólo
..
10 -40 .10-2.
4 interacciones básicas
. .
átomo
Fuerza gravitatoria Fuerza electromagnética
núcleo
1 10 -5
n  p + e- + ν e
Fuerza fuerte o de color Fuerza dé bil d  u + e- + ν e

16. Las interacciones fundamentales
Se produce por el intercambio de una partícula mediadora
http://www.cerimes.education.fr/
Las partículas de materia interaccionan a distancia
intercambiando una partícula « mensajera ».
El alcance de la interacción disminuye a medida que
la masa de la partícula mediadora aumenta.

17. Tipo de Interacción Partícula Mediadora
Electromagnética γ (fotón)
Fuerte g (gluón)
Débil bosones W, Z
Gravitatoria G (gravitón)
Aún no detectado
experimentalmente

18. Ejemplo: interacción electromagnética
p + + e- → + + e-
p
http://www.cerimes.education.fr/

19. Modelo Estándar de Partículas Elementales
En una descripción cuántica de la materia y las leyes de interacción entre ellas
aún no sabemos cómo incorporar la Gravitación, pero el resto de
interacciones están bien descritas por una teoría matemática, el Modelo
Estándar, capaz de hacer predicciones que se han confirmado en
experimentos.
interacciones
Mediadores
leptones

20. Modelo Estándar
(~1980)
Simetría
Componentes de la
Interacciones
Materia
Este modelo requiere que las partículas mediadoras no
tengan masa…y sabemos que no todas lo cumplen
 problema con origen de la masa

21. Partícula Higgs
El físico británico Dr. Peter Higgs propuso (1964) el llamado
mecanismo de Higgs:
Todas las partículas serían generadas en el Big Bang sin masa,
pero al interaccionar con el campo creado por la partícula de
Higgs, adquirirían masa, mayor, cuanto mayor sea la interacción.
Este campo llenaría todo el universo.
Interacción con el Fricción con un
campo de Higgs ≡ líquido viscoso

22. Partícula Higgs
El físico británico Dr. Peter Higgs propuso (1964) el llamado
mecanismo de Higgs:
Todas las partículas serían generadas en el Big Bang sin masa,
pero al interaccionar con el campo creado por la partícula de
Higgs, adquirirían masa, mayor, cuanto mayor sea la interacción.
Este campo llenaría todo el universo.
Interacción con el Fricción con un
campo de Higgs ≡ líquido viscoso
Unico “Higgs” observado hasta ahora en un
experimento…el propio Dr. Higgs!!

23. Partícula Higgs
Esta partícula predicha aún no ha sido detectada experimentalmente
y es uno de los principales objetivos de los experimentos actuales.
≡
Unico “Higgs” observado hasta ahora en un
experimento…el propio Dr. Higgs!!

24. Con el Modelo Estándard describimos de no sólo qué está
hecho nuestro planeta sino el resto del Sistema Solar, el sol,
nuestra galaxia, las estrellas que vemos….pero …
es éso todo lo que hay en el universo?
No!!!
Tenemos pruebas experimentales de la existencia de
 materia oscura (no visible en todo el espectro de radiación
electromagnética) es materia fría y
 energía oscura, de origen desconocido, llena todo el
universo y lo expande cada vez más rápido
Atomos
4.6%
Energía total Materia Energía
en Universo Oscura
23%
Oscura
72%

25. Qué problemas quedan por
resolver?
 El problema del origen de la masa (Higgs) y los valores tan
diferentes para unas partículas y otras.
 Qué es, qué naturaleza tiene la energía oscura
 Qué tipo de partícula compone la llamada materia oscura, que
sólo “sufre”, aparentemente, la fuerza gravitatoria
 En el origen del universo debió existir materia y antimateria en
iguales proporciones dónde se encuentra la antimateria hoy en
día?
 Los neutrinos, ν, tienen masa? Oscilaciones entre ellos …
En resumidas cuentas…existe una teoría más global que el
modelo Estándar, de la cual éste en una adaptación a las
energías de nuestro universo hoy en día?
Los experimentos con colisiones de partículas intentarán
resolverlas.

26. Aceleradores: herramientas en física
de partículas
La física de partículas
La astrofísica estudia la
estudia la materia en sus
materia en sus dimensiones
dimensiones más ínfimas
más grandes
Aceleradores Microscopios Binoculares Telescopios ópticos y
y detectores radiotelescopios
Se requieren distintos tipos de aparatos para explorar
objetos de distintas dimensiones

27. Colisiones de partículas a muy alta energía
100 m
Haz de partículas, Eh Haz de partículas, Eh’
© C. Vander Velde

28. © D. Barney
Accelerator Energy

29. © D. Barney
Accelerator Energy

30. © D. Barney
E=mc 2
La energía de la colisión se ha empleado
para crear algo nuevo, que
no estaba entre los componentes iniciales!
Accelerator Energy

31. Colisiones de partículas a muy alta energía
Explorar el interior de partículas no elementales
E = mc 2
Crear nuevas partículas a partir de energía disponible

32. Idea esquemática de acelerador circular
= colisionador de partículas
Curvan trayectorias
Aceleran partículas
Haces de partículas giran en sentidos opuestos, en trayectorias
separadas, y en algunos puntos se les hace colisionar.

33. ¿Cómo se aceleran partículas?
Por medio de campos eléctricos F= m·a = q·E
Partículas cargadas (e-, p, p, e+, núcleos, ...)
Campos eléctricos alternantes
aceleran a lo largo de longitud, L

34. Acelerador
Cavidades
lineal
Radiofrecuencia
(~1950)
+ - + - + - + -
+ - + - + - + -
+ - + - + - + -
+ + + +
+ - + - + - + -
+ - + - + - + -
+ - + - + - + -

35. ¿Cómo curvar trayectorias de partículas?
Con un campo magnético, B F = q·(v×B)
Las trayectorias de partículas son
circulares, consiguiendo energías
finales mayores
ρ =1/r=eB/p
Radiación Sincrotrón: partículas cargadas
aceleradas emiten radiación, perdiendo energía

36. ¿Cómo curvar trayectorias de partículas?
I≈11000 A
proporciona
B= 8.3T

37. Elementos de un acelerador
 Cavidades aceleradoras  Tubo del haz
Superconductoras Nb (a 4.5 K) Vacío mejor que espacio
 Dipolos Imanes superconductores, exterior
 Túnel
curvan trayectoria Gran obra ingeniería civil
 Cuadrupolos, Sextupolos
Focalizan y
empaquetan haz

38. gran colisionador de hadrones, LHC!
en CERN, (Ginebra, Suiza)
Francia
u iza
S

39. Túnel del Large Hadron Collider, LHC
27 km de circunferencia
100 m bajo tierra, 8 sectores
independientes en criogenia y sistemas
eléctricos y 8 enormes cavernas para
albergar detectores (~50000 m3)

40. Túnel del Large Hadron Collider,
LHC
Partículas del haz (hadrones): protones
2808 paquetes
(también iones de Plomo en fase posterior)
con 1011 protones
cada uno, corren
en un anillo de 27
km de perímetro
con el
99.999999% de la
velocidad de la
luz, dando 11245
vueltas cada
segundo!!!
Colisionando
unos contra otros
40,000,000 veces
por segundo
(40M Hz)

41. El LHC
Su construcción y puesta en
marcha ha supuesto un
auténtico reto tecnológico
 Miles de imanes superconductores más potentes que
existen hoy en día,
 enfriados con He líquido a 1.9 K, más frío que el
espacio exterior,
 que generan un campo B=8.3T (10000 el campo
terrestre)
 El vacío en el interior del tubo del haz es de 10-13 atm,
10 veces menor que en superficie lunar

42. El gran colisionador de hadrones,
el LHC
Energía del universo 10-10s tras el Big-bang
vp = 99,9999991 % c c=300.000 km/s
100 m
protones protones
Eh=3.5 TeV Eh’=3.5 TeV
Luminosidad, L= 10 34 cm -2 s -1
1 TeV = 1 x 1012 eV
1 TeV = 1 téraelectronvoltio 1 eV = 1.6 x 10-19 J
© C. Vander Velde

43. © D. Barney
Complicando las colisiones……
Las partículas interesantes (los
dinosaurios!) desaparecen nada más
crearse.
Las partículas muy masivas se
desintegran en otras más ligeras y
estables.
Nos quedan las partículas resultantes
hemos de actuar como detectives, y
observar las evidencias para
reconstruir qué ocurrió!
Accelerator Energy

44. ¿Cómo se detectan las partículas?
Partículas son muy pequeñas para ser vistas  observadas a través
de su interacción (perturbación) con ciertos materiales (detectores)
Perturbaciones 
Señales eléctricas 
Recogidas y digitalizadas 
Analizadas

45. © C. Vander Velde
Los detectores del LHC
Detector constituido por capas
concentricas, cada una con tareas
específicas

46. Detección de partículas
Objetivo: Identificar y medir magnitudes (energía, momento,
carga eléctrica, trayectoria) de las partículas creadas.
Cada tipo de partícula deja una señal distinta en el detector.
Con estas señales se reconstruye qué ha ocurrido en la
colisión.
Se aprovecha la interacción de las
partículas con la materia
 sólo partículas estables (“larga
vida”) (p, n, e ± , µ ± , π ± , K ± , γ,…)
 aquéllas que interactúan con la
materia (neutrinos, ν, difícilmente)
Se disponen capas concéntricas de distintos
detectores, cada uno con una tarea
específica.

47. Detección de partículas
Vista transversal de un sector de un experimento
Visualiza el paso de cada tipo de partícula a través de los detectores

48. Detección de partículas: Muón
•• •
• ••
Muones dejan señal (impactos) en varios
detectores.
Reconstruimos su trayectoria en 2 posibles
instrumentos:
 Tracker
 Cámaras de muones
A partir de los impactos reconstruimos las
trayectorias curvadas de los muones.
µ+
µ-

49. En el LHC hay 4 grandes detectores
CMS
Propósito general
LHCb
Física del quark b
Violación CP
ALICE
Plasma de quarks
y gluones
ATLAS
Propósito general

50. El LHC y sus experimentos
El LHC ya ha empezado a funcionar, realizando colisiones
de protones a una energía
Eh=3.5 TeV  2 x 3.5 TeV = 7 TeV
Muón

51. El LHC y sus experimentos
Colisión donde se producen 2 muones (y
más partículas)

52. ¿Cómo llegan hasta nosotros los datos?
Partícula cruza
detector
Señal se
amplifica
...y se
digitaliza
Selección
sucesos útiles
Almacenamiento
Análisis de colisión
con ordenadores

53. El sistema de computación GRID
serán analizados por el sistema de computación más
potente del mundo
Los detectores enviarán datos a un ritmo de 700 Es decir 15,000,000 GB
MB/sec. (15 PB) por año
Esto es ~30,000 Enciclopedias Britannicas cada Una pila de 20 km de CDs
segundo! por año.

54. Puzzle de la Física de Partículas...
Detectores
Interacciones
Partículas
elementales
Aceleradores
Está aún incompleto… Quizá algunos de
vosotros ayudaréis a componerlo!!

55. Spin-off: Aplicaciones
aceleradores y detectores
Qué tiene que ver la Física de Partículas con nuestro día a día?
Internet PET (Positron
WWW Emission
Tomography)
Hadron Therapy
Usan ondas
electromagnéticas GPS corrige por
dilatación del
tiempo (Relatividad)
Courtesy of IBA