Módulo 1�Física de partículas

Carlos Pajares, Jaime Álvarez Muñiz, Carlos Salgado

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Departamento de Física de Partículas & Instituto Galego de Altas Enerxías

Universidade de Santiago de Compostela

¿De qué está hecho el mundo que nos rodea?

¿Qué lo mantiene unido?

2 preguntas fundamentales

¿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…

¿De qué está hecha la materia ?

1 1/2 1/2² 1/2³ 1/2⁴

1/2⁵ 1/2⁶ 1/2⁷ 1/2⁸ 1/2⁹

1/2¹⁰ 1/2¹¹ 1/2¹² 1/2¹³ 1/2¹⁴

Si hacemos esto mismo otras 70 veces !! llegaremos a conseguir UN ÁTOMO.

Busquemos un trozo de materia

16384 trocitos

El átomo

Demócrito (S. V-VI a.C. ):

Toda la materia está constituída de partículas INDIVISIBLES llamadas ÁTOMOS

Pero… ¿es realmente el átomo indivisible ?

TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS

D. Mendeleev (1869)

Helio (He)

Neon (Ne)

Todos, pero todos todos, los átomos tienen un núcleo

cargado positivamente, y electrones con carga negativa

orbitando alrededor.

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(El electrón fue descubierto por J.J. Thomson en 1897).

El átomo se puede dividir !

Evidencia de subestructura en el átomo

(Rutherford 1911)

Partículas alpha radiactivas

(carga positiva)

Pero… ¿y el núcleo?, ¿es indivisible ?

1 Angstrom =10^-10 m

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 ?

Los protones y neutrones también se pueden dividir !

Protón

Neutrón

1 fermi = 10^-15 m

Neutrones y protones contienen “quarks” up and down

Pero… ¿y los quarks?, ¿también se pueden dividir?

<10^-18 m

?

No hay evidencia experimental

Pero… ¿y los quarks?,

¿también se pueden dividir?

¿Y los electrones?, ¿se pueden dividir?

Hay evidencia experimental de que no…

…hoy sabemos que la materia está hecha de átomos, los átomos están hechos de protones, neutrones y electrones, los protones y neutrones están hechos de quarks y éstos, a su vez, al igual que los electrones, puede (o no) que estén hechos de partículas incluso MÁS elementales...�

En resumen…

Otra partícula elemental: el fotón

La “luz” está formada por partículas llamadas fotones

El efecto fotoeléctrico:

Un haz de “luz” puede arrancar electrones de la materia.

Luz incidente

Electrones arrancados

Einstein (1905)

¿Existen más partículas elementales?

Los físicos han descubierto cerca de 200 partículas…

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Y siempre se hacen la misma pregunta… ¿serán verdaderamente indivisibles?.

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Ya sabemos que existen: Quarks up & down, electrones y fotones

K⁰

K^-

K⁺

π⁺

π⁰

π^-

Λ⁰

Λ⁺

Ω^-

Δ⁺

Σ^-

Δ^-

Δ⁺⁺

ρ

η

J/ψ

Hadrones

μ⁻

τ⁻

ν_e

ν_μ

ν_τ

μ⁺

τ⁺

Leptones

… y más

e⁺

6 QUARKS

6 LEPTONES

La materia ordinaria está formada por quarks u y d, y por electrones

Las 3 familias de partículas elementales

(Todos los hadrones están formados por combinaciones de qq o qqq)

Las 3 familias

_

(Indivisibles = elementales)

Además, por cada partícula elemental hay… una antipartícula

Electrón e^-

Anti-electrón e⁺ (positrón)

Aniquilación electrón-positrón

e⁺e^- → D⁺D^-

E = mc²

La materia se puede convertir en energía y viceversa:

Excelente forma de producir nuevas partículas

La masa es una forma de energía.

Nº de partículas = Nº antipartículas

¿Cuánta energía tiene la materia?

+

=

1 gramo de

materia

1 gramo de

antimateria

Liberan una energía equivalente a la explosión de una bomba atómica

E = mc²

LOS 6 QUARKS

Todos los hadrones están formados por combinaciones de qqq o qq

Los quarks tienen carga eléctrica fraccionaria

Gell-Mann (1963)

-

CONFINAMIENTO DE LOS QUARKS

Los quarks no existen en estado libre.

Si trato de separar dos quarks se forman hadrones (chorros de partículas)

Hadrón

Hadrón

Hadrón

E = mc²

La energía se puede convertir en masa

LOS LEPTONES

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e, μ y τ tienen carga eléctrica. El muón penetra mucho en la materia.

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Los neutrinos son neutros, tienen una masa muy pequeña y son extremadamente penetrantes (interaccionan muy poco con la materia)

Electrón = gato

Tau = 85 tigres

Muón = 10 leones

Neutrinos < pulgas

Los leptones pueden existir como partículas libres.

NEUTRINOS

Los neutrinos son extremadamente difíciles de detectar…

Propuestos por W. Pauli (1930) para evitar la no conservación de la energía en la desintegración del neutrón. Descubiertos por Cowan y Reines (1956)

600.000 millones de neutrinos

(procedentes del Sol)

atraviesan la palma de vuestra mano

cada segundo !!!, sólo uno (con

suerte) chocará en 100 años !!!

Ya hemos respondido a la pregunta:

"¿De qué está hecho el mundo?"

QUARKS y LEPTONES

¿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.

4 interacciones fundamentales

Fuerte

Electromagnética

Gravitatoria

Débil

carga eléctrica

masa

carga débil

carga de color

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

El resultado final también puede ser un e^-e⁺, un τ^-τ⁺ o un quark-antiquark (que al separarse producirán hadrones)

e^-

e⁺

τ^-

τ⁺

q

anti-q

R.P. Feynman

MODELO ESTÁNDAR

Fotón γ : Electromagnética

(quarks y leptones cargados)

Gluón g : Fuerte

(quarks)

W⁺, W^-, Z⁰: Débil

(quarks y leptones)

INTERACCIONES FUNDAMENTALES

¿Por qué las partículas del Modelo Estándar tienen las masas que tienen?

Cuanto más fuerte es la interacción más masiva será la partícula.

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Las partículas sin masa no interaccionan con el campo

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”.

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Peter Higgs

El mecanismo de Higgs