Mdulo 1 Fsica de partculas Carlos Pajares Jaime

Módulo 1 Física 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 preguntas fundamentales ¿De qué está hecho el mundo que nos rodea? ¿Qué lo mantiene unido?

¿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 ? Busquemos un trozo de materia 1 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.

El átomo Demócrito (S. V-VI a. C. ): Toda la materia está constituída de partículas INDIVISIBLES llamadas ÁTOMOS TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS D. Mendeleev (1869) Pero… ¿es realmente el átomo indivisible ?

El átomo se puede dividir ! Helio (He) Neon (Ne) Todos, pero 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).

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

El núcleo se puede dividir ! -14 10 m Pero… ¿y los protones y neutrones? , ¿son indivisibles ? El núcleo contiene protones de carga +e y neutrones sin carga.

Los protones y neutrones también se pueden dividir ! Neutrón u d 1 fermi = 10 d -15 Protón u u d Pero… ¿y los quarks? , ¿también se pueden dividir? m Neutrones y protones contienen “quarks” up and down

Pero… ¿y los quarks? , ¿también se pueden dividir? u d d ? -18 <10 No hay evidencia experimental m ¿Y los electrones? , ¿se pueden dividir? Hay evidencia experimental de que no…

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

Otra partícula elemental: el fotón El efecto fotoeléctrico: Un haz de “luz” puede arrancar electrones de la materia. Luz incidente Electrones arrancados La “luz” está formada por partículas llamadas fotones Einstein (1905)

¿Existen más partículas elementales? Ya sabemos que existen: Quarks up & down, electrones y fotones Leptones Los físicos han descubierto cerca de 200 partículas… ne Y siempre se hacen la misma pregunta… ¿serán verdaderamente indivisibles? . p 0 pp+ h r K+ J/y K- m- m+ e+ nm t- t+ nt Hadrones D+ K 0 DD++ L+ L 0 SW… y más

Las 3 familias de partículas elementales 6 QUARKS (Todos los hadrones están _ formados por combinaciones de qq o qqq) 6 LEPTONES (Indivisibles = elementales) Las 3 familias La materia ordinaria está formada por quarks u y d, y por electrones

Además, por cada partícula elemental hay… una antipartícula Electrón e- Antielectrón e+ (positrón)

Aniquilación electrón-positrón La materia se puede convertir en energía y viceversa: La aniquilación produce energía g E = mc 2 La masa es una forma de energía. g eelectrón (materia) e+ g g positrón (antimateria) Se producen nuevas partículas y antipartículas e + e - → D+ DNº de partículas = Nº antipartículas Excelente forma de producir nuevas partículas

¿Cuánta energía tiene la materia? = + E = mc 2 1 gramo de materia 1 gramo de antimateria Liberan una energía equivalente a la explosión de una bomba atómica

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

CONFINAMIENTO DE LOS QUARKS La energía se puede convertir en masa Hadrón E = mc 2 Hadrón Los quarks no existen en estado libre. Si trato de separar dos quarks se forman hadrones (chorros de partículas)

LOS LEPTONES Los leptones pueden existir como partículas libres. Electrón = gato Tau = 85 tigres Neutrinos < pulgas Muón = 10 leones 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)

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 !!!

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: Interacción = atracción, repulsión, aniquilación ó desintegración Gravitatoria Electromagnética Fuerte Débil Las interacciones entre partículas se producen por intercambio de una serie de partículas elementales llamadas BOSONES.

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

Ejemplos de interacciones entre partículas Aniquilación Repulsión electromagnética débil de electrón yentre positrón dos y electrones conversión mediante en muón intercambio negativo yde positivo un fotón mediante intercambio de un Z 0 e- t - q e+ t+ 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)

MODELO ESTÁNDAR 3 FAMILIAS INTERACCIONES FUNDAMENTALES PARTÍCULAS PORTADORAS DE FUERZA LEPTONES QUARKS PARTÍCULAS ELEMENTALES Fotón g : Electromagnética (quarks y leptones cargados) Gluón g : Fuerte (quarks) W+, W-, Z 0: Débil (quarks y leptones)

¿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

El mecanismo de Higgs