Fisica de particulas_nov2012
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La Física de Partículas. ¿Qué es? ¿Qué es el bosón de Higgs? ¿Cómo se estudia? Francisco Matorras Instituto de Física de Cantabria (IFCA)
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La Física de Partículas.¿Qué es? ¿Qué es el bosón de Higgs? ¿Cómo se estudia?
Francisco Matorras
Instituto de Física de Cantabria (IFCA)
IFCA 2
Instituto de Investigación Mixto, de dos instituciones:Universidad de CantabriaConsejo Superior de Investigaciones Científicas
Creado en 1995Trabajamos ~100 personas
Investigadores• Profesores de la UC• Investigadores del CSIC• Postdocs, Contratados, Becarios de UC y CSIC
Plantilla de Apoyo• Administración• Unidad de Servicios Informáticos• Laboratorios
Publicamos >100/año artículos en las mejores revistas internacionales de Física
¿Qué es el IFCA?
IFCA 3
Actividad del IFCAEl IFCA es fundamentalmente un centro de investigación básica en:
Astrofísica:• Fondo Cósmico de Microondas• Radiofuentes • Astronomía de Rayos X • Telescopios terrestres
Estructura de la Materia:• Física Estadística y No
Lineal– sistemas complejos– predicción meteorológica– comunicaciones ópticas
• Física Experimental de Partículas
– Desarrollo de instrumentación
– Análisis de datos– computación avanzada
casi 20 años investigando algunas de las preguntas fundamentales en física:
La evolución del Universo.Las galaxias más lejanas.Cuásares.Materia versus Antimateria
La partícula más pesada que existeA la búsqueda del bosón de HiggsComputación GridPredicciones en sistemas complejos.Comunicaciones caóticas.
IFCA 4
¿Cómo investigamos?
Desarrollamos, construimos y utilizamos detectores para observar
Usamos grandes telescopiosLanzamos satélites de observaciónInstalamos grandes detectores de partículas
trabajando y desarrollando tecnologías de última generación
Introducción La Física de Altas Energías estudia las
partículas elementales, ¿porqué?
Porque toda la Naturaleza está formada por estos bloques básicos...de hecho explican la composición y comportamiento de toda la materia y energía del Universo.
¿De qué está hecha la materia que nos rodea? Está formada por los diferentes tipos
de átomos que conocemos (tabla periódica), formando parte de diversas estructuras (moléculas, cristales…)
Cada átomo tiene un núcleo, rodeado de una nube de electrones, y formado por neutrones y protones, que son mucho mas pesados (unas 2000 veces mas que los electrones).
La gran variedad de materiales que conocemos es combinación de estas tres partículas: electrón, protón y neutrón
Tabla Periódica de los Elementos
Mosca de la fruta: 3 mm (0.003 m)
Ácaros: 500 µm (0.0005 m)
Bacteria: 0.5 µm (0.0000005 m)
Virus: 100 nm (0.0000001 m)
Molécula de proteina: 10 nm (0.00000001 m)
Cadena de átomos: 2 nm (0.000000002 m)
electrón
protón
neutrón
< 1 am (0.000000000000000001 m
10-18 m)
1 fm (0.000000000000001 m
10-15 m)
1 fm (0.000000000000001 m)
Átomo(OJO, no está a escala!!): 100 pm (0.0000000001 m)
Proton
?
?
Up Quark & Down Quark: < 1 am (< 0.000000000000000001 m
10-18 m)
¿Por qué necesitamos más partículas? Con estos tres tipos de partículas se pueden explicar la
composición de toda la materia “habitual” Hace poco más de un siglo parecía entenderse todo a
nivel fundamental de forma muy correcta: Se conocen la fuerza gravitatoria (Newton) y el campo
electromagnético (Maxwell) Se descubre y entiende la radioactividad: Relatividad:
Cinemática relativista equivalencia masa-energía E=mc2
Teoría del átomo con sus componentes elementales: electrón, protón, neutrón
Sin embargo, observaciones de ciertos fenómenos de la naturaleza y posteriores experimentos mostraron un mundo más complejo
Neutrinos
neutrino
En el estudio de ciertas desintegraciones radioactivas se observan inconsistencias que no encajan en esta imagen
Pauli propone la existencia de una nueva partícula Esta partícula, sin carga eléctrica y mucho más ligera
que el electrón (quizás sin masa), es el neutrino. Tiene un papel esencial en las reacciones de
transformación entre neutrones y protones.
La radiación cósmica Durante la primera mitad del
siglo XX se encontraron nuevos tipos de partículas estudiando la radiación cósmica en cascadas de partículas
creadas por la colisión de protones del espacio con átomos de la atmósfera.
Los muones son partículas idénticas a los electrones, ¡excepto por su masa que es unas 200 veces mayor y son inestables!
Además se encontraron otras partículas como los piones y otras denominadas extrañas
Antimateria ¿Existe realmente la antimateria? ¿No es ciencia ficción?
Sí, inicialmente fue simplemente una hipótesis para justificar un problema matemático en la expresión que describe el movimiento del electrón
Se observó posteriormente en la naturaleza (rayos cósmicos y en ciertos procesos de radiactividad natural)
Se produce constantemente en laboratorios de investigación
Es la base de instrumentos en medicina (PET, Proton Emision Tomography)
E=mc2
Antimateria: ¿Qué es? ¿Qué es la materia?
entendemos la materia como aquello que está formado por un tipo de partículas llamadas fermiones
quarks y electrones que forman la materia “habitual” y alguna más...
Cada una de estas partículas tiene una “pareja” casi idéntica con las propiedades invertidas se pueden “crear” (producir) pares
partícula/antipartícula a partir de energía una partícula que se encuentre con su
antipartícula se aniquila produciendo energía
Antimateria En 1928, Paul Dirac explica
matemáticamente el comportamiento del electrón combinando la teoría cuántica y la relatividad
La ecuación propuesta tenía dos soluciones: una la esperada... pero también otra que
representaría a un electrón con todas sus propiedades invertidas.
Dirac interpretó esta segunda solución como la de una antipartícula, copia idéntica pero con propiedades opuestas. En el caso del electrón, el
antielectrón o positrón
Antimateria Anderson confirmó la existencia del positrón poco después al
detectar en la radiación cósmica la conversión de un fotón en un electrón y un positrón
creación de nuevas partículas a partir de energía
E=mc2
la antimateria se aniquila produciendo energía
cuando entra en contacto con la materia
Ahora entendemos la materia compuesta por 12 tipos de partículas fundamentales y sus correspondientes antipartículas:
LEPTONES CARGADOS:electrónmuón,tau
NEUTRINOS:aparecen en desintegraciones radiactivas
QUARKS: protones y neutrones (núcleos de átomos)u,d,s,c,b,top
... que interaccionan por medio de 4fuerzas fundamentales
intercambiando partículas mediadoras (bosones). como dos personas que se lanzan un balón medicinal...
se repelen por intercambio de una partícula
FUERTE:ligadura de los núcleosenergía nucleargluones
ELECTRO-DÉBIL:electricidad, magnetismocombustión estrellasfotón, bosones W,Z
GRAVITATORIA:gravedad terrestre, galaxiasGravitón(?)
El modelo estándar Todo este conocimiento se condensa en un modelo
matemático: el Modelo Estándar con pocas hipótesis y parámetros
explica con gran precisión todos los fenómenos subatómicos observados
es capaz de predecir resultados de experimentos de laboratorio
Al igual que con Mendeleiev quedaron “huecos” que posteriormente se llenaron con partículas
¿Qué es la masa? Según la RAE, la wikipedia (y muchos libros de
texto) La masa es una medida de la cantidad de materia
que posee un cuerpo Realmente en el mundo subatómico es más complejo...
¡hay partículas de materia sin masa y partículas con masa que no son materia!
De forma más general, la masa de un cuerpo es una propiedad relacionada con la fuerza que hay que hacer para poner ese cuerpo en movimiento (o con la atracción gravitatoria) algo tiene mucha masa si cuesta mucho frenarlo o
ponerlo en movimiento (o si pesa mucho)
El bosón de Higgs ¿Dónde encaja en todo esto?
con el planteamiento inicial el modelo estándar funcionaba sólo para partículas sin masa
¡sin embargo, sabemos que las partículas tienen masa!
Hace unos 50 años se propuso un “artificio” matemático (mecanismo de Higgs) que solucionaba este problema
Incorporaba las masas de forma natural y mantenía el poder predictivo del modelo.
Predecía un nuevo tipo de partícula, el bosón de Higgs, que sin embargo no se había observado en estos 50 años
El bosón de Higgs
¿Por qué tanta excitación? el modelo estándar explica a la perfección todos
los fenómenos de la naturaleza a escala subatómica (incluido los primeros instantes después del Big-Bang)
Se basa en una hipótesis “arriesgada” ¿Cómo puede funcionar tan bien el modelo y sin
embargo estar equivocada esta hipótesis? Pese a muchos años de experimentos (en
Cantabria colaboramos en varios desde el año 1985) ¿por qué no se ha visto el Higgs?
Campo de Higgs ¿Cómo funciona?
es un campo cuántico que se extiende por todo el espacio
se acopla con distinta intensidad a cada tipo partícula
(si lo hace con más intensidad la partícula tendrá una mayor masa).
la intensidad viene dada por algo parecido a una fricción con el campo de Higgs,
por lo que las partículas más ligeras se moverían por este campo fácilmente mientras que las más pesadas lo harán con mayor dificultad.
Campo de Higgs El campo de Higgs sería como un mar
invisible que se extiende por todo el universo las partículas como barcos navegando por él.
Barcos más grandes sufren una mayor fricción, tendrán mayor masa.
En ciertas condiciones el mismo campo se puede manifestar como una partícula, el bosón de Higgs como el mar en ciertas condiciones puede
producir un iceberg que navega por él...
Bosón de Higgs ¿Por qué es tan difícil de detectar? el bosón de Higgs se
desintegra inmediatamente a otras partículas subatómicas
no existe en la naturaleza incluso en experimentos
dedicados, se produce muy raramente
hay que: 1. producir un Higgs
2. detectar las partículas a las que se desintegra
3. reconocerlo entre otras muchas colisiones parecidas
¿Cómo se investiga en este campo?
La mayoría de las partículas elementales no existen en la naturaleza en estos momentos
Somos capaces de “crear” (producir) transformando energía en materia acelerando partículas más comunes y haciéndolas chocar entre sí
Mediante detectores de alta tecnología somos capaces de ver su rastro y medir sus propiedades
The Large Hadron Collider acelerador de partículas del
CERN (Geneva) centro europeo de física de
partículas Acelera partículas
subatómicas (protones) y las acelera a altísimas velocidades para hacerlas colisionar
Se pueden producir partículas que no existen en las actuales condiciones de la naturaleza
Grandes y complejos detectores registran los productos de las colisiones
El LHC
E=mc2
27 Km de tunel 100 m bajo tierra Se aceleran los protones hasta 0.99999999 veces la
velocidad de la luz 11000 vueltas por segundo
Vacío comparable al del espacio interestelar
Algunos números...
1600 imanes superconductores Uno de los lugares más fríos del Universo, -271 Celsius
120 Toneladas de Helio Líquido A la vez, las colisiones producen durante un breve instante las
mayores temperaturas en el Universo miles de millones de veces la temperatura interna del sol Parecida a la que hubo en el Universo fracciones de segundo
después del Big-Bang
Algunos números
Detectores de partículas Las partículas elementales son extremadamente pequeñas… ¿cómo
se pueden estudiar? Un reactor que vuela muy alto, no es visible, pero su traza en el cielo
bajo ciertas condiciones, si lo es… De forma similar una partícula subatómica puede dejar un rastro al
ionizar los átomos un medio: Emulsión fotográfica Cámaras de niebla, llenas de vapor, se empleaba un principio similar: se
observa un rastro de condensación creada por la partícula. Para medir su energía y su carga se puede emplear un campo
magnético: las partículas curvan su trayectoria en él.
Detectores Modernos
Los detectores generan señales electrónicas que son recogidas y analizadas por ordenador
Un detector está compuesto de muchos tipos de subdetectores complejos y tiene grandes dimensiones
1. Las partículas al cruzar el detector chocan con los átomos y liberan electrones
2. Ios electrones son atraídos por un hilo
3. la señal eléctrica se amplifica y se envía a un ordenador
4. la trayectoria es reconstruida por el ordenador
Actualmente se construyen enormes detectores basados en componentes electrónicos
4 en el LHC: Alice, Atlas, CMS, LHCb
Probablemente los aparatos más complejos jamás construidos
Han llevado cerca de 20 años de desarrollo y construcción por equipos de miles de científicos
Detectores
Desafío tecnológico 15 m de diámetro, 20 m
longitud Los campos magnéticos
más intensos: 4 Tesla (100000 veces el campo terrestre)
12500 Tm (2x Torre Eiffel) de alta tecnología
Como una gigantesca cámara 3D sacando 40000 fotos/segundo a partículas subatómicas con precisiones de milésimas de milimetro
La mayoría con tecnologías desarrolladas por los propios científicos del LHC que luego se pueden utilizar en otras aplicaciones
Moverlo fue un desafío...
Dave Barney
Dave Barney
¡Un ejemplo de cooperación!El experimento CMS del LHC
Desafío computacional Como almacenar 1 GB/s de
datos (unos 100000000 GB/año !!!)
Sólo una de cada 1000000000 colisiones producen un bosón de Higgs
GRID computing: datos y recursos distribuidos en 30 centros por el mundo (uno de ellos en Santander)
Hay que analizar los datos
Con todo esto... Las señales producidas por las colisiones del
LHC en Ginebra se almacenan y analizan en Santander
Sobre ellas se trabaja e intenta sacar conclusiones
Ésta es la primera colisión detectada en el LHC
Las colisiones en que se produce algo “interesante” son muy raras por ejemplo el bosón
de Higgs se produce en unas 10 de cada billones de colisiones
la señal detectada no es muy distinta de otras colisiones
Una aguja en un pajar
¿Cuál es el Higgs?
¿Cuál es el resultado actual? Aunque se siguen acumulando y analizando
datos para confirmarlo en Julio se tuvo la certeza de que había algo
nuevo en los datos: no es compatible con ninguna partícula conocida si no es el bosón de Higgs, al menos es algo con
propiedades parecidas
Y, ¿ya entendemos todo? NO, de momento se ha
entendido el problema de la masa y no completamente
aún hay aspectos que aclarar
Muchas otras cuestiones abiertas en este campo se siguen estudiando en el LHC
¿Qué es la materia oscura? ¿existe?
¿Y la energía oscura? ¿Vivimos realmente en un
mundo de 3 dimensiones espaciales o hay más?
¿Por qué existe tan gran asimetría entre materia y antimateria?
¿Por qué hay 4 fuerzas fundamentales? ¿Por qué son tan distintas?
¿Existe la supersimetría?
Courtesy of IBA
¿Para qué sirve todo esto? Aumentar nuestro conocimiento,¡ algo fundamental como seres
humanos! Descubrimientos de Ciencia Básica de hace 100-150 años son los
que han permitido la revolución tecnológica de los últimos años
Los desarrollos tecnológicos revierten a más corto plazo en nuestra vida diaria
aceleradores de partículas son ya habituales en el tratamiento del cáncer
Las técnicas de radiodiagnóstico han evolucionado tremendamente los últimos años en gran medida a partir de las técnicas desarrolladas en experimentos como estos.
¡el www se desarrolló en el CERN por investigadores en Física de Partículas!
En resumen... El descubrimiento del
bosón de Higgs cierra una fase de nuestro conocimiento del Universo...
...aunque aún quedan muchas preguntas por responder
La búsqueda de esta partícula ha sido un esfuerzo colaborativo de escala mundial (en la que hemos colaborado desde Cantabria)
Por el momento no sabemos de ninguna aplicación práctica (aunque probablemente las habrá) ¡salvo para historias de
ciencia ficción! Sí hay aplicaciones
directas de la tecnología desarrollada para su descubrimiento
Más información [email protected]
Visitas al IFCA en Noviembre (Semana de la Ciencia)
En nuestro www www.ifca.unican.es En facebook IFCA Difusion En twitter @IFCA_difusion @fmatorras Directamente del CERN
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Gracias por vuestra atención
