Introducción a la Física de Partículas Elementales Un viaje a lo más pequeño 4a clase Luis...
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Introducción a la Física de Partículas
Elementales
Un viaje a lo más pequeño 4a clase
Luis Manuel Montaño Zetina
Departamento de Física Cinvestav
Quarks detectados con protones
Stanford (SLAC), California, en los 1960s electrones chocan con protones, En 1995 descubre el
lepton Tau
2 miles long accelerator
End Station Aexperimental area
Freeway 280
Protones y neutrones vistos en el modelo de quarks
protón (carga +1) neutrón (carga 0)
uu dddd
uu uudd
Quarks tienen carga eléctrica fraccionariau carga eléctrica + 2/3d carga eléctrica 1/3
13
1
3
2
3
2
pduu 0
3
1
3
1
3
2nddu
Quarks
Deutsches Elektronen
Synchroton
6.3 Km
• Fueron observadas experimentalmente en colisiones electrón-protón en DESY (Hamburgo) hacia 1968.
• Los electrones tenían 20 GeV de energía.
Quarks
Deutsches Elektronen
SynchrotonElectron
Quark
Cascada de partículas
que origina el quark
Los quarks están confinados, no
se observan libremente como
tales
Quarks
Detector ZEUS (DESY)
Producción quark-
antiquark
Producción quark-
antiquark más gluón
¿Se compone el universo sólo de quarks y electrones?
NO…existen los neutrinos!
Para los neutrinos los protones, neutrones y electrones son escasos. Para cada uno de ellos existen 109 neutrinos
1 cmEn cada cm3 deespacio: ~300 neutrinos Llegan del Big Bang
Neutrinos en todas partes!
1 cm
Sólo 4 partículas para la materia (conocida)
ee
ee--
uu
dd-1/3
+2/30
-1
carga
Toda la materia estable está hecha por electrones, neutrinos, u y d
Quarks:u = upd = down
Leptones:neutrinoe = electrón
3 Familias (o Generaciones)
--
cc
ss
--
tt
bbMateria ordinaria Rayos Cósmicos Aceleradores
1a generación 2a generación 3a generación
-1/3-1/3
+2/3 +2/3
ee
ee--
uu
dd-1/3
+2/3
Creemos que estás partículas son los constituyentes fundamentales de la materia
-1 -1 -1
0 00
Las generaciones de la materia
Los quarks y leptones existen en 3 distintos grupos.
Toda la materia visible stá hecha de la primera generación de partículas de materia. La segunda y tercera generación de partículas de materia son inestables y decaen en la primera generación.
¿Por qué existen la 2a y 3a generación?
No sabemos. Posiblemente se deba a que estas partículas no son fundamentales, están constituidas de otras aún más pequeñas.
Antimateria• Para cada partícula fundamental existe una antipartícula con
propiedades iguales y con números cuánticos opuestos.
ee
ee--
uu
dd-1/3
+2/3
ee
ee++
uu
dd+1/3
-2/3
+1
0
-1
0
positrón
• Las correspondientes antipartículas existen para las 3 familias• La antimateria se produce en los grandes aceleradores.
Materia Antimateria
La barra indica antipartícula
Construyendo más partículas
bb bb
J/
cc cc
Y
bb uuB-
uu bbB+
bb ddB0
dd bbB0
Mesones B (bq)
Y muchos más…
J/Psi
• El grupo de Burton Richter en el SLAC (Stanford, ep), junto con le grupo de Samuel Ting en el Brookhaven National Laboratory (BNL, pp) encontraron el primer estado ligado del charm en 1974 llamando a esta partícula psi y J respectivamente.
• Hoy se llama mesón J/psi . Tiene una masa de 3.097GeV y está hecho de un quark encanto y un antiquark encanto, el cuarto sabor de los quarks conjeturado anteriormente. En 1976 Richter y Ting compartieron el Nobel de Física.
J/Psi
SLAC BNL
J/Psi, pero…
• El CERN no pudo descubrirla en su acelerador ISR donde se produjo en grandes cantidades sin identificarla.
• La J/Psi pudo haberse descubierto en Frascati, en el colisionador electrón-positrón ADONE. Fue diseñado para llegar a energías de 3000MeV.
"Young man, if I could remember the names of these particles, I would have been a botanist!“
E. Fermi dijo a su estudiante L. Lederman
(ambos ganadores del premio Nobel)
La Biblia de la Física de Partículas: Particle Data Bookhttps://pdg.lbl.gov
Las 4 fuerzas de la naturalezaDébil• Decaimiento Beta• Fusión pp
Fuerte• quarks
Electromagne-tismo• TV, etc • Imanes• creación ee
GravedadSólo atractiva
Carga eléctrica
masa
Carga débil
Cargafuerte
Fuerza Electromagnética
e- e-
Fotón
La fuerza repulsiva que dos electrones aproximándose “sienten”
El fotón es la partícula asociada a la fuerza electromagnética
Weak force: W-,W+,Z0
Decaimiento n→pee
La carga eléctrica se conserva en Cada vértice.
W-
Interactiones débilesLas interacciones débiles son responsables del decaimiento de quarks pesados y leptones a quarks y leptones más ligeros.
Las partículas portadoras de la interacción débil son los W y el Z.
Decaimiento del muon
Interacción Electrodébil
En el modelo estandar las interacciones electromagnética y débil se combinaron en una teoría unificada llamada electrodébil.A distancias pequeñas (10-18 m) la intensidad de la interacción débil es comparable a la electromagnética. Sin embargo, a 30 veces esa distancia (3x10-17 m) esa intensidad de interacción es 1/10000 veces la intensidad electromagnética. A distancias típicas del protón (10-15 m) la fuerza es aún menor.
La diferencia observada entre estas dos fuerzas es debida a la gran diferencia de las masas de W y Z con respecto al fotón..
Fuerza fuerte: gluones
Gluones interaccionan con quarks Gluones interaccionan con gluones
Strong interactions
The strong force holds the nuclei together to form hadrons. The theory of strong interactions is called Quantum Chromodynamics (QCD). This name is due to the fact that quarks, besides the electric charge, have a different kind of charge called “color charge”, which is responsible of the strong force.
The force carrier particles are called “gluons”, since they so tightly “glue” quarks together
Gluons have color charge, quarks have color charge but hadrons have no net color charge (“color neutral”). For this reason, the strong force only takes place on the small level of quark interactions.
Color charge
Color charged particle interact by exchanging gluons. Quarks constantly change their color charges as they exchange gluons with other quarks.
There are 3 color charges and 3 corresponding anti-color charges. Each quark has one of the color charges and each antiquark has one of the anticolor charges.
In a baryon a combination of red, green and blue is color neutral. Mesons are color neutral because they carry combinations as red and antired. Because gluon emission and absorption always changes color, gluons can be thought of as carrying a color and an anticolor charge. QCD calculations predict 8 different kinds of gluons.
Quark confinement
Color-charged particles cannot be found individually. They are confined in hadrons.
Quarks can combine only in 3-quarks objects (baryons) and quark-antiquark objects (mesons) which are color-neutral, particle as ud or uddd cannot exist. If one of the quarks in a given hadron is
pulled away from its neighbours, the color force field stretches between that quark and its neighbours. More and more energy is added to the color-force field as the quark are pulled apart.
At some point it’s energetically cheaper to snap into a new quark-antiquark pair. In so doing energy is conserved because the energy of the color-force field is converted in the mass of the new quarks.
Gravity
Gravity is one of the fundamental interactions, but the Standard Model cannot satisfactorily explain it.
This is one of the major unanswered problems in physics today
The particle force carrier for gravity, the graviton, has not been found
Fortunately, the effects of gravity are extremely tiny in most particle physics situations compared to the other three interactions, so theory and experiment can be compared without including gravity in the calculations. Thus, the Standard Model works without explaining gravity.
I. Newton
Grand Unified Theory
Physicists hope that a Grand Unified Theory will unify the strong, weak, and electromagnetic interactions. If a Grand Unification of all the interactions is possible, then all the interactions we observe are all different aspects of the same, unified interaction.
However, how can this be the case if strong and weak and electromagnetic interactions are so different in strength and effect?
Current data and theory suggests that these varied forces merge into one force when the particles being affected are at a high enough energy.
Grand Unified Theory
Supersymmetry
Some physicists attempting to unify gravity with the other fundamental forces have come to a startling prediction: every fundamental matter particle should have a massive "shadow" force carrier particle, and every force carrier should have a massive "shadow" matter particle. This relationship between matter particles and force carriers is called supersymmetry. For example, for every type of quark there may be a type of particle called a "squark." No supersymmetric particle has yet been found, but experiments are underway at CERN and Fermilab to detect supersymmetric partner particles.
El Modelo Estandar
Materia• 6 quarks• 6 leptonesAgrupados en 3 generaciones
Fuerzas• Electrodébil:
(fotón) - Z0, W±
• Fuerte - g (gluon)
Teoría exitosa para describir el mundo subatómico
Incluye:
H= Lo que falta, el bosón de Higgs
Más allá del modelo estandar: unificación de fuerzas
DÉBIL
FUERTE GRAVEDAD
ELECTRO-MAGNÉTICA
FUERZA UNIFICADA
¿Será posible, es necesario?