Introducción a
la física de
partículas
para profesores de instituto
(no necesariamente de física)
Introducción
Una pregunta básica de la ciencia
(pero previa a la ciencia,
seguramente) es
¿de qué están hechas las cosas?
La física de partículas (que otros
llaman, ya veremos por qué,
física de
altas energías
) se dedica a buscar los
componentes más fundamentales del
Universo y a investigar su
A qué se dedican los físicos
de partículas
Las distinciones
no son siempre
tan claras como
podemos creer
desde fuera
(aunque hay
teóricos
muy
teóricos, no
pueden ignorar
los experimentos
(¿verdad?).
Imagina un tablero con un blanco oculto por una
pantalla, como en la figura.
Podríamos intentar deducir su forma, al
menos en parte, lanzando bolitas contra él y viendo como salen.
No será igual con un triángulo que con un
círculo o un rectángulo… Pues, una vez que se han agotado las posibilidades de usar microscopios, eso es lo que hacen los físicos de partículas: Acelerar partículas (¡no con una rampa!), dirigirlas contra un blanco y ver lo que sucede a medida que se aumenta la
A veces lo que pasa es que las partículas simplemente se
desvían.
Es el caso de los experimentos de Rutherford, Geiger y Marsden a principios del siglo XX, que no
usaban partículas aceleradas, sino las partículas a que salían de
ciertas
El modo de desviarse las partículas llevó a Rutherford a pensar que había un
minúsculo núcleo positivo y los
electrones estaban en la periferia.
Entre 1966 y 1978, Friedman, Kendall y Taylor repitieron el experimento
lanzando electrones acelerados contra blancos de hidrógeno, deuterio y otras cosas, deduciendo así que dentro de los protones y neutrones hay tres objetos “duros y pequeños”, los quarks, y aún
Cuando las colisiones
tienen suficiente energía, empiezan a pasar cosas raras…
Es como si al hacer chocar dos fresas, a partir de la energía de la colisión
pudieran surgir paras, manzanas, bellotas, fresas…
Frutas que NO estaban
dentro de las fresas antes de chocar, que se han
materializado a partir de la energía.
E = mc
2en acción
cortesía CERN / Rafael Carreras
Eso ocurre cada día en los
aceleradores de altas energías (haz clic sobre “PLAY” en la presentación) y continuamente cuando los rayos cósmicos chocan contra los átomos de la atmósfera terrestre…
Simon Swordy, University of Chicago/NASA
CERN
CERN
Y no son imaginaciones de los físicos; se ve en los detectores:
En esta imagen tomada en una cámara de burbujas, entra una partícula (un pión) por la izquierda, choca con un protón en reposo y
como resultado aparecen 16 piones más…
Colisiones: el método experimental
En el centro del detector Aleph chocan un electrón y un positrón. De la energía de la colisión salen (en este caso) dos chorros de nuevas partículas...
Detectores
Registran el paso de las partículas
cargadas -y por eso se les
compara con cámaras
digitales
gigantes- pero también miden su energía y momento lineal.
Aleph era uno de los detectores del
acelerador LEP,
predecesor del LHC en el CERN.
¿Por qué hacen falta
altas energías
?
E = mc
2
Para crear nuevas partículas desconocidas
que puedan existir ya que para que se
materialice
una partícula de masa
m
, hace
falta al menos la energía mc
2(Los detalles más adelante…)
Estos son los resultados:
Adaptado de una imagen cortesía de Fermilab
Los ingredientes básicos del universo son una serie de
partículas, aparentemente sin estructura hasta donde se ha podido estudiar, las partículas
elementales, de las que no sólo
está hecha toda la materia y la radiación, sino que son
responsables de las interacciones (algo más que las fuerzas) entre las partículas “materiales”
Por sus propiedades y
comportamiento se pueden
clasificar en tres grupos: los quarks y leptones (partículas materiales) y las que transmiten las
Estos son los resultados:
En más
detalle
Notas:
•
Spin
:
Es, como la carga o la masa, una de las características queidentifican a las partículas. Se trata de un momento angular intrínseco de la partícula. Si nos imaginamos las partículas como bolitas es fácil pensar que su
spin describe cómo giran alrededor de sí mismas; el eje y la velocidad de rotación, pero no… El spin de una partícula es constante en módulo y su
orientación sólo puede tomar una serie discreta de valores (dos para s = ½), además ¿cómo iba a girar en torno a sí misma una partícula puntual, sin
tamaño?
•
Unidades de masa:
Los físicos de partículas no usan los kg.Están tan acostumbrados a la conversión de energía en materia que dan como masa la que sale de la relación de Einstein: m = E/c2 (E es la energía en
reposo, la mínima necesaria para crear una partícula de masa m).
Por ejemplo, si protón tiene una masa m =1,67·10–27 kg, E = 1,50·10–16 J, que
en electronvoltios es 0,938 ·1012 eV = 0,938 GeV. Por eso en la tabla saldría el
valor m = 0,938 GeV/c2. Un átomo de hidrógeno tiene una masa similar,
mientras para un electrón m ≈ 0,000 511 GeV/c2 (como 1/2000 de un átomo
de hidrógeno) y para los quarks, aunque en este caso el concepto masa no es tan sencillo, mU ≈ 0,003 GeV/c2, m
t ≈ 175 GeV/c2 (valor este muy parecido al
de una molécula de cafeína o un átomo de plomo). Un grano de arena de los más pequeños que podemos ver tiene una masa del orden de 1017 GeV/c2 y un
Notas (2):
•
Carga eléctrica:
En unidades en las que la del electrón es –1.•
Tres familias:
La tabla de partículas elementales materiales
(fermiones) tiene una estructura curiosa. Podríamos explicar todo lo que nos rodea sólo con la primera generación de partículas: el electrón, el neutrino
electrónico y los quarks u y d. Pero además está la segunda generación, con el
muón, su neutrino y los quarks c y s y, finalmente, la tercera generación , con el tau y su neutrino más los quarks t y b. Lo curioso es que la segunda y
tercera generaciones son en cierto sentido copias de la primera, siendo la
masa la diferencia fundamental (no la única, por ejemplo, el muón es inestable y se desintegra al cabo de una media de dos microsegundos, pero el electrón es estable). Las partículas de las 2ª y 3ª generaciones sólo se ven tras
colisiones de alta energía, ya sea en aceleradores, ya en los rayos cósmicos…
•
Antipartículas:
Para cada partícula existe una antipartícula que es igual que la correspondiente partícula (misma masa, igual spin…) salvo en la carga eléctrica, que es opuesta (lo mismo sucede con otras cargas queexisten, como la carga de color que es la fuente de la interacción de color – fuerte– del mismo modo que la carga eléctrica es la fuente de la interacción electromagnética. Las antipartículas son famosas sobre todo porque cuando se encuentran con sus corresponidentes partículas se pueden aniquilar,
Cada interacción tiene asociada una partícula o un grupo de
partículas, las
partículas
mediadoras de esa interacción
Y estas son las interacciones que hay entre las partículas
Porque la interacción entre
dos partículas, dos
electrones por ejemplo se
entiende como debida al
intercambio de una
tercera partícula, un fotón
para la interacción
electromagnética
Para fuerzas repulsivas,
como la que hay entre dos partículas de la misma
carga, la analogía con dos patinadores que se lanzan tartas o balones funciona. Al lanzar la tarta
retrocedes, lo mismo que al recibirla…
electrón
electrón
Pero, ¿y si la fuerza es atractiva?
Por ejemplo, la atracción entre partículas con cargas de signo opuesto también se explica mediante el
intercambio de fotones. Ahí la analogía no es útil, por eso hay que usarla con precaución…
Además, una
interacción es más
que una fuerza
En el ejemplo de la
figura, la emisión de un bosón W– transforma un
quark d en uno u (y por tanto un protón en un neutrón); es la
desintegración beta,
Órdenes
de magnitud
y otros
datos
El trabajo de la
física es complicado
aunque sólo sea
por los más de
Física de partículas y cosmología
Hay pistas (principalmente el fondo de radiación de
microondas) que sugieren que todo el Universo proviene de un cóctel denso y caliente de partículas elementales. Este es el motivo por el que a veces se dice que en LHC se recreará el
big bang (falso; como mucho reproducirá las condiciones de alta energía que se habrían dado una fracción de segundo
después, por ejemplo el plasma de quarks y gluones que se espera estudiar en el detector ALICE del LHC).
Consiguientemente, una serie de grandes preguntas son
relevantes tanto para la física de altas energías como para la cosmología:
•¿Qué es la materia oscura? ¿Y la energía oscura?
•¿Por qué apenas hay antimateria en el Universo cuando partículas y antipartículas se crean en pie de igualdad?
Los instrumentos:
aceleradores y detectores
ATLAS
CMS
El acelerador
foto CERN
Por cierto, ¿están bien colocados los imanes de herradura?
En un acelerador circular las partículas son desviadas y focalizadas por campos
Los detectores (I)
cortesía CERN Muchos detectores funcionan
con el mismo principio básico: El paso de una partícula
cargada por un medio sensible da lugar a una señal (eléctrica o luminosa) que se recoge y se amplifica.
Así pueden reconstruirse trayectorias (tracking) y
calcular momentos lineales a partir de ellas si el detector incluye un campo magnético (puesto que la curvatura de la trayectoria de–
pende del momento lineal, de la carga y del campo magnético.
Los detectores (II)
foto CERN
Sección transversal del detector CMS del LHC (CERN)
Durante una presentación, al pasar el puntero por el nombre de una partícula se ve una simulación de su paso por CMS. Para salir, pulsar escape
Detectores de muones Solenoide
superconductor
calorímetros
•Selección de sucesos. Cuando el LHC funcione, en sus detectores tendrán lugar del orden de mil millones de
interacciones protón – protón cada segundo. Sería imposible almacenar y analizar la información de todas. ¿Cómo se
eligen? ¿cómo se tratan después?
•Vale, tenemos detectores que producen datos trayectorias, momentos y energías. ¿cómo se extrae de ahí la física?
¿Cuándo se dice que se ha descubierto una partícula y por qué…?
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Francisco Barradas Solas, 2 de noviembre de 2009 (All Souls’)
Procedencia de las ilustraciones y fotografías:
• Las ilustraciones y fotografías cortesía de los laboratorios (CERN, Fermilab, PDG/LBNL están sujetas a los términos de uso establecidos por ellos.
• Los diagramas y dibujos no atribuidos son de Alberto Izquierdo y Francisco Barradas, proceden de su web “Viaje al corazón de la materia. Física de partículas en el Instituto”
