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Elmundodelaspartículas(1999)

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El mundo de las partículas

de Brian Sothworth y Jordi Boixader

CERN

Laboratorio Europeo de Física de Partículas / Organización Europea de Investigación Nuclear

El cómic del CERN “The World of Particles” fue transformado en una presentación de

PowerPoint durante la Escuela de Verano del CERN para profesores de Instituto HST

2001.

La presentación y el cómic se pueden utilizar libremente con las únicas condiciones de no

modificar ni el texto ni los dibujos y citar siempre al CERN como fuente.

Más información sobre el CERN en

http://www.cern.ch/

y sobre su programa para profesores de Física de Instituto en

http://teachers.web.cern.ch

Sobre la enseñanza de la física de altas energías en el Instituto (¡en castellano!),

(3)

¿De

qué está hecho nuestro universo?

¿De dónde viene?

¿Por qué se comporta como lo hace?

No tenemos todas las respuestas a esas preguntas, pero en los últimos años hemos

descubierto una gran cantidad de información sobre el Universo que nos rodea.

La búsqueda ha revelado que, más allá de la evidencia visible, hay un hirviente mundo de

partículas minúsculas y mensajeros que viajan entre ellas, cambiando constantemente en

el espacio, el tiempo y la energía. Este álbum presenta el fascinante mundo de las

partículas y parte de su asombroso comportamiento.

Uno de los laboratorios en los que se lleva a cabo la búsqueda es el CERN, el Laboratorio

Europeo de Física de Partículas.

Presentamos aquí a las poderosas máquinas del CERN: los aceleradores y los detectores

en los que se crean y estudian las partículas.

Así que, sin más preámbulos, pasemos a las partículas...

(4)
(5)

El CERN continúa con la tradición de observar nuestro mundo y tratar de entenderlo

(6)

¡Eureka!

Fuego

Tierra

Agua

¡Eureka!

¡Eureka!

Los científicos del CERN buscan las piezas más pequeñas de la materia y estudian cómo con ellas se construye nuestro mundo

Ésta búsqueda se remonta, al menos, a los tiempos de los filósofos griegos

En el siglo XIX, los químicos identificaron los átomos de muchos elementos

Ahora, los físicos han encontrado partículas aún menores dentro del átomo

(7)

A principios del siglo XX, los científicos se dieron cuenta de que la nube de partículas (llamadas electrones) que hay en el exterior de los átomos es responsable de casi todo el comportamiento de la materia

Soy la

partícula

que da

lugar a...

Señoras y

caballeros:

¡El electrón!

La emisión de luz

La electricidad La

electrónica

La químicaLas propiedadesmecánicas

Entonces se descubrió que el minúsculo núcleo que hay en el centro de los átomos, de

diámetro menor que la millonésima parte de una millonésima de centímetro, contenía otras partículas llamadas protones y

neutrones

De nosotros procede cualquier tipo de energía nuclear y a algunos se nos usa en la industria, la agricultura y la medicina

Y ahora ...

¡El núcleo!

Pero ahora se ha descubierto que incluso nosotros, el neutrón y el

(8)

Se han descubierto muchas partículas

y se han estudiado

sus propiedades

Curiosamente, aunque en una gota

de agua cabrían mil millones de

millones de millones de partículas

como yo, los científicos del CERN

necesitan grandes y complicados

equipos para averiguar cómo soy

Hemos decubierto que

las partículas pueden

tener carga eléctrica

Muchas de ellas

parecen girar

como peonzas

(9)

Pero si hemos descubierto tantas partículas con todas esas propiedades tan

raras, ¿estaremos de verdad aprendiendo cómo funciona nuestro universo?

¿Cómo ponemos orden

en esta pandilla?

Las partículas se pueden

clasificar en familias

según sus propiedades

Los miembros de cada

familia se comportan

de la misma manera

¿Y por qué se actúan de igual manera los miembros de la misma familia?

Porque dentro tienen partículas aún menores que les dicen

cómo .. comportarse

(10)

Con los quarks se construyen partículas como los protones y los neutrones y con éstas

se construyen los núcleos que -junto con los electrones- dan lugar a los átomos...

¿Hemos descubierto de qué está hecho nuestro Universo?

ÁTOMO

NÚCLEO

PROTÓN

QUARK

¿Eureka?

No del todo. Al estudiar los quarks, descubrimos que hay más tipos de los necesarios para formar los átomos

¿Por qué existen esos tipos extra de quark si no

hacen falta para construir nuestro mundo? ¿Hay algo dentro de los quarks? ¿Y de los

electrones?

(11)

¡Qué fuerte!

Pero hay una fuerza, llamada fuerza “fuerte”, cien veces más potente

Mantiene unidos a los protones y los neutrones en los núcleos

¡Pobre neutrón débil! Y también hay una fuerza “débil”, menos intensa que las otras

Hace que se desintegren algunas partículas. La desintegración del neutrón es una forma de radioactividad ...y la electricidad, como en el caso de los electrones (de carga

negativa) que se mantienen ligados alrededor del núcleo (de carga positiva) para formar átomos La más familiar es la fuerza electromagnética, que

unifica nuestro conocimiento del magnetismo...

¡Muy atractivo!

Del estudio de éstas particulas de las que se compone toda la materia parece desprenderse que su

(12)

Entendemos cómo se

comportan las partículas

bajo la influencia de la

fuerza electromagnética

Los electrones negativos se comunican con los protones positivos para formar átomos...

Pssst!

...mediante partículas mensajeras, llamadas fotones que las

partículas cargadas emiten en todas direcciones

La comunicación se lleva a cabo cuando otra partícula recibe uno de estos fotones

(13)

Por eso, las partículas

mensajeras que transmiten la fuerza fuerte se llaman gluones (del inglés “glue”, pegamento)

La fuerza fuerte mantiene unidos a los núcleos y adhiere entre sí tan estrechamente a los quarks de los protones que aún no ha sido posible sacar de ellos a un quark sin que lo acompañen algunas

partículas mensajeras

Pero su efecto

sobre las partículas

pequeñas es tan

minúsculo que

podemos ignorarla

Hay otra

(14)

Pero como

pueden crearse y estudiarse en el CERN, ahora los conocemos mejor La fuerza débil, que causa la

desintegración de los

neutrones, parecía misteriosa

En ella están implicadas unas escurridizas partículas

llamadas neutrinos

Grandes cantidades de neutrinos escapan en todas direcciones de la combustión en el Sol y las demás estrellas

Mientras las estrellas brillan,se están produciendo neutrinos y la fuerza débil actúa

Interaccionan tan débilmente con otras partículas que pueden atravesar la tierra sin dificultad. Ahora mismo, estás siendo

(15)

Lo que es muy sorprendente, pues la fuerza débil es tan poco intensa en comparación con las demás...

Consiguieron una teoría única que podía explicar a la vez las fuerzas electromagnética y débil

Este decubrimiento supuso a dos científicos del CERN el premio Nobel en 1984

La nueva teoría se

La nueva teoría se

confirmó en el

confirmó en el

CERN con el gran

CERN con el gran

descubrimiento de descubrimiento de las pesadas las pesadas partículas partículas mensajeras mensajeras

llamadas W y Z,

llamadas W y Z,

que transmiten la

que transmiten la

fuerza débil igual

fuerza débil igual

que los fotones

que los fotones

transmiten la transmiten la fuerza fuerza electromagnética electromagnética

Soy débil

Ahí va un neutrino

(16)

Este es el mundo de las partículas y su comportamiento que se estudian en el CERN...

(17)
(18)

Más de 7000 científicos de centros de investigación de todo el mundo participan en los experimentos del CERN

Vienen para usar las grandes

máquinas del laboratorio, en las que se aceleran las partículas hasta que alcanzan elevadas energías

Estas partículas de alta energía pueden hacerse chocar unas contra otras...

...y el resultado de las colisiones se puede observar en grandes detectores de partículas

(19)

Así como el peso de un elefante no tiene grandes efectos cuando se distribuye sobre

una superficie grande

...pero los produce tan llamativos al concentrase sobre un alfiler

En los

aceleradores del

CERN se crean y

estudian nuevas

partículas y así los

científicos

ahondan en la

estructura de la

materia

La cantidad de energía de las partículas

aceleradas es pequeña. Lo que cuenta es su concentración

Además, cuanto mayores son las energías de las partículas aceleradas, más profunda-mente pueden penetrar en la

materia

(20)

Mis imágenes las forman electrones acelerados

Un televisor tiene casi todas las características básicas de las

máquinas del CERN: una fuente de partículas y medios para

acelerarlas, guiarlas y detectarlas

Muchos de los aceleradores no son especialmente raros ni muy grandes, y la

mayoría de nosotros tiene uno en casa

¡He tenido un pequeño CERN en casa desde

siempre! Se liberan electrones

calentando un filamento

metálico... y los campos electromagnéticos los aceleran... y guían...

...siendo detectados cuando chocan

con la pantalla

(21)

Las partículas se pueden acelerar gracias a su carga eléctrica

Por ejemplo, un electrón que pasa entre dos piezas

metálicas conectadas a 1,5 V...

...se ve empujado desde el extremo negativo al positivo

Con este pequeño

“empujón”, la energía del electrón se incrementa en 1,5 electronvoltios (eV)

...millones de veces para alcanzar altas energías En los aceleradores del CERN, esos empujones se repiten...

en cada vuelta, los campos eléctricos nos dan un empujón para aumentar nuestra energía

los imanes nos conducen por una trayectoria circular y así volvemos para recibir otro empujón

(22)

El primer acelerador del CERN usaba protones. Era de un tipo llamado

“sincrociclotrón”, empleado sobre todo para estudiar el núcleo

Los protones, liberados en el centro de la máquina arrancando electrones de unos

átomos de hidrógeno mediante campos eléctricos

...seguían una trayectoria curva en el campo del imán circular de la máquina

Moviéndose hacia fuera en espiral al recibir un golpe de aceleración en cada vuelta, hasta alcanzar una energía de 600 millones de electronvoltios (600 MeV)

Lo que basta para cambiar un núcleo...

...transformándolo de maneras interesantes

(23)

Con el sincrociclotrón se inició un programa de investigación que continúa hasta hoy en una instalación del CERN llamada ISOLDE. En ISOLDE se ha transformado el plomo en oro

Los núcleos pueden estudiarse bajo condiciones extremas, como las que se dan al introducir en ellos partículas de más

Eso proporciona nueva

información sobre el núcleo, de modo parecido al de un botánico que recoge datos sobre los distintos híbridos de

una planta

Algunos de estos núcleos, llamados isótopos, se usan

en la industria, la medicina, la agricultura... ...y el conocimiento de cómo se unen los núcleos entre sí sirve para explicar la formación

de las estrellas

(24)

En 1959, el CERN puso en funcionamiento el que entonces era el acelerador de mayor energía del mundo, una máquina de 28 miles de millones de electronvoltios (28 GeV) llamada sincrotrón de protones

Los protones del sincrotrón alcanzan casi la velocidad de la luz y su “masa relativista” aumenta hasta ser casi treinta

veces mayor que en reposo

El sincrotrón de protones ha sido una máquina de mucho éxito, utilizada en cientos de experimentos y que llegó a acelerar unas mil veces más protones que los esperados. Ahora acelera muchos tipos de partículas que se llevan después a otras máquinas

¡

Todos a bordo del

(25)

En el sincrotrón de protones, los

científicos descubrieron que a veces un neutrino podía golpear a un neutrón y salir de la colisión siendo aún un neutrino

Esa fue la primera pista que indicó que las interacciones débiles y las electromagnéticas siguen las mismas reglas

En otros experimentos se midió el pequeño campo magnético de unas partículas llamadas muones con la precisión de unas pocas partes por millón

Confirmando así nuestra teoría del electromagnetismo

(26)

La máquina, de siete kilómetros de circunferencia, cruza la frontera franco - suiza

Está instalada en un túnel a unos 40 metros bajo tierra para no perturbar el medio ambiente Para penetrar más

profundamente en la

materia, el CERN construyó un supersincrotrón de

protones que entró en acción en 1976, alcanzando

energías de 400 GeV

Dispara haces de protones de alta energía contra blancos tales como un trozo de metal

Sus imanes pueden seleccionar un tipo

de-terminado de partícula de entre todas las que salen

Y éstas pueden chocar con los protones de un gran volumen de

(27)

El acelerador proporciona haces

de alta intensidad y energía...

Por ejemplo, de neutrinos

Algunos de los estudios más

precisos sobre el comportamiento de los neutrinos se han llevado a cabo en ésta máquina

También se han realizado experimentos que muestran que los quarks de los núcleos se comportan de forma distinta que los de las partículas independientes

El supersincrotrón de protones ha

acelerado núcleos, por ejemplo de plomo, hasta alcanzar energías enormes, con la esperanza de liberar quarks y gluones en un estado semejante al de la sopa de

partículas que pudo haber existido poco después de la creación del Universo.

(28)

En cambio, hacer que colisionen dos haces es como lanzar dos bolas de billar una contra otra; toda la energía de la colisión está disponible para producir

fenómenos interesantes

Pero cada haz debe contener muchas partículas, ya que de otro modo habría pocas coli-siones, como ocurre con dos rociadas de perdigones que pasan una a través de otra

Cuando se pueden hacer chocar dos haces de alta energía, hay más energía disponible para crear o transformar partículas

Al alcanzar los protones del supersincrotrón un blanco estacionario, sucede algo parecido a lo que pasa en el billar; tras un choque, la mayor parte de la energía va a parar al movimiento de las bolas

Los primeros haces intensos de protones colisionantes se

(29)

El truco está en enviar partículas por on lado y antipartículas por el otro; los campos eléctricos que empujan a los protones en un sentido tiran de los antiprotones en el contrario

Los colisionadores de haces son menos caros si se puede hacer viajar a las partículas en sentidos opuestos con un solo anillo de imanes

Las antipartículas son criaturas extrañas. Parecen ser iguales que las partículas, aunque algunas de sus propiedades están invertidas

Podemos imaginar un mundo que sería el reverso del nuestro, con átomos hechos de antielectrones (los llamados positrones) y núcleos de antiprotones y antineutrones

(30)

Pero en el CERN se inventó una forma de 

hacerlo

Se producen muchos

paquetes desordenados de antiprotones a partir de un blanco

Y después se conducen mediante campos magnéticos a un anillo especial

Su comportamiento se observa en un punto del anillo...

...y la información se envía a otro punto para que unos campos eléctricos puedan ordenar allí los paquetes

Tras varias horas, millones y millones de

antiprotones han sido colocados formando un haz organizado

(31)

Después de esta invención del CERN, se hizo posible la colisión de

protones y antiprotones en el supersincrotrón

Conjuntamente, tenían suficiente energía como para producir partículas W y Z, confirmando así la unidad de los fenómenos eléctricos y de desintegración beta radiactiva

El supersincrotrón de protones ya no se usa como colisionador y ahora el CERN emplea sus antiprotones en experimentos de muy baja energía...

…en los que, por ejemplo, se

capturan antiprotones y positrones en botellas magnéticas y se los mezcla para conseguir átomos de antihidrógeno

Esto nos ha dado a los

(32)

...para investigar la materia en unas

condiciones que nunca ante se habían

conseguido En 1989, el CERN puso en

funcionamiento el LEP, el mayor colisionador de electrones y positrones del mundo

...o colisionadores de electrones y positrones,

que producen colisiones sencillas, pero con los que es difícil conseguir altas energías

Actualmente pueden elegir entre colisionadores de protones, que pueden alcanzar energías muy altas, pero tienen todas las complicaciones que traen los quarks y gluones participantes...

(El CERN está construyendo ahora uno de éstos, el LHC,

Gran Colisionador de Hadrones) Los científicos tienen que ser muy

(33)

...y se instaló en un túnel de unos cuatro metros de ancho, perforado con una precisión de un centímetro en un anillo de 27 km de circunferencia

El LEP se construyó decenas de metros por debajo del campo, entre Francia y Suiza

Los aceleradores de protones del CERN ya existentes se modificaron para inyectar electrones y

positrones en el LEP

(34)

LHC-Durante la construcción del LEP se desarrollaron diversas nuevas tecnologías, incluyendo el uso de cemento para separar láminas de hierro en los imanes para campos magnéticos bajos

Para absorber moléculas de gas,manteniéndolas apartadas de las partículas circulantes, se

emplearon más de 20 km de un material, la “cinta captadora”, que también se usa en los aparatos de televisión

...y las cavidades superconductoras de aceleración las hacían ganar velocidad Unos imanes

(35)

La construcción del LEP, que fue el mayor instrumento científico del mundo, con sus miles de

complejos componentes de alta tecnología, supuso un triunfo para la industria y la tecnología

europeas.

(36)

Se necesitan

instrumentos muy grandes para

observar las partículas de alta energía

que escapan de la colisión

Para detectar partículas se

emplean distintas técnicas, tales

como medir las pequeñas

perturbaciones eléctricas que

causan al romper los átomos que

encuentran a su paso

y la señal eléctrica se recoge en el hilo más próximo de una de las grandes cortinas de alambres que hay en algunos detectores, diciendo así a los científicos por dónde ha pasado una partícula

En un gran detector, la región de la colisión está rodeada por cortinas de hilos, calorímetros y otros detec-tores para observar los resultados

Hay otra técnica que mide la energía perdida por una partícula al chocar con otras en su camino.

(37)

Toda la información producida por estos

detectores es analizada por computadoras

Sofisticados equipos electrónicos “disparan” los detectores cuando hay una colisión interesante...

...así, los científicos no tienen que estar presentes

todo el tiempo

Se han encontrado usos para detectores

similares en los hospitales

(38)

Los modernos detectores,

como los del LEP, son

electrónicos y mayores que

una casa

La información de un solo

suceso podría llenar una

guía de teléfonos

Rodean al punto de

colisión de las

partículas

Registran las

direcciones en las que

salen las partículas y

miden su energía

Unos grandes imanes curvan las

trayectorias de las partículas y

así revelan su carga eléctrica

(39)
(40)

En su interior tendrán lugar unos

800 millones de colisiones

individuales protón - protón cada

segundo

Uno de los detectores del LHC es

tan grande como un bloque de

oficinas de seis plantas

...que existían justo tras el nacimiento del Universo

Los detectores del LHC, el sucesor del LEP,

dejarán pequeños incluso a los de éste

Lo que equivale en datos a unos 800 millones de guías de teléfonos

Las colisiones protón -protón del LHC

permitirán a los científicos estudiar las

(41)

Entre las cuestiones

que abordará el Gran

Colisionador de

Hadrones están la

estructura de la

materia y el misterio

de la masa

Las masas de los partículas son muy

importantes. Si los electrones no

tuvieran masa, no existirían los sólidos

¿Hay partículas pesadas que

expliquen la ausencia aparente de

antimateria en el Universo ?

¿Por qué son tan masivas las partículas W

y Z? Si las W fueran más ligeras que los

electrones, nosotros no existiríamos

¿Existe una supersimetría

que relacione las fuerzas con

la materia ?

(42)
(43)

En cierto sentido, los científicos tienen que pelearse para decidir quién usa las máquinas del CERN

Para construir y manejar los grandes detctores y para llevar a cabo los experimentos puede ser necesaria la colaboración de cientos de científicos

Presentan sus ideas ante comités que recomiendan o rechazan los experimentos

No hay nada secreto sobre los experimentos y todos los resultados se publican

No tienen nada que ver con las

(44)

A comienzos de la década de 1950, algunos científicos y políticos europeos decidieron crear un gran laboratorio de Física para que los físicos de calidad pudieran quedarse en Europa y para ayudar a unir a los países divididos por la guerra

En el año 2000, el CERN tenía 20 estados miembros:

Alemania, Austria, Bélgica, Bulgaria, Dinamarca, España

Finlandia, Francia, Grecia, Holanda, Hungría, Italia,

Noruega, Polonia, Portugal, el Reino Unido, la República

Checa, la República Eslovaca, Suecia y Suiza

En 1953 se firmó una convención por la que se estabecía la organización

Empezó siendo el

(45)

La máxima autoridad del CERN es el Consejo, que normalmente se reúne dos veces al año y en el que cada

estado miembro está representado por un científico y un funcionario de la administración científica

Cada país tiene el mismo peso en las votaciones del Consejo en las que se toman las

decisiones independientemente de su tamaño

Es el Consejo quien autoriza los nuevos grandes proyectos o las mejoras

importantes de las instalaciones. También vota los presupuestos del CERN

y nombra al Director General del laboratorio

(46)

El Comité de Política Científica

controla el desarrollo científico del

laboratorio

Al Consejo le ayudan

en su tarea dos

comités

Está formado por científicos

seleccionados por su excelencia, sin

tener en cuenta el país de origen

El Comité de Finanzas

controla el desarrollo

económico del CERN

Está formado por expertos

financieros de cada estado

miembro

El Director General dirige

(47)

Cada estado miembro

contribuye al CERN en

proporción a su producto

interior neto

El presupuesto anual se usa para la compra de equipamiento, para el

funcionamiento y desarrollo de las instalaciones de investigación y para

pagar los salarios del personal del CERN

La industria europea calcula que, en promedio,

por cada euro de negocios con el CERN, se

producen unos tres más en nuevos negocios

(48)

El personal del CERN debe incluir expertos en muchos campos para cubrir las necesidades de la

investigación sobre física de partículas. Puede dividirse aproximadamente en cuatro categorías

Más de un tercio son

científicos o ingenieros

Una cuarta parte son técnicos o delineantes

Una cuarta parte son

operarios

Y el resto se dedica a

la administración

En el CERN trabajan unas 7000 personas. De ellas, unas 2000 son personal del CERN, mientras que la mayoría del resto lleva a cabo sus investigaciones como

visitantes

Casi todo el personal viene

de los estados miembros...

...pero no hay cuotas

nacionales

Y entre todas estas personas,

todavía nadie me entiende de

verdad...

(49)

El CERN trabaja con la

industria europea en

muchas de las fronteras

de la tecnología moderna

La construcción y el manejo de los instrumentos del CERN requieren habilidades y tecnologías de todo tipo

Por ejemplo, comunicaciones, vacío, computación, metrología, ingeniería civil, superconductividad, tecnología

de aceleradores y detección de partículas. Incluso la Red, la World Wide Web, fue inventada por

(50)

Todo esto sucede en un bonito lugar

cerca de Ginebra, en Suiza

Ginebra es huésped de muchas

organizaciones internacionales y está

bien adaptada para recibirlas

Además, por el tamaño creciente de sus máquinas, el CERN se ha extendido al Pays de Gex, en

Francia. Es el único laboratorio del mundo que cruza físicamente una frontera

El laboratorio resulta fácilmente accesible para los científicos que van a hacer sus experimentos

CERN

LOS ALPES

(51)

Miles de científicos de estados no miembros se ven también atraídos por las inigualables instalaciones de

investigación del laboratorio. El CERN es un triunfo de la ciencia internacional

Hoy en día contribuyen al CERN varios estados que no son miembros:

Canadá, los

(52)

Y con esto nos

despedimos

Esperamos que hayáis disfrutado del mundo de las

partículas tanto como nosotros. Nos queda tanto por

aprender para incrementar el conocimiento humano y

nuestro control sobre el medio ambiente...

¡ FIN !

(53)

Los autores desean expresar su agradecimiento por la ayuda prestada

al difunto profesor Leon van Hove, de quien fue la idea de este álbum.

Publicado por vez primera en 1978

Edición de ¿1999?

Revisado por Jordi Boixader, Frank Close, James Gillies y Rita van

Peteghem. Transformado en una presentación de PowerPoint por Josef

Benuska y Francisco Barradas Solas. Traducido al castellano por

Francisco Barradas Solas

CERN

Organización Europea para la Investigación Nuclear

Laboratorio Europeo de Física de Partículas

http://www.cern.ch/

Producción: Autoedición del CERN

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