Módulo 1
Física de partículas
Carlos Pajares, Jaime Álvarez Muñiz, Carlos Salgado
¿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
¿De qué está hecha la materia ?
1 1/2 1/22 1/23 1/24
1/25 1/26 1/27 1/28 1/29
1/210 1/211 1/212 1/213 1/214
Si hacemos esto mismo otras 70 veces !! llegaremos a conseguir UN ÁTOMO.
Busquemos un trozo de materia
El átomo
Demócrito (S. V-VI a.C. ):
Toda la materia está constituída de partículas INDIVISIBLES llamadas ÁTOMOS
Pero… ¿es realmente el átomo indivisible ?
TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS
Helio (He)
Neon (Ne)
Todos, pero todos todos, los átomos tienen un
núcleo
cargado positivamente, y
electrones
con carga negativa
orbitando alrededor
.
Evidencia de subestructura en el
átomo
(Rutherford 1911)
Partículas alpha radiactivas
(carga positiva)
Pero… ¿y el núcleo?, ¿es indivisible ?
El núcleo se puede dividir !
El núcleo contiene protones
de carga +e y neutrones
sin carga.
10
-14m
u
d
u
u
d
d
Protón
Neutrón
Los protones y neutrones
también se pueden dividir !
1 fermi = 10
-15m
Neutrones y
protones
contienen
“quarks”
up
and
down
<
10
-18m
?
No hay
evidencia
experimental
Pero… ¿y los quarks?,
¿también se pueden dividir?
u
d d
¿Y los electrones?, ¿se pueden dividir?
…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...
En resumen…
Electrón Átomo
Átomo 10-10 m
Núcleo 10-14 m
Otra partícula elemental: el
fotón
La “luz” está formada por
partículas llamadas
fotones
El efecto fotoeléctrico:
Un haz de “luz” puede arrancar
electrones de la materia.
Luz incidente Electrones arrancados
¿Existen más partículas
elementales?
Los físicos han descubierto cerca de
200 partículas…
Y siempre se hacen la misma
pregunta… ¿serán verdaderamente
indivisibles?.
Ya sabemos que existen:
Quarks up & down
,
electrones
y fotones
K
0K
-K
+
+
0
-
0
+
-
+
-
-
++
J
Hadrones
e
Leptones
… y más
6 QUARKS
6 LEPTONES
La materia ordinaria está formada por quarks u y d, y por electrones
Las 3 familias de partículas elementales
(Todos los hadrones están formados por combinaciones de qq o qqq)
Las 3 familias
_
Además, por cada partícula
elemental hay… una antipartícula
Electrón e
- Anti-electrón e+
Aniquilación
electrón
-
positrón
e
-e
+
La aniquilación produce energía
electrón (materia)
Se producen nuevas partículas y antipartículas
positrón (antimateria )
e
+e
-→ D
+D
-E = mc
2La materia se puede convertir en energía y viceversa:
Excelente forma de producir nuevas partículas
La masa es una forma de energía.
¿Cuánta energía tiene la materia?
+
=
1 gramo de
materia
1 gramo de
antimateria
Liberan una
energía
equivalente a la
explosión de una
LOS 6 QUARKS
Todos los hadrones están formados por combinaciones de qqq o qq Los quarks tienen carga eléctrica
fraccionaria
Gell-Mann (1963)
-CONFINAMIENTO DE LOS
QUARKS
Los quarks no existen en estado libre.
Si trato de separar dos quarks se forman hadrones (chorros de partículas) Hadrón
Hadrón Hadrón
E = mc
2LOS LEPTONES
e,
y
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)
Electrón = gato
Tau = 85 tigres
Muón = 10 leones
Neutrinos < pulgas
NEUTRINOS
Los neutrinos son extremadamente difíciles de detectar…
Propuestos por W. Pauli (1930) para evitar la no conservación de la energía
en la desintegración del neutrón. Descubiertos por
Cowan y Reines (1956)
600.000 millones de neutrinos
(procedentes del Sol)
atraviesan la palma de vuestra mano
cada segundo !!!, sólo uno (con
Ya hemos respondido a la pregunta:
"¿De qué está hecho el mundo?"
¿Qué mantiene unida la materia?
Existen 4 interacciones (fuerzas) fundamentales en la Naturaleza:
Gravitatoria
Electromagnética
Fuerte
Débil
Interacción = atracción, repulsión,
aniquilación ó desintegración
4 interacciones fundamentales
Fuerte Electromagnética
Gravitatoria Débil carga eléctrica
masa carga débil
Ejemplos de interacciones entre
partículas
Repulsión electromagnética entre dos electrones mediante intercambio de un fotón
Aniquilación débil de electrón y positrón y conversión en muón negativo y positivo
mediante intercambio de un Z0
El resultado final también puede ser un e
-e
+, un
-
+o un
quark-antiquark (que al separarse producirán hadrones)
e
-e
+
-
+q
anti-q
MODELO ESTÁNDAR
PARTÍCULAS
ELEMENTALES
Q
U
A
R
K
S
L
E
P
T
O
N
E
S
3 FAMILIAS
P
A
R
T
ÍC
U
L
A
S
P
O
R
T
A
D
O
R
A
S
D
E
F
U
E
R
Z
A
Fotón
: 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?
Cuanto más fuerte es la interacción más masiva será la partícula.
Las partículas sin masa no interaccionan con el campo 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”.
