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Módulo 1
Física de partículas
Carlos Pajares, Jaime Álvarez Muñiz, Carlos Salgado
Departamento de Física de Partículas & Instituto Galego de Altas Enerxías
Universidade de Santiago de Compostela
2 preguntas fundamentales
¿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
Hoy sabemos que existe algo más fundamental…
¿De qué está hecha la materia ?
Busquemos un trozo de materia
1
1/2
1/22 1/23 1/24
1/25
1/26
1/27 1/28 1/29
16384
trocitos
1/210
1/211
1/212 1/213 1/214
Si hacemos esto mismo otras 70 veces !!
llegaremos a conseguir UN ÁTOMO.
El átomo
Demócrito (S. V-VI a.C. ):
Toda la materia está constituída de partículas INDIVISIBLES llamadas ÁTOMOS
TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS
D. Mendeleev (1869)
Pero… ¿es realmente el átomo indivisible ?
El átomo se puede dividir !
Helio (He)
Neon (Ne)
Todos, pero todos todos, los átomos tienen un núcleo
cargado positivamente, y electrones con carga negativa
orbitando alrededor.
(El electrón fue descubierto por J.J. Thomson en 1897).
Evidencia de subestructura en el
átomo
Partículas alpha radiactivas
(carga positiva)
(Rutherford 1911)
1 Angstrom =10
Pero… ¿y el núcleo?, ¿es indivisible ?
-10
m
El núcleo se puede dividir !
-14
10
m
Pero… ¿y los protones y neutrones?,
¿son indivisibles ?
El núcleo contiene protones
de carga +e y neutrones
sin carga.
Los protones y neutrones
también se pueden dividir !
Neutrón
u
d
1 fermi = 10
d
-15
Protón
u u
d
Pero… ¿y los quarks?, ¿también se pueden dividir?
m
Neutrones y
protones
contienen
“quarks” up
and down
Pero… ¿y los quarks?,
¿también se pueden dividir?
u
d
d
?
<10
-18
No hay
evidencia
experimental
m
¿Y los electrones?, ¿se pueden dividir?
Hay evidencia
experimental de
que no…
En resumen…
Átomo
Átomo 10-10 m
Electrón
Núcleo 10-14 m
Protón
Neutrón
Protón 10-15 m
Quarks
…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...
Otra partícula elemental: el fotón
El efecto fotoeléctrico:
Un haz de “luz” puede arrancar
electrones de la materia.
Luz incidente
Electrones arrancados
La “luz” está formada por
partículas llamadas fotones
Einstein
(1905)
¿Existen más partículas
elementales?
Ya sabemos que existen: Quarks up & down, electrones y fotones
Leptones
Los físicos han descubierto cerca de
200 partículas…
m- m+
e+
ne
Y siempre se hacen la misma
pregunta… ¿serán verdaderamente
indivisibles?.
nm
t- t+
nt
Hadrones
p0
pp+
h
r
K+
D+
K0
J/y
K-
DD++
L+
L0
SW… y más
Las 3 familias de partículas elementales
6 QUARKS
(Todos los hadrones están
_ formados
por combinaciones de qq o qqq)
6 LEPTONES
(Indivisibles = elementales)
Las 3 familias
La materia ordinaria está
formada por quarks u y d,
y por electrones
Además, por cada partícula
elemental hay… una antipartícula
Electrón e-
Antielectrón e+
(positrón)
Aniquilación electrón-positrón
La materia se puede
convertir en energía y
viceversa:
La aniquilación produce
energía
g
E = mc2
La masa es una forma
de energía.
g
eelectrón
(materia)
e+
g
g
positrón
(antimateria)
Se producen nuevas
partículas y antipartículas
e+e- → D+DNº de partículas = Nº antipartículas
Excelente forma de producir nuevas partículas
¿Cuánta energía tiene la materia?
=
+
E = mc2
1 gramo de
materia
1 gramo de
antimateria
Liberan una
energía
equivalente a la
explosión de una
bomba atómica
LOS 6 QUARKS
Los quarks tienen carga eléctrica
fraccionaria
Gell-Mann
(1963)
Todos los hadrones están formados
por combinaciones de qqq o qq
CONFINAMIENTO DE LOS
QUARKS
La energía se puede
convertir en masa
Hadrón
E = mc2
Hadrón
Hadrón
Los quarks no existen en estado libre.
Si trato de separar dos quarks se forman hadrones (chorros de partículas)
LOS LEPTONES
Los leptones pueden existir como partículas libres.
Electrón = gato
Tau = 85 tigres
Neutrinos < pulgas
Muón =
10 leones
e, m y t 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)
NEUTRINOS
Propuestos por W. Pauli
(1930) para evitar la no
conservación de la energía
en la desintegración del
neutrón. Descubiertos por
Cowan y Reines (1956)
Los neutrinos son extremadamente difíciles de detectar…
600.000 millones de neutrinos
(procedentes del Sol)
atraviesan la palma de vuestra mano
cada segundo !!!, sólo uno (con
suerte) chocará en 100 años !!!
Ya hemos respondido a la pregunta:
"¿De qué está hecho el mundo?"
QUARKS y LEPTONES
¿Qué mantiene unida la materia?
Existen 4 interacciones (fuerzas) fundamentales en la Naturaleza:
Interacción =
atracción,
repulsión,
aniquilación ó
desintegración
Gravitatoria
Electromagnética
Fuerte
Débil
Las interacciones entre partículas se producen por intercambio
de una serie de partículas elementales llamadas BOSONES.
4 interacciones fundamentales
Fuerte
Electromagnética
carga de color
carga eléctrica
Gravitatoria
masa
Débil
carga débil
Ejemplos de interacciones entre
partículas
Aniquilación
Repulsión electromagnética
débil de electrón yentre
positrón
dos y
electrones
conversión
mediante
en muón
intercambio
negativo yde
positivo
un fotón
mediante intercambio de un Z0
e- t- q
e+ t+ anti-q
R.P. Feynman
El resultado final también puede ser un e-e+, un t-t+ o un
quark-antiquark (que al separarse producirán hadrones)
MODELO ESTÁNDAR
3 FAMILIAS
INTERACCIONES
FUNDAMENTALES
PARTÍCULAS PORTADORAS
DE FUERZA
LEPTONES
QUARKS
PARTÍCULAS
ELEMENTALES
Fotón g : Electromagnética
(quarks y leptones cargados)
Gluón g : Fuerte
(quarks)
W+, W-, Z0: Débil
(quarks y leptones)
¿Por qué las partículas del Modelo
Estándar tienen las masas que tienen?
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”.
Peter Higgs
Cuanto más fuerte es la interacción
más masiva será la partícula.
Las partículas sin masa no
interaccionan con el campo
El mecanismo de Higgs