Introducción a la Física de Partículas

Qué es la física de partículas?

La finalidad de la física teórica es entender las leyes básicas que rigen todos los fenómenos naturales, de lo más grande (galaxias) a lo más pequeño (quarks y leptones). Gracias a la física de partículas hoy sabemos que toda la materia se compone de unas cuantas partículas elementales: 6 tipos de leptones (electrones…), 6 tipos de quarks (que componen el protón, el nucleón) y partículas "portadores de la interacción" (como los fotones, las partículas de las que se compone la luz …). Para entender bien las interacciones entre las partículas elementales

La física de partículas estudia la interacción entre las partículas elementales, como el electron o los quarks que

Esto no quiere decir que lo entendeamos todo; algunos sistemas son muy complejos y conocer las reglas básicas no ayuda mucho (ejemplo: humano, relaciones sociales…)

La mejor de las teorías para explicar el comportamiento de las partículas se conoce como Modelo Stándar ) (completada alrededor de los 70s). [se basa en sólo unas cuantas partículas elementales: leptones (electrones…), quarks y partículas "portadores de la interacción" (fotón…)
El proton está formada por tres quarks dos con cargas positivas y uno con carga negativa. Sabemos que dos cargas del mismo signo se repelen, qué es lo que las mantiene unidas dentro del protón? la carga fuerte. Los tres quarks están inmersos en una nube de gluones, constantemente interaccionando unos con otros.

Faraday y Ampere demostraron que las fuerzas eléctrica y magnética eran en realidad manifestaciones de la misma fuerza electromagnética. Los fotones median la interacción electromagnética. Los gluones median la fuerza fuerte.

También está la fuerza débil (responsable de que los elementos se fisionen en el núcleo del sol). (Creo que en el 83 se descubrieron el W y el Z, que ya se habían postulado) Glashow, Salam, Weinberg unificaron estas tres fuerzas en el Modelo Estándar: marco teórico muy elegante, todo menos la gravedad se describe con una única ecuación, de unos 20 parámetros.

La última interacción básica es la gravedad, pero es tan débil comparada con las otras tres que es despreciable en los experimentos de física de partículas.
La Teoría de la Relatividad General de Einstein reemplazó a la Teoría de la Gravedad de Newton en 1915.
La "teoría última" debería explicar como los gravitones? median la gravedad.

We know, however, that the Standard Model is incomplete. This is not to say that it is wrong, but that it is an effective theory for the distance scales that we have probed. In the same sense, Maxwell’s equations are an effective theory for electromagnetism above the atomic scale, where quantum effects become relevant (and another theory is effective: quantum electrodynamics).

piecing together experimental signatures at a particle collider is very much a detective mystery in its own right; luckily this task is shared by experimental particle physicists.

Modelo Stándar de Física de Párticulas

Marco teórico muy elegante, todo menos la gravedad se describe con una única ecuación, de unos 20 parámetros. Se construye a partir de los dos pilares fundamentales de la física de partículas: la mecánica cuántica y la relatividad.
Receta:

  1. Specify the particles we want to describe.
  2. Relativity & Quantum Theory automatically tell us how the particles propagate without interactions. (Which is not very interesting or realistic.)
  3. Insist that our model is “gauge invariant”.

Gauge Invariance

Is a symmetry of the Master Equation, i.e. the Master Equation does not change when we change the wavefunction of each particle by a “gauge transform” Just like the equilateral triangle does not change when we change it by a “flip transform”.

It is quite an abstract symmetry… It corresponds to changing the phase of the wavefunction by an arbitrary amount for each point in space.
But, it can only be a symmetry if we introduce a new particle for each type of original particle.
The new particles are the force-carriers, i.e. photon, gluon, W and Z.
The particles now interact with each other as embodied in the “Master Equation”.
Almost “for free” gauge symmetry has turned a boring model without interactions into a powerful model of nature!

We do NOT yet know the origin of Gauge Symmetry

That’s almost the whole story….

But the gauge symmetry of the Standard Model forbids particles from having mass since a mass term in the Master Equation “breaks” gauge invariance.

Q. So where does mass come from?

A. From the non-trivial action of the vacuum.

Relatividad

  • La velocidad de la luz es una constante universal

Mecánica Cuántica

  • Las partículas se comportan como ondas?!
  • El observador interfiere con la medida
  • Sólo podemos medir la probabilidad de que algo suceda

Detectores

(To be fair there are several sources of data for particle physics, including astrophysics and cosmology, but colliders represent our best controlled experiments.)
A principios del siglo XX, Ernest Rutherford, en Manchester precisamente, bombardeó partículas productos radiactivos "naturales" (partículas alpha -núcleos de He- emitidas por radio - obviamente radiactivo) a una lámina de oro (creo recordar) para investigar la naturaleza de los átomos y descubrió el núcleo. Se dio cuenta de que para penetrar dentro del núcleo y analizar su estructura había que usar partículas más energéticas que los productos de la desintegración radioactiva.

Primer acelerador circular: 1930 en Berkeley, California, by Ernerst Lawrence and Stanley Livingstone.

Los aceleradores de partículas son máquinas que producen haces de partículas subatómicas a altas energías con muchos objetivos - desde diagnosis médica y procesamiento industrial, a la investigación sobre los orígenes del Universo.
Fermilab Tevatron (Chicago)
CERN LHC (Geneva)
DESY laboratory (Hamburg)
studies of CP violation (such as Japan’s BELLE experiment and SLAC’s BaBar experiment) and neutrino physics (SuperK in Japan, various experiments in the US)…

LHC: Large Hadron Collider

Colisionador de 27 kms de radio, en la frontera franco-suiza. Consiste en cuatro detectores: ATLAS, CMS (los dos investigarán el Higgs boson, dimensiones extras y materia oscura), ALICE (plasma quark-gluon), LHCb (materia-antimateria).

Va a recrear las condiciones (la energía) que existían en el universo la billonésima (milmillonésima) parte de un segundo después del Big Bang. (14 TeV). Es tan energético porque queremos producir y detectar partículas masivas y $E= mc^2$ (Particle physicists measure scales in electron volts, which are inversely proportional to length; we have probed scales up to around the hundreds of giga-electron volt range.)
E.g. At Fermilab the collision of a single proton and antiproton is sufficiently energetic to produce over 2000 protons.
Un protón da la vuelta al tunel en 0.1 ms, a una velocidad de 99.99% la velocidad de la luz. Alrededor de 600 millones de colisiones cada segundo

Tan preciso como para detectar efectos de marea en la corteza terrestre (por influencia gravitatoria de la luna) o el peso de la nieve de las montañas de los alpes.
Proyecto global: 98 países colaboran

El CERN comenzó a trabajar en 1954, poco después de la segunda guerra mundial, trayendo a gente de 151 países distintos a trabajar juntos tras los desastres de la guerra.
Here it is the engineering toolset of accelerator physics that provides the “glue” that binds together peaceful planetary-scale enterprises … partly because this toolset helps retire the technical risks and speed the pace of development in LHC-scale enterprises … but mainly because this toolset is (reasonably) objective and non-partisan … thus making it feasible for very different cultures to collaborate effectively and peacefully.

Aims

  • Origen de la masa
  • Theory of everything? the strengths of the 3 forces described by the Standard Model come close to one another at a high energy scale. New physics could allow these three forces to unify into a single force that ‘broke’ into component forces in the early universe.
  • Por qué está hecho el mundo de materia y no antimateria? Según las teorías existentes en el Big Bang debía haber la misma cantidad de materia que de antimateria
  • Existen dimensiones extra?
  • Supersimetría (partículas nuevas que podrían explicar el origen de la materia oscura)

Para qué?

Para entender. La historia ha demostrado que la investigación de ciencia pura trae también beneficios económicos.
Desarrollo de la medicina, tecnología…

  • WWW (para que investigadores de todo el mundo pudieran comunicarse; antes de inventarlo, los científicos se pasaban los datos unos a otros en el CERN por bicicleta). Ahora mismo, para el LHC se está desarrolando la GRID - una red global de ordenadores transformada en un ordenador gigante…
  • Pequeños aceleradores en muchos hospitales para tratar el cáncer, con radioterapia. (También se usan para secar la pintura de las latas de refrescos)
  • Rayos-X y técnicas radiofarmacéuticas en imagen médica fueron desarrollados por físicos de partículas

Inglaterra está involucrada en tecnologías puntas: electrónica de alta precisión, componentes magnéticos y de vacío del LHC.

the mathematical tools of particle theory have hugely advanced condensed matter theory … and the resulting exponential growth in computing

Enorme impacto global, involucra a muchas personas, desarrolla nuevas tecnologías (como la world wide web), cambia nuestra forma de pensar, cuesta lo mismo que un hospital grande (a los ingleses le cuesta lo mismo que dos barras de pan (o una taza de café) al año por persona).
what if the LHC were the key to mankind creating new vehicles capable of traveling space in seconds? Or what if it helped us research alterative fules? Antimater powered vehicles, or maybe even use a particle accelerator as a vehicle. ;)

If we don’t learn from the giant pool of information the LHC would give to us, then we are damning ourselves to primitive ignorance.

Seguro? Indeed

Cosmic rays have much higher energy!

Antimateria

Aniquila la materia.
El propósito fundamental del e+e- colisionador lineal (3 kms) Stanford (California) es estudiar la asimetría materia-antimateria, proyecto conocido como BaBar. Si hay perfecta simetría entre materia y antimateria los mesones $B (b\bar{d})$ y $\bar{B} (\bar{b}d)$. Sin embargo la teoría predice (?) que observando millones de eventos, se pueden observar pequeñas diferencias en la distribución de tiempo de desintegramiento de cada uno.
Sólo con tres parejas de quarks se puede construir una teoría que permite que los mesones B y Bbar tengan una diferencia sutil de comportamiento.

Por qué la antimateria "no aniquila el detector"?

Higgs

Higgs proposed that empty space (vacuum) is not really empty.
Some particles move around unhindered (massless) whilst others are dragged back by the vacuum (massive).
In this way the gauge symmetry is more “hidden” rather than “broken”.
As a result the gauge symmetry is not really broken at all….
And particles can therefore be massive.
There is a consequence: There ought to be a new particle: the Higgs Boson.The Higgs boson is the “footprint” of the pervasive field which permeates the vacuum.

El modelo Estándar de Partículas tiene un grave problema y es que no predice la existencia de masa tal y como la conocemos.
Predicción: existencia del Higgs

LEP at CERN has seen a handful of possible higgs events.
They hint that there might be a higgs boson with mass about 120 times that of the proton
If Fermilab does not find the higgs boson(e.g. because it is too heavy) then thebaton will pass to CERN’s LHC.
The collision energy is around 10 times that at Fermilab.

Cuál es la probabilidad de que se produzca un Higgs

Si no hay Higgs, qué hay?

  • Quinta fuerza?

Más allá del Modelo Estándar

  • 20 parameters in SM
  • origin of gauge symmetry?
  • how does confinenment work?
  • why three generations?
  • are the particles fundamental?

Teoría de cuerdas

Rather than particles, tiny ($10^{-33}cm$) pieces of “string” are proposed to be the basic constituents of matter.
Gravity & gauge symmetry for free!
Universe has extra dimensions!
Not a shred of evidence yet!
For string theory to make sense the
Universe must be “supersymmetric” Lots of new particles may well be created at the LHC….

Dimensiones extra

Materia Oscura

reponsible for the clustering of galaxies (this is due to astrophysical obsevations)
Fuertes evidencias de la existencia de materia oscura, pero no la vemos

  • Efectos gravitacionales en las galaxias…

Posible solución: supersimetría. Si todas las fuerzas de la naturaleza son simplemente distintas versiones de un único tipo de interacción, entonces es probable que cada partícula tenga un compañero supersimétrico (SUSY particles)

  • Por qué no la vemos?

Referencias

An American Physics Student in England
Pequeña introducción de Guardian

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