Encanto y belleza de la física de partículas

Encanto y belleza de la física de partículas
Juan Pablo Fernández Ramos (CIEMAT)
Curso 2014-2015
¿Qué hay tras la motivación de un
científico?
Curiosidad
Tamaño de las cosas
Composición
UNIVERSO
¿Cómo funciona?
¿Cómo se
organiza?
¿Cómo surgió?
…
¿Por qué hay tantas sustancias y
objetos diversos?
La misma curiosidad
nos lleva tanto al
exterior como al
interior de las
cosas…
La Cosmología se
ocupa de estudiar
y entender lo más
grande y masivo
mientras que la
Física de
Partículas lo más
pequeño
¿Están ambas
ciencias
relacionadas? Sí
El BIG BANG (el universo en
sus primeros instantes) fue
tanto masivo (masa
completa del universo)
como pequeño (puntual)
Los límites del conocimiento humano están tanto en lo
muy grande como en lo …
muy pequeño ...
Escalas : ~ 40 órdenes de magnitud
Hay diversas escalas (celular,
molecular, atómica, nuclear,
etc) pero todo está
interrelacionado
Todo se reduce
a p,n,e
 … pero ¿son finalmente elementales?...
…¿o están compuestas por otras aún más simples?... El
estudio para responder estas preguntas corresponde a la
Física de Partículas
Perito accidentes
Su reconstrucción del suceso
Simil :
¿Físico experimental
de partículas = perito ?
Perito accidentes
Su reconstrucción del suceso
¿Físico experimental
de partículas = perito ?
¿ Qué colisión ha dado lugar a ese estado final ?
Perito accidentes
Su reconstrucción del suceso
Un perito (al igual que un Físico
de Partículas) puede
llevar a cabo un tratamiento estadístico de sus datos
“SI BEBES NO CONDUZCAS” : ¿ES ESO CIERTO?
¿Quien provoca los accidentes en Fª de Partículas?
Aceleradores de partículas.
Los accidentes están controlados por decenas de
Físicos, ingenieros y técnicos que controlan
constantemente haces de partículas que aceleran y
posteriormente hacen colisionar.
Túnel Bajo tierra
Son
como “circuitos de carreras”
donde controlas
los coches y sus accidentes/colisiones
... pero no lo que resulta de la colisión ...
Como controlas las colisiones pero no lo que
resulta de la colisión, se necesita un sistema/triger
Eres un cámara y sólo quieres grabar en la carrera
de indianápolis cuando del resultado de un choque
surgen cierto tipo de partículas. Tienes que decidir
muy rápidamente si interesa o no (si grabar o no)
usando trigers selectivos basados en las caraterísticas
peculiares de las partículas que te interesa grabar stub
 chamber
Central
track
Central tracker
calorimete
r
Una vez elegido/grabado/almacenado la colisión de
interés, como perito, se procede a la evaluación de la
misma:
- Con los restos (depósitos de energía de otras
partícuas en las que se ha desintegrado la original) se
tratan de recomponer las partículas producidas en
la colisión
¿los pedazos de la colisión que tipo de auto forman?
- Se realizan medidas de esas partículas
¿a qué velocidad iba el auto, qué tipo de auto (cuántas
ruedas, de qué tipo, motor, marca, piloto, etc)?
Colisiones controladas en aceleradores de partículas
en el interior de detectores
E = mc2
Las partículas que chocan se
transforman en energía, y esa
energía se emplea en
producir nuevas partículas,
distintas a las originales, a
veces más pesadas (si la
energía de la colisión es
suficiente).
Producción (aceleradores)
Desintegración/Selección
(trigger)
Medición
(subdetectores)
RHIC – Brookhaven (New York, EEUU)
SLAC – Stanford (California, EEUU)
Tevatron – Fermilab (Chicago, EEUU)
Varios aceleradores
por todo el mundo
Distintos diseños,
energías,
partículas…
HERA – DESY
(Hamburgo,
Alemania)
KEKB - KEK
(Tsukuba, Japón)
Ya en funcionamiento el más potente de todos:
LHC – CERN
Compact Muon Solenoid
una de las “Catedrales” de la Física
Como una cámara digital 3D de 80 Mpixel,
de 12500 toneladas, 21x15x15 m3 y a 100m
bajo tierra.
Se disponen de capas concéntricas de distintos detectores,
cada uno con una tarea específica
¿Cómo observar
las
Producción
(aceleradores)
Desint./Selección (trigger)
Medición (subdetectores)
colisiones?
Cada tipo de partícula
deja una señal distinta
en el detector.
Con las partículas cargadas,
medimos el rastro dejado en
algún material
Esta cámara hace 40 millones de fotos/s !
En el LHC hay 4 grandes detectores
CMS
Propósito general
LHCb
Física del quark b
Violación CP
ALICE
Plasma de quarks
y gluones
ATLAS
Propósito general
¿ Por qué hacer esto?
Dualidad teoría-experimento
La mejor herramienta que
tenemos para describir la
naturaleza son las
matemáticas.
La Física de Partículas (a pesar
de ser una ciencia
fundamentalmente
experimental) no es una
excepción
Teórico
Experimental
Teoría y experimento
: cara y cruz de la
misma moneda
Las teorías surgen a
partir de lo que se
observa en la
naturaleza o de lo
que vemos en los
experimentos. Del
mismo modo, para
comprobar las
nuevas teorías, se
necesitan nuevos
experimentos…
¿ Por qué hacer esto?
Los resultados de los análisis sobre las
colisiones,
nos ayudan a conocer mejor el Modelo Estándar
(SM, modelo teórico): el SM dice que p y n tienen
estructura interna
Comprueban la existencia de nueva física
Test de lo conocido y búsqueda de lo desconocid
¿y el boson de Higgs qué
papel juega en todo esto?
Físico teórico =
director
Modelo teórico (ej.,Modelo Estándar) = película
El Modelo Estándar contraataca
¿esa película se basa en hechos reales?
Físico experimental
En la “película” de El Modelo Estándar contraataca :
los actores ( bosones W,Z ) sin masa
Los experimentales comprobamos que sí la tienen
Unos nuevos
directores
añadieron
nuevos
“fotogramas”
(otro final) :
FIELD
Surge un nuevo actor
(bosón Higgs) que les
da masa a los bosones
W,Z y a otras partículas
y explica la ruptura espontánea de la simetría
electrodébil
THE END … ¿ y ese final es real, existe el Higgs ?
Algunos detalles…
Cada protón dará 11000 vueltas por segundo, y en cada
experimento se cruzarán los haces… ¡40 millones de veces por
segundo!
Energía de las Colisiones en el LHC
Energía del paquete(haz) de
protones:
50 toneladas a 600 Km/h
Energía en las
colisiones
entre dos
protones
No se va a
acabar el
mundo.
La cuenta por favor ...
• TODO esto (acelerador + detectores) ha costado lo
que se pagaría por 3 submarinos de última
generación.
• BTW, 1 hora de vuelo caza = 1 año salario
investigador
• Presupuesto CIEMAT = presupuesto Getafe
Aún queda un largo camino…
¿Qué nos falta por saber?
¿Cómo conciliar Gravitación y mundo
subatómico?
Con el Modelo Estándar no solo describimos de qué está
hecho nuestro planeta sino el resto del Sistema Solar, el sol,
nuestra galaxia, las estrellas que vemos….pero … es éso
todo lo que hay en el universo? NO
Tenemos pruebas experimentales de la existencia de
 materia oscura, no visible
en todo el espectro de
radiación electromagnética,
pero se aprecian sus efectos
gravitatorios
?
 energía oscura, de origen
desconocido, llena todo el
universo y lo expande cada
vez más rápido
Candidatos a materia oscura : la Física Partículas es fundamental
¿Para qué vale todo esto?
CIENCIA BÁSICA
Los descubrimientos científicos son la base del progreso tecnológico.
Las ventajas y aplicaciones de lo que encontremos llegarán con cierto
retraso, pero llegarán…
¿No me creéis?
Aplicaciones de aceleradores y detectores
¿Qué tiene que ver la Física de Partículas con nuestro día a día?
Internet
WWW
Física Médica
Hadron Therapy
www nació en el CERN
(Tim Berners-Lee) en 1990 como método de intercambio
de información entre físicos de todo el mundo.
Usan ondas
electromagnéticas
GPS corrige por dilatación
del tiempo (Relatividad)
PET (Positron
Emission
Tomography)
El
descubrimiento
del siglo !!
El
descubrimiento
¿Qué pasaría si las cosas no fueran como son?
Por ejemplo, con G mayor -> universo : agujero negro en vez de galaxias,
etc
Sin q (e) = - q (p) no habría nucleos ni atomos.
… podríamos seguir así ad infinitum
¿qué hace de este universo algo especial?
Todo y nada [¿selección natural a nivel elemental?]
Gracias por vuestra
wwwae.ciemat.es/
atención http://http://
www.cern.ch/
http:// cms.cern.ch/
juanpablo.fernandez@ciemat.es
Nuestro laboratorio:
el CERN
¿Cómo procesar y analizar esa cantidad de datos?
Gracias al sistema de computación más
mundo:
potente
del
GRID
Los detectores enviarán datos a un ritmo de 700 Es decir 15,000,000 GB
(15 PB) por año
MB/sec. Esto es ~30,000 Enciclopedias
Britannicas cada segundo!
Una pila de 20 km de CDs por
año.
Aplicaciones de aceleradores y detectores
Se denomina superconductividad a la
capacidad intrínseca que poseen ciertos
materiales para conducir
corriente eléctrica sin resistencia ni
pérdida de energía en determinadas
condiciones.
La conductividad o la resistencia eléctrica de un
metal está relacionada con el hecho de que los
electrones no se pueden mover libremente por
la red. Estos se ven dispersados en su camino
por los iones que conforman la estructura
Cuando un electrón produce este hecho, la modificación en la red hace que aparezca
metálica. Así pues, desde un punto de vista
una región con una densidad de carga positiva superior a los alrededores. Esta
fundamental, si pudieramos eliminar la
región atraerá a otros electrones circundantes.
dispersión de los electrones en la red
tendríamos una situación en la que la
resistencia eléctrica de la misma sería nula,
esto nos lleva al concepto de
superconductividad.
Estos electrones se moverán como una única entidad por la red ya que se puede calcular (no es nada fácil) que esta situación es
energéticamente favorable.
Es evidente que este fenómeno se dará preferentemente a temperaturas bajas porque cualquier vibración de la red destruiría esta imagen y
no se podrían formar estos pares ligados de electrones.
Violación CP: materia y antimateria se comportan de
un modo diferente
≠
La violación de CP es la no-conservación de los nºs cuánticos de conjugación y paridad.
Γ(B ⇾ f )
Bs0
Γ(anti-B ⇾ anti-f )
¿Por qué se estudia CPV?
Estamos en un universo dominado por materia
CPV tiene algo que ver (pequeña asimetría a~10-6 s)
-6
10
10
A t~10 s a.B.B., había 10 -1 antiquarks por cada 10
La parte simétrica se aniquiló en γ y ν.
La parte asimétrica dió lugar a nuestro universo
quarks.
Violación CP es un ingrediente necesario (pero parece
que insuficiente)
MLM: dada cierta f-hipótesis/modelo, elegimos
los valores de a,b que maximizan la
probabilidad de obtener los valores (xi's) que medimos.
L
=Πif(xi|a,b) Función de verosimilitud
¿Cómo se obtiene
el MLM?
¿Cómo ajustar(modelar) estos datos?
El truco, está en acertar con el
modelo : las funciones de densidad f o
densidades de probabilidad para cada
variable x.
p
f'
p
q
f''
q
Results are
typically shown in
logaritmic scale
q
l
q
l
c,b(D,B')
c,b
x is Mass
x is ct
Results are
typically shown in
logaritmic scale
f
+
+
f'
+
f'' We get the parameters for the
resolution model from sideband
events
The parameters
(a,b) are the
particle's mass,
lifetime, etc
•CP Violation in Bs0→ J/ψφ
¿Qué medimos experimentalmente?
Bs0
≠
Rate of
Medimos Γ(B⇾f)-Γ(anti-B⇾anti-f), diferencia de tasas de
desintegración
Reto:Determinar partícula/antipartícula en producción
Si aumentásemos un átomo hasta el tamaño de
un estadio de fútbol, el núcleo sería como una
pelota de golf en el centro…
¡La
materia
está
vacía!
AMS: Astrofisica de partículas en la ISS
Telescopios
No somos los únicos…
Experimentos de rayos cósmicos
Experimentos de neutrinos
Partícula Higgs
En la teoría matemática del modelo estándar las partículas
mediadoras no tienen masa… sabemos que este no es el caso ….
El físico británico Dr. eter Higgs propuso (1964) el llamado
mecanismo de Higgs:
Todas las partículas serían generadas en el Big Bang sin masa, pero
al interaccionar con el campo creado por la partícula de Higgs,
adquirirían masa, mayor, cuanto mayor sea la interacción. Este
campo llenaría todo el universo.
Interacción con
el campo de
Higgs
≡
Fricción con un
líquido viscoso