Introducción a la Física de Partículas

Elementales

Un viaje a lo más pequeño 4a clase

Luis Manuel Montaño Zetina

Departamento de Física Cinvestav

Quarks detectados con protones

Stanford (SLAC), California, en los 1960s electrones chocan con protones, En 1995 descubre el

lepton Tau

2 miles long accelerator

End Station Aexperimental area

Freeway 280

Protones y neutrones vistos en el modelo de quarks

protón (carga +1) neutrón (carga 0)

uu dddd

uu uudd

Quarks tienen carga eléctrica fraccionariau carga eléctrica + 2/3d carga eléctrica 1/3

13

1

3

2

3

2

pduu 0

3

1

3

1

3

2nddu

Quarks

Deutsches Elektronen

Synchroton

6.3 Km

• Fueron observadas experimentalmente en colisiones electrón-protón en DESY (Hamburgo) hacia 1968.

• Los electrones tenían 20 GeV de energía.

Quarks

Deutsches Elektronen

SynchrotonElectron

Quark

Cascada de partículas

que origina el quark

Los quarks están confinados, no

se observan libremente como

tales

Quarks

Detector ZEUS (DESY)

Producción quark-

antiquark

Producción quark-

antiquark más gluón

¿Se compone el universo sólo de quarks y electrones?

NO…existen los neutrinos!

Para los neutrinos los protones, neutrones y electrones son escasos. Para cada uno de ellos existen 109 neutrinos

1 cmEn cada cm3 deespacio: ~300 neutrinos Llegan del Big Bang

Neutrinos en todas partes!

1 cm

Sólo 4 partículas para la materia (conocida)

ee

ee--

uu

dd-1/3

+2/30

-1

carga

Toda la materia estable está hecha por electrones, neutrinos, u y d

Quarks:u = upd = down

Leptones:neutrinoe = electrón

3 Familias (o Generaciones)

--

cc

ss

--

tt

bbMateria ordinaria Rayos Cósmicos Aceleradores

1a generación 2a generación 3a generación

-1/3-1/3

+2/3 +2/3

ee

ee--

uu

dd-1/3

+2/3

Creemos que estás partículas son los constituyentes fundamentales de la materia

-1 -1 -1

0 00

Las generaciones de la materia

Los quarks y leptones existen en 3 distintos grupos.

Toda la materia visible stá hecha de la primera generación de partículas de materia. La segunda y tercera generación de partículas de materia son inestables y decaen en la primera generación.

¿Por qué existen la 2a y 3a generación?

No sabemos. Posiblemente se deba a que estas partículas no son fundamentales, están constituidas de otras aún más pequeñas.

Antimateria• Para cada partícula fundamental existe una antipartícula con

propiedades iguales y con números cuánticos opuestos.

ee

ee--

uu

dd-1/3

+2/3

ee

ee++

uu

dd+1/3

-2/3

+1

0

-1

0

positrón

• Las correspondientes antipartículas existen para las 3 familias• La antimateria se produce en los grandes aceleradores.

Materia Antimateria

La barra indica antipartícula

Construyendo más partículas

bb bb

J/

cc cc

Y

bb uuB-

uu bbB+

bb ddB0

dd bbB0

Mesones B (bq)

Y muchos más…

J/Psi

• El grupo de Burton Richter en el SLAC (Stanford, ep), junto con le grupo de Samuel Ting en el Brookhaven National Laboratory (BNL, pp) encontraron el primer estado ligado del charm en 1974 llamando a esta partícula psi y J respectivamente.

• Hoy se llama mesón J/psi . Tiene una masa de 3.097GeV y está hecho de un quark encanto y un antiquark encanto, el cuarto sabor de los quarks conjeturado anteriormente. En 1976 Richter y Ting compartieron el Nobel de Física.

J/Psi

SLAC BNL

J/Psi, pero…

• El CERN no pudo descubrirla en su acelerador ISR donde se produjo en grandes cantidades sin identificarla.

• La J/Psi pudo haberse descubierto en Frascati, en el colisionador electrón-positrón ADONE. Fue diseñado para llegar a energías de 3000MeV.

"Young man, if I could remember the names of these particles, I would have been a botanist!“

E. Fermi dijo a su estudiante L. Lederman

(ambos ganadores del premio Nobel)

La Biblia de la Física de Partículas: Particle Data Bookhttps://pdg.lbl.gov

Las 4 fuerzas de la naturalezaDébil• Decaimiento Beta• Fusión pp

Fuerte• quarks

Electromagne-tismo• TV, etc • Imanes• creación ee

GravedadSólo atractiva

Carga eléctrica

masa

Carga débil

Cargafuerte

Fuerza Electromagnética

e- e-

Fotón

La fuerza repulsiva que dos electrones aproximándose “sienten”

El fotón es la partícula asociada a la fuerza electromagnética

Weak force: W-,W+,Z0

Decaimiento n→pee

La carga eléctrica se conserva en Cada vértice.

W-

Interactiones débilesLas interacciones débiles son responsables del decaimiento de quarks pesados y leptones a quarks y leptones más ligeros.

Las partículas portadoras de la interacción débil son los W y el Z.

Decaimiento del muon

Interacción Electrodébil

En el modelo estandar las interacciones electromagnética y débil se combinaron en una teoría unificada llamada electrodébil.A distancias pequeñas (10-18 m) la intensidad de la interacción débil es comparable a la electromagnética. Sin embargo, a 30 veces esa distancia (3x10-17 m) esa intensidad de interacción es 1/10000 veces la intensidad electromagnética. A distancias típicas del protón (10-15 m) la fuerza es aún menor.

La diferencia observada entre estas dos fuerzas es debida a la gran diferencia de las masas de W y Z con respecto al fotón..

Fuerza fuerte: gluones

Gluones interaccionan con quarks Gluones interaccionan con gluones

Strong interactions

The strong force holds the nuclei together to form hadrons. The theory of strong interactions is called Quantum Chromodynamics (QCD). This name is due to the fact that quarks, besides the electric charge, have a different kind of charge called “color charge”, which is responsible of the strong force.

The force carrier particles are called “gluons”, since they so tightly “glue” quarks together

Gluons have color charge, quarks have color charge but hadrons have no net color charge (“color neutral”). For this reason, the strong force only takes place on the small level of quark interactions.

Color charge

Color charged particle interact by exchanging gluons. Quarks constantly change their color charges as they exchange gluons with other quarks.

There are 3 color charges and 3 corresponding anti-color charges. Each quark has one of the color charges and each antiquark has one of the anticolor charges.

In a baryon a combination of red, green and blue is color neutral. Mesons are color neutral because they carry combinations as red and antired. Because gluon emission and absorption always changes color, gluons can be thought of as carrying a color and an anticolor charge. QCD calculations predict 8 different kinds of gluons.

Quark confinement

Color-charged particles cannot be found individually. They are confined in hadrons.

Quarks can combine only in 3-quarks objects (baryons) and quark-antiquark objects (mesons) which are color-neutral, particle as ud or uddd cannot exist. If one of the quarks in a given hadron is

pulled away from its neighbours, the color force field stretches between that quark and its neighbours. More and more energy is added to the color-force field as the quark are pulled apart.

At some point it’s energetically cheaper to snap into a new quark-antiquark pair. In so doing energy is conserved because the energy of the color-force field is converted in the mass of the new quarks.

Gravity

Gravity is one of the fundamental interactions, but the Standard Model cannot satisfactorily explain it.

This is one of the major unanswered problems in physics today

The particle force carrier for gravity, the graviton, has not been found

Fortunately, the effects of gravity are extremely tiny in most particle physics situations compared to the other three interactions, so theory and experiment can be compared without including gravity in the calculations. Thus, the Standard Model works without explaining gravity.

I. Newton

Grand Unified Theory

Physicists hope that a Grand Unified Theory will unify the strong, weak, and electromagnetic interactions. If a Grand Unification of all the interactions is possible, then all the interactions we observe are all different aspects of the same, unified interaction.

However, how can this be the case if strong and weak and electromagnetic interactions are so different in strength and effect?

Current data and theory suggests that these varied forces merge into one force when the particles being affected are at a high enough energy.

Grand Unified Theory

Supersymmetry

Some physicists attempting to unify gravity with the other fundamental forces have come to a startling prediction: every fundamental matter particle should have a massive "shadow" force carrier particle, and every force carrier should have a massive "shadow" matter particle. This relationship between matter particles and force carriers is called supersymmetry. For example, for every type of quark there may be a type of particle called a "squark." No supersymmetric particle has yet been found, but experiments are underway at CERN and Fermilab to detect supersymmetric partner particles.

El Modelo Estandar

Materia• 6 quarks• 6 leptonesAgrupados en 3 generaciones

Fuerzas• Electrodébil:

(fotón) - Z0, W±

• Fuerte - g (gluon)

Teoría exitosa para describir el mundo subatómico

Incluye:

H= Lo que falta, el bosón de Higgs

Más allá del modelo estandar: unificación de fuerzas

DÉBIL

FUERTE GRAVEDAD

ELECTRO-MAGNÉTICA

FUERZA UNIFICADA

¿Será posible, es necesario?