La Física en l’era del LHC

Oriol Domènech CotsUniversitat Autònoma de Barcelona

Programa

• Les teories de la física que descriuen la natura.

• Problemes i limitacions dels models físics actuals.

• El LHC.

• Importància del LHC en la comprensió de l’univers.

Les Forces Fonamentals

La nostre comprensió de la natura es basa en el coneixement de les quatre interaccions fonamentals:

Les Teories de la Natura

Per tal de descriure aquestes quatre forces fonamentals disposem de dues teories:

• Model Estàndar: aquest model explica la natura a escala subatòmica.

• Relativitat general: teoria que descriu l’univers a gran escala.

El Model Estàndar

El model estàndar és la teoria que descriu el comportament de les partícules fonamentals

El Model Estàndar

La nostre visió de l’àtom i dels seus constituents és complexa però profunda.

Model Estàndar

El model estàndar descriu amb èxit 3 de les 4 forces fonamentals de la natura.

Model Estàndar

La visió moderna de com actuen aquestes forces és a través de l’intercanvi de bosons

Electromagnetisme

Fotó

Model Estàndar

Força Nuclear Forta

Força Nuclear Dèbil

Model Estàndar

Aquesta teoria ha canviat la nostra concepció de la natura a nivell sub-atòmic, així com la nostra manera d’entendre la matèria.

Model Estàndar

També ha canviat la nostra manera de veure les interaccions entre partícules.

Relativitat General

La relativitat general és la teoria que descriu l’univers a gran escala

Relativitat General

Aquesta teoria ha canviat radicalment la nostre concepció l’espai i el temps i la nostra visió de l’univers.

La gravetat s’entén com una

deformació de l’espai-temps

provocada per la presència

de massa

Relativitat General

Els planetes segueixen trajectòries “rectes” en l’espai corvat, són les anomenades geodèsiques.

Relativitat General

Altres conseqüències d’aquesta teoria són:

• L’únivers és finit

• L’univers no és estàtic sinó

que es troba en expansió

Relativitat General

La relativitat general, per tant, descriu perfectament bé la quarta força fonamental de la natura, la gravetat.

Problemes principals

• No existeix una visió unificada de les quatre forces fonamentals en el marc d’una teoria única.

Som incapaços d’entendre l’origen de l’univers i els forats negres.

Problemes principals

Tenim teories que unifiquen les 4 forces, però encara no han estat verificades experimentalment:

• Supersimetria i supergravetat• Dimensions Extra• Teories de Gran Unificació (GUT)• (Teoria de Cordes)

Problemes principals

• El Model Estàndar prediu

l’existència d’una partícula

que encara no ha estat

descoberta, el bosó de Higgs.

Aquesta partícula és fonamental

per entendre la massa de la resta

de partícules fonamentals

Problemes principals

• L’expansió accelerada de l’univers només s’explica si acceptem l’existència de la matèria fosca i l’energia fosca. No obstant, desconeixem per complet ambdues coses.

Problemes principals

• Materia fosca: S’ha detectat la seva existència a partir d’observacions en galaxies espirals, però no se sap quina és la seva naturalesa

Problemes principals

• Energia fosca: Tot i que sabem que és la responsable del 74% de l’energia total de l’univers desconeixem per complet el seu origen.

La teoria més acceptada avui en dia proposa que l’energia fosca és una energia constant que omple tot l’espai (Constant Cosmològica).

LHC

El LHC és un accelerador de partícules ubicat a la ciutat de Ginebra, en les instal·lacions del CERN

LHC

• El LHC fa colisionar protons amb antiprotons per tal d’obtenir una gran quantitat d’energia, que posteriorment es transformarà en noves partícules.

LHCPer tal de realitzar les col·lisions s’envien 3.000 paquets formats per 100.000 milions de partícules. Quan dos paquests es creuin només es produiran, de mitjana, 20 col·lisions.

No obstant els paquests es creuen 30 milions de vegades per segon. Això vol dir que cada segon es produiran 600 milions de colisions protó-antiprotó

LHC

• Les partícules s’acceleren en una órbita circular, per mitjà de forts camps magnètics. Aquests camps magnètics es generen a través d’imants superconductors, els quals es troben a una temperatura de 1.9 Kelvin (-271º C).

LHC

• A través de les colisions protó-antiprotó haurem de ser capaços de generar el bosó de Higgs, que és la partícula que falta per tal de completar el Model Estàndar.

• També haurem de ser capaços de distingir quina teoria hi ha més enllà del Model Estàndar i la Relativitat General (Supergravetat, Dimensions Extra, GUT, ???)

LHC

• Podrem explorar en l’origen de la materia i l’energia fosca. Aquest fet és crucial per entedre el nostre univers donat que entre les dues sumen un 96% de la seva energia/massa total.

LHCSi completem aquests objectius podrem:

• Entendre l’univers des del punt de vista d’una teoria més Entendre l’univers des del punt de vista d’una teoria més fonamentalfonamental

• Entendre que és realment la matèria i energia fosquesEntendre que és realment la matèria i energia fosques• Comprendre les lleis de la física just després del Big BangComprendre les lleis de la física just després del Big Bang

LHC

Algunes curiositats sobre el LHC:

• L’anell del LHC té un perímetre de 27 km, excavat a una profunditat d’entre 50 I 150 metres.

• Els (anti-) protons són accelerats fins al 99.9999991% de la velocitat de la llum.

• El cost total del projecte s’estima en uns 6.000 milions d’euros.

LHC

• En aquest projecte hi participen 10.000 científics i enginyers de 100 universitats i laboratoris diferents (entre els quals hi ha universitats i institucions españoles com l’Institut de Física d’Altes Energies, IFAE)