uranga.2012

Instituto de Física Teórica

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¿De qué estamos hechos?

IFT-CSIC/UAM

MadridMarzo 2012

¿De qué estamos hechos?

Introducción a la Física de Partículas Elementales

(agradecimiento a Alberto Casas

por las transparencias)

Angel Uranga

LHC

Del estudio de las partículas que se producen en los choques de protones

se espera obtener información nueva y crucial para nuestra comprensión de la naturaleza.

EL objetivo del LHC es traspasar la frontera actual del conocimiento básico

sobre la naturaleza

¿ Por qué... ?

¿Por qué hay tantas sustancias y objetos diversos?

...

Tabla Periódica

...

Mendeleiev (1867)

Tabla Periódica

?

Átomo

Rutherford (1909)

Bohr (1913)

protón neutrón electrón

...

protón neutrón electrón

protón neutrón electrón

¿Por qué existen estas tres partículas y a qué se deben sus propiedades?

Esta pregunta sólo ha podido ser respondida parcialmente

Aquí es donde chocamos con la frontera básica del conocimiento

Frontera actual

Modelo Estándar

Modelo Estándar

(~1980)

Teoría de la Relatividad

Mecánica Cuántica

Modelo Estándar

(~1980)

Componentes de la Materia

Interacciones

Simetría

Materia

1932 p, n, e ν

1937 µ

1940s mesones π, K

1950s partículas Λ, Δ, Σ, ...

...Actualmente se conocen unas 300 partículas

protón neutrón

u

d

u d

u

d

quarks

νe

1a familia de partículas elementales

casi todo está hecho con ellas

u

de

νe

e

u

d

1a familia

νµ

µ

c

s

2a familia

ντ

τ

t

b

3a familia

18971995

¿Por qué?

Interacciones

Todas estas interacciones son manifestaciones de sólo

4 interacciones básicas

gravitatoria fuerte

electromagnética débil

e

e e

e

γ Interacción Electromagnética

≡ Intercambio de fotones

Todas las interacciones están mediadas por otras partículas: mensajeros de la interacción

Tipo de Interacción Partícula Mediadora

Electromagnética γ (fotón)

Fuerte g (gluón)

Débil bosones W, Z

Gravitatoria G (gravitón)

Las interacciones básicas de la naturaleza son consecuencia de simetrías subyacentes

...Quizá el concepto más importante en la física de partículas moderna

Simetría ≡ Invariancia bajo transformaciones

Simetría

¿ Presenta la naturaleza alguna simetría ?

Lo verdaderamente fundamental no son los objetos, sino las leyes de la física que los originan.

... y las leyes de la física tienen una enorme simetría

Es decir, quedan invariantes bajo ciertas transformaciones matemáticas

Las leyes de la física tienen invarianza temporal:

no cambian con el tiempo

Conservación de la Energía

Por ejemplo:

Análogamente: la simetría del electromagnetismo se relaciona con la conservación de la carga, etc

Simetrías

Leyes de conservación

Interacciones

Partículas Mediadoras

Tipo de Interacción Partícula Mediadora

Electromagnética γ (fotón)

Fuerte g (gluón)

Débil bosones W, Z

Gravitatoria G (gravitón)

Las interacciones básicas de la naturaleza son consecuencia de simetrías subyacentes

Existe un campo (campo de Higgs) que llena todo el espacio, como un líquido viscoso.

masa Fricción con el líquido viscoso

≡

Mecanismo de HiggsHiggs

Bosón de Higgs Ondas en el líquido viscoso≡

Si esta hipótesis es correcta, debería existir una nueva partícula “especial”:

el bosón de Higgs

Esta es la única predicción importante del Modelo Estándar aún sin verificar

Pero es una predicción crucial

Producir una partícula de Higgs es equivalente a “sacar al vacío de su sitio” (por un instante

diminuto)

Objetivos del LHC

Descubrir el bosón de Higgs

Descubrir la física más allá del M.E.

Pero si el Mod. Est. funciona tan bien,

¿Por qué ir más allá?

Qué hay de malo con el Mod. Est.?

?

???

Problemas estéticos

???

Recordar...

νe

e

u

d

1a familia

νµ

µ

c

s

2a familia

ντ

τ

t

b

3a familia

Problema de la jerarquía

¿Por qué las partículas tienen las masas que tienen?

¿Y no son, por ejemplo, un millón de veces más pesadas?

Problema de la jerarquía

Nueva física a energías accesibles

en el LHC

La estabilidad de las masas de las partículas requiere

¿Qué nueva física?

Supersimetría

Dimensiones extras

Technicolor

...

Supersimetría

Dimensiones Extras

En 1917 Kaluza y Klein conjeturaron la existencia de dimensiones extras compactas (invisibles)

El espacio que percibimos con nuestros sentidos posee tres dimensiones espaciales:

Dimensiones Extras Compactas

¿Tendría esta dimensión extra alguna influencia en nuestra vida?

Un escenario distinto

Brana 3D

gravitónfotón

materia

Existe otra posibilidad...

... que estemos completamente equivocados

¡Y ésta podría ser la situación más excitante!

Para acceder a esa nueva física necesitamos una máquina que permita acelerar las partículas hasta enormes energías ....

¡ y hacerlas chocar !

LHC

LHC

ATLAS

ALICE

LHCb

CMS