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El Modelo Estándarde las Partículas Elementales
Arcadi Santamaria Luna
Departament de Física Teòrica
IFIC/Universitat de València-CSIC
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¿Que Hacemos los Físicos?Hacemos modelos matemáticos para describir lo que observamos
Sorprendente que acaban funcionando mejor de lo que esperábamos
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¿Qué es el MS?●Modelo que describe los constituyentes últimos de la materia:Las partículas elementales
●Frontera del conocimiento. Necesaria toda la “artilleria”:
●Mecánica “newtoniana”
●Relatividad
●Cuántica
●Teoría Cuántica de Campos
UNIFICACIÓN Y SIMETRÍA
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Mecánica Newtoniana
●Tiempo universal
●No hay velocidad límite
●Acción a distancia
●Masa y energía se conservan por separado
Unificación leyes de la FísicaTierra - Cosmos
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Relatividad Especial
●La velocidad de la luz es la misma para todo observador a velocidad constante
●La velocidad de la luz, c, es la máxima posible
●Solo m=0 va a velocidad c
●El tiempo no es universal
●Masa y energía se pueden transformar una en la otra
UnificaciónElectromagnetismo-Mecánica
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La Mecánica Cuántica●Las partículas tienen asociadas propiedades de las ondas
●Principio de incertidumbre de Heisenberg
●Para “ver” distancias más pequeñas necesitamos utilizar partículas con energías cada vez más grandes
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LHC:1000000 veces más potente(tamaño protón)/1000
Microscopio electrónico(aumento 10000000x)
Micoscopio óptico(aumento 2000x)
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Teoría Cuántica de Campos
●Cuántica: las partículas son las “ondas” del campo cuantizadas: las partículas son idénticas “como dos gotas de agua!”
●Relatividad: las partículas se pueden crear, destruir y transformarse las unas en las otras
●Toda partícula tiene su antipartícula
●Por cada clase de partícula hay un campo que llenatodo el espacio: campos de fotones, electrones, ..
●Campos: cantidades que varían “continuamente” con el tiempo y la posición (densidad, fuerzas, etc).
●Las variaciones del campo se propagan formando ondas
UnificaciónRelatividad-Mecánica Cuántica
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Diagramas de Feynman
Si hay una velocidad máxima no puede haber acción a distancia: Intera
Intercambio de partículas virtuales
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Teorías “Gauge”
Relatividad: no acción a distancia
Necesaria una partícula que pase la info
Principio de “gauge”
El principio “gauge” permite deducir las propiedad
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Partículas e Interacciones(principios del siglo XX)
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●Partículas “elementales”: protones, neutrones, electrones
●Interacciones: Gravitatorias, electromagnéticas (luz) y fuertes
●Protones y neutrones (unidos por fuertes) forman los núcleos
●Núcleos y electrones (unidos por electromagnéticas) forman los átomos
●Átomos unidos por electromagnéticas forman moléculas, cristales... toda la materia.
Partículas e Interacciones(principios del siglo XX)
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El Zoo de las partículas●Para explicar las interacciones fuertes se postularon (y posteriormente descubrieron) los piones π+,π0 , pero más tarde se descubrieron:- Otras partículas con interacciones fuertes ρ, η, ω, a0, a1 ... - Estados excitados de protón y neutrón, N+,N0 y otras partículas similares Δ++, Δ+, Δ0 , ...
●El protón, neutrón, pion, ... formados porpartículas más pequeñas: los quarks
●El neutrón y muchos núcleos se desintegran
● Necesidad de los neutrinos
Protón Neutrón
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El Zoo de las partículas●Descubrimiento de nuevos tipos de “electrones” y “neutrinos”
●Descubrimiento de nuevos tipos de partículas con interacciones fuertes: partículas “extrañas”, “encantadas”, ...
►Nuevos tipos de “electrones”, (muón, tau)
►Nuevos tipos de “neutrinos”, (muónico, taónico)
►Nuevos tipos de quarks (s, c, b, t )
►Necesidad de nuevas interacciones
●Interacciones débiles (W,Z) que provocan las desintegraciones de núcleos
●Fuertes entre quarks (gluones) que “pegan” los quarks dentro de protones y neutrones, ...
●
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El Modelo Estándar
Masas varían desde < 1 eV hasta 100.000.000.000 eV
3 generaciones de materia(Fermiones con spin 1/2)● Quarks (con 3 “colores”)● Leptones (e, ¹, ¿ y 3 neutrinos)
Bosones de gauge (spin 1)● Electromagnéticas ( fotón ° )● Fuertes ( gluón g )● Débiles (Z, W)
1 bosón de Higgs (spin 0)
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¿Cómo organizar todo esto?
Ejemplo: Invariancia relativista
●Experimentos no dependen de cuando los hacemos (invariancia bajo traslaciones temporales)
●No dependen de donde los hacemos (invariancia bajo traslaciones espaciales)
●No dependen de la dirección(invariancia bajo rotaciones)
●No dependen de la velocidad a la que nos movemos (invariancia relativista)
Estructura matemática de grupo!
Conservación del momento lineal
Simetrías
Conservación del momento angular
Conservación de la energía
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Simetrías internasPartículas se ordenan en grupos con propiedades parecidas:
●3 tipos de quark con cada carga (color): Simetría SU(3)
●2 tipos de quarks y leptones por generación: Simetría SU(2)
●Quarks y leptones tienen carga: Simetría U(1)
●Fermiones clasificados según el grupo de simetría
8 gluones (g)Bosones electrodébiles (W,Z)
Fotones ( ° )
SU(3)⊗SU(2)⊗U(1)
►Tienen spin 1 (son bosones)►Tienen masa 0 (La simetría “gauge” prohibe la masa!)
Simetría “Gauge”
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●Los bosones de gauge W, Z son muy pesados
●Los electrones, muones, quarks, ... también tienen masas
El mecanismo de Higgs●La simetría existe, pero está oculta y no se manifiesta a las energías actuales.
●La simetría se “rompe espontáneamente”No se puede mostrar la imagen. No se puede mostrar la imagen.
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Rotura Espontánea de Simetría
Transición de fase
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El campo de HiggsPara dar masa a las partículas rompiendo espontáneamente la simetría “gauge” es necesaria la existencia de un campo con unas características muy especiales:
●Tiene espín 0 (es un bosón)
●Interacciones con las otras partículas están fijadas
●A altas energías (temperaturas) es como cualquier otro campo
Transición de fase●A baja energía (temperatura) se produce una transición de fase y cambian sus propiedades
●Las simetría se rompe espontáneamente y las partículas obtienen masa
Un mecanismo parecido explica la superconductividad
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¿Es la partícula de Dios?
Origen del nombre: Libro de Leon Lederman (Nobel 1988)“The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Ques
Goddamn particle (partícula maleïda)
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¿Como se Comprueban las Teorías de Partículas?
Por el principio de incertidumbre para “ver” dentro de objetos de un diámetro D hace falta “mirar” con partículas de energía
Colisión de partículas a altas energías
LEP: electrón + positrón (E = 100 GeV)
LHC: protón + protón (E = 14000 GeV)
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El LHC (Large Hadron Collider)
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Evidencia experimental
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Origen del Universo
Transición de fase
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¿Para qué sirve?
La WEB (WWW)Tomografía electrón-positrón
Terapia con protones contra el cáncer
A día de hoy no lo sabemos!
¿Acaso sabía Maxwell como afectarían sus estudios sobre e De momento ya hay algunas aplicaciones
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¿Qué queda por saber?●¿Es la partícula descubierta el Higgs del Modelo Estándar?
●No tenemos un “Modelo Estándar” de masas de neutrinos
●No tenemos una teoría cuántica de la gravedad
●¿Por qué hay 3 generaciones de fermiones?
●Se unifican las interacciones conocidas?
●Se sabe que hace falta materia oscura en el universo pero el Modelo Estándar no tiene ningún candidato
●¿Por qué hay tanta diferencia entre les masas de las partículas del Modelo Estándar?
●¿Son realmente elementales las partículas del Modelo Estàndar?< 1 eV hasta 100.000.000.000 eV
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Tabla periódica del siglo XXI
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¿Qué no explica el Higgs?●No explica l'origen del universo.
●Eso sí, ayuda a entender su evolución
●No explica la gravedad, ni resuelve sus problemas con la mecánica cuántica
●No explica el origen de toda la masa. La masa de proton
●Eso sí, parametriza la masa de les partículas más eleme