uranga.2012
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Instituto de Física Teórica
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¿Qué investigamos?
Física de Partículas
Cosmología
¿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
