Presentacin de PowerPoint

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(No Transcript)
2
Física de Partículas
Astrofísica Cosmología
Astrofísica de Partículas
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Los primeros conceptos
Filosofía Aristotélica
Dalton (1808)
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La Tabla Periódica
Mendeleev (1869)
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Un poco de historia

• Hace un siglo más o menos
• Se conocen la fuerza gravitatoria y el campo
  electromagnético
• Se descubre la radioactividad radiación a b g
• Aparece la teoría cuántica
• Dualidad onda-corpúsculo
• Fotón como partícula
• Relación de incertidumbre
• Relatividad
• Cinemática relativista
• equivalencia masa-energía Emc2
• Teoría del átomo con sus componentes elementales
• electrón, protón, neutrón
• .

Para qué necesitamos más partículas???
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El modelo de átomo de Thomson
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La estructura de los átomos
Rutherford (1912)
Electrones orbitando en torno al núcleo, en
Órbitas bien definidas en Radio y energía
10-10 m
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El átomo de Bohr (1913)
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El principio de incertidumbre
A mayor precisión en la determinación de la
posición, menor precisión en el conocimiento del
momento en ese instante y viceversa.
--Heisenberg, artículo sobre incertidumbre, 1927

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Solvay 1927
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La estructura de los núcleos
Contiene protones de carga e y neutrones sin
carga
10-14 m
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La estructura de los nucleones
Neutrones y protones contienen quarks
10-15 m
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Estructura de los quarks?
?
No hay evidencia
lt10-18 m
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(No Transcript)
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Evidencia de subestructura
(Rutherford 1912)
1970 - subestructura de protones y neutrones
descubierta usando electrones como proyectiles
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(No Transcript)
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De qué está hecha la materia que nos rodea?
Tabla Periodica de los Elementos

• Esta formada por los diferentes tipos de átomo
  que conocemos (tabla periódica), formando parte
  de diversas estructuras (moléculas, cristales)
• Cada átomo tiene un núcleo, rodeado de una nube
  de electrones, y formado por neutrones y
  protones, que son mucho más pesados (unas 2000
  veces mas que los electrones).
• La gran variedad de materiales que conocemos es
  combinación de estas tres partículas electrón,
  protón y neutrón

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Constituyentes de la materia ordinaria
Protones contienen uud carga e Neutrones
contienen udd - carga 0
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Neutrinos

• Pauli propone una nueva partícula para poder
  explicar algunos procesos radiactivos.
• Esta partícula, sin carga eléctrica y mucho más
  ligera que el electrón (quizás sin masa), es el
  neutrino.
• Tiene un papel esencial en las reacciones de
  transformación entre neutrones y protones

neutrino
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Neutrinos solares
6.65 x 1010 /cm2/sec
Neutrinos salen a la velocidad de la luz!
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Neutrinos atmosféricos
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Simetría entre quarks y leptones
El neutrino del electrón, inventado por Pauli
(1928), nominado por Fermi (1933) Descubierto por
Reines Cowan (1956)
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Rayos cósmicos
Victor Hess 1911-1915 Nobel 1936
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La radiación cósmica, muones,piones,...

• Los estudios en la primera mitad del siglo XX
  encontraron nuevas partículas en la radiación
  recogida en las cimas de las montañas y en globos
  enviados a la atmósfera en cascadas de
  partículas creadas por la colisión de protones
  del espacio con átomos de la atmósfera.
• Los muones son partículas idénticas a los
  electrones, excepto por su masa que es unas 200
  veces mayor! Además no son partículas estables,
  sino que se desintegran con una vida media de tan
  sólo 2.2 microsegundos, transformándose en un
  electrón y dos neutrinos.
• Además se encontraron otras partículas como
  los piones y otras denominadas extrañas

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Partículas extrañas
En 1947 Rochester and Butler descubrieron nuevas
partículas que contenían un nuevo quark
En los 1960s se pueden clasificar las partículas
compuestas a partir de 3 quarks o un quark y un
antiquark (recuerda Mendeleev)
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Las partículas fundamentales(1964)
27
El zoo sigue creciendo
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Tres neutrinos ...
Número de neutrinos diferentes 2.984 0.008
s mide la probabilidad de que haya colisiones
ee-
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Composición de la materia

• Las partículas fundamentales

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Antimateria

• En 1928, Paul Dirac propone una ecuación de onda
  para el electrón que combina la teoría cuántica y
  la relatividad
• La ecuación de Dirac muestra dos soluciones una
  para un electrón con energía positiva, la otra
  para un electrón con energía negativa .
• Dirac interpretó esta segunda solución indicando
  que para cada partícula existe una antipartícula
  correspondiente, copia idéntica pero con
  propiedades opuestas.
• En el caso del electrón, el antielectrón, o
  positrón, tendría la misma masa y carga positiva

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Predicción de antimateria
Paul Dirac predijo la existencia del positrón en
1928
La ecuación de Dirac implica masa del positrón
masa del electrón Carga del positrón e
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Descubrimiento de la antimateria
Anderson (1932) descubrió el positrón predicho
por Dirac
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Antideuteron, 1965 L. Lederman, S. Ting et al
Positron, 1932 C.D. Anderson
Antiproton, 1955 O. Chamberlain, E. Segrè et al
Anti-atoms, 2002 ATHENA, ATRAP _at_ CERN
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Qué es la antimateria?
Electrones y positrones se aniquilan para
producir rayos-g (energía)
E mc2
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Producción de pares ee-
El proceso inverso también ocurre, con rayos-g
convertidos en pares electrón-positrón
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Cómo producir antimateria
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Búsqueda de antimateria en el CERN
Antihydrogeno
hydrogeno
(Proton electron)
(antiproton positron)
?

Son idénticos los niveles de energía ?
Dos experimentos en el cern ATHENA y
ATRAP ..\Animaciones\mystantm.ram
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Buscando antimateria en el espacio
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Fuerzas entre partículas elementales

• Idea clave las partículas materiales (fermiones)
  interaccionan intercambiando partículas
  mediadoras (bosones).
• como dos personas que se lanzan un balón
• se repelen por intercambio de una partícula

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Jerarquía de las estructuras
R 10-15 m (fuerte) Mediador gluones R
10-17 m (débil) Mediador W,W-,Z
R 10-10 m (electromagnetic) Mediador fotón
R gt 106 m (gravitational) Mediador gravitón??
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El mecanismo de Higgs

• Cómo obtienen las partículas su
   INERCIA ?

Ideado por Brout, Englert y Higgs, en 1964, para
dotar de masa a las partículas, lo cual no era
posible en la teoría existente Introducen una
nueva partícula, que puebla todo el Universo y
cuya energía en el estado fundamental es distinta
de cero. Las partículas obtienen su masa por
interacción con el mismo
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El campo de Higgs

• Cómo obtienen las partículas su  INERCIA ?

El modelo CELEBRIDAD EN UNA FIESTA (quarks o
leptones)
EL MODELO RUMOR (PARTÏCULA DE Higgs )
La masa de las partículas determinada por la
fuerza de interacción con el campo de higgs
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DELPHI Higgs
El Higgs se acopla proporcionalmente a la masa.
Por ello, su producción y desintegración será más
probable cuanto mayor sea la masa de las
partículas a las que se acopla en ambos procesos,
siempre que lo permita la ley de conservación de
la energía. En LEP se buscó la producción de un
Z y un H, dando, el H, dos quarks b.
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Modelo Estandar de Particulas
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(No Transcript)
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Los Grandes Aceleradores y Detectores de
Partículas Una introducción a la Física de las
Partículas Elementales y a los métodos para la
producción y detección de las mismas. Una
aproximación al origen del Universo Segundas
clases magistrales Éuropeas de Física de
Partículas. EPPOG, 2006 (Alberto Ruiz Jimeno,
IFCA)
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Las herramientas

• Por qué necesitamos altas energías?
• Para estudiar los objetos, se bombardean con
  partículas o con ondas electromagnéticas
• La resolución está limitada por el fenómeno de
  la difracción

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Las herramientas

• Por qué necesitamos altas energías?
• Criterio de Rayleigh
• D apertura l longitud de onda

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Las herramientas

• Por qué necesitamos altas energías?
• Microscopio electrónico

Mecánica cuántica pequeñas dimensiones equivale
ncia onda-corpúsculo E hc / l ?
? constante de Planck longitud de onda
Moléculas coloidales
Estructura cristalina
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Las herramientas

• Por qué necesitamos altas energías?
• Para analizar la estructura de los nucleones
• l lt 10-16 m
• Energías aún mayores!
• desde los Gev (1960) à los Tev ( 21ème siglo)

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Aceleradores de partículas

• Los aceleradores de partículas están basados en
  el movimiento de las partículas cargadas en
  campos eléctricos y magnéticos
• Una fuente de partículas
• Campos eléctricos de aceleración
• Imanes (dipolos, cuadrupolos, etc) para guiarlas
• Un punto de colisión
• Contra un blanco fijo
• Entre dos haces de partículas
• Un detector para observar el resultado de la
  colisión
• Los dos tipos básicos de aceleradores son
• Lineales (linacs)
• Circulares (ciclotrones y sincrotrones)
• En los colisionadores se hacen chocar dos haces
  de partículas de frente, para obtener la máxima
  energía de colisión posible

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Aceleradores de partículas

• Una fuente de partículas átomos ionizados por
  una descarga eléctrica
• Campos eléctricos de aceleración

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COMO FUNCIONA UN ACELERADOR?
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Aceleradores de partículas

• Los imanes de curvatura
• Imán dipolar
• para curvar la trayectoria en
• aceleradores circulares
• cuadrupolos y
• sextupolos para
• enfocar el haz

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Aceleradores de partículas

• Lineales
• No se pierde energía por radiación sincrotrón
• Largo y muy costoso ilimitada energía!
• Circulares

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E. O. Lawrence
E.O. Lawrence (1929) Nobel 1939
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Grandes Aceleradores

• Las partículas aceleradas radian energía!
• Solución para incrementar la energía de colisión
• Incrementar la curvatura
• Utilizar mas cavidades de aceleración
• Etapas de pre-aceleración

Complejo de aceleradores del CERN (Ginebra, SUIZA)
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CERN

• FERMILAB

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Detectores de partículas
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Detectores de partículas

• Las partículas elementales son extremadamente
  pequeñas como se pueden estudiar?
• Un reactor que vuela muy alto, no es visible,
  pero su traza en el cielo bajo ciertas
  condiciones, si lo es
• Los primeros detectores de partículas eran
  simplemente placas fotográficas en las que la
  partícula deja su traza al ionizar los átomos de
  la emulsión, y se puede estudiar mediante un
  microscopio
• En las cámaras de niebla, llenas de vapor, se
  empleaba un principio similar se fotografiaba la
  traza de condensación creada por la partícula.
• Para medir su momento y su carga se puede emplear
  un campo magnético las partículas curvan su
  trayectoria en él.

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Detectores de Partículas

• Las partículas al cruzar el detector chocan con
  los átomos y liberan electrones
• Ios electrones son atraídos por un hilo
• la señal eléctrica se amplifica y se envía a un
  ordenador
• la trayectoria es reconstruida por el ordenador

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El experimento DELPHI (LEP,CERN)

• El acelerador LEP realizaba colisiones electrón
  positrón ( hasta 209 GeV)

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ALEPH
J. Steinberger Nobel 1988
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Tipos de sucesos en LEP..\..\ani\ev_types\wi_evty
p.html..\..\images\sucesostipo.epsy en
LHC..\..\ani\det_cms\cms_slice.swf..\..\ani\acc
_lhc\lhc_atlas.swf
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Evolución del Universo
El Universo comenzó con un Big Bang hace
13,7 mil millones de años
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BIG Bang - eras
380,000 yrs atomOs
10-10 ... 1 sec particulas
10-32 sec big bang
10-34 sec inflaccion
lt 10-43 sec ERA Planck
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Big Bang -Exitos

• Expansión cósmica (Redshift)
• Edad de los objetos cósmicos
• Menor de 12-13 billion yr
• Sol 4.7 billion yr
• Relación universal HHe 31
• Instantánea a t 3 min
• Ligadura fuerte sobre la densidad de materia
• Fondo cósmico de microondas (CMB)
• Instantánea del Universo a t 380,000 yrs

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Big Bang - Misterios

• Qué causó la inflación?
• La energía del vacío?
• Cómo se produjo la primera rotura de simetría?
• Jerarquía de las interacciones?
• Masa de las partículas?
• Dónde se ha ido la antimateria?

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Radiación cósmica de fondo
Nuestro universo está lleno de fotones formados
cuando el universo tenía aproximadamente 380,000
yrs. Su distribución de energía e inhomogeneidad
nos da información acerca de la edad y
composición del universo.

Microwave Anisotropy Probe
Courtesy NASA/WMAP
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Radiación cósmica de fondo
Las estrellas y los planetas solo dan cuenta de
un pequeño porcentaje de la materia del universo!
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Evidencia de energía oscura
Evidencia No. 1 Radiación cósmica de fondo
Evidencia No. 2 historia de la expansión del
universo
Estudio a gran escala de viejas supernovas
La velocidad de expansión aumenta! Debido a la
energía oscura
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Evidencia de materia oscura
Lentes gravitacionales (más fuerte de lo esperado
para la masa visible )
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MAS evidencia de materia oscura
Curvas de rotación galácticas (velocidad de las
estrellas en la periferia es demasiado alta)
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Misterio de la materia oscura
La materia bariónica es solo 4 del Universo
(0.5 estrellas, 3.5 gas interestelar) Neutri
nos ?? Masa demasiado baja. Partículas
superpesadas (reliquias del big bang) ?
LHC
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Once cuestiones fundamentales

• 1. Qué es la materia oscura?
• 2. Qué masas tienen los neutrinos?
• 3. Existencia de Nuevas Dimensiones
  Espacio-Temporales
• 4. Origen de la energía oscura
• 5. Son inestables los protones?
• 6. Cómo comenzó el Universo?
• 7. Teoría cuántica de la gravedad?
• 8. Cómo funcionan los aceleradores cósmicos?
• 9. Hay nuevos estados de materia a altas
  densidades y temperatura?
• 10. Teoría unificada?
• 11. Formación de los elementos pesados

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CONCLUSION

• Cuánto más avanzamos en el conocimiento de la
  materia, más preguntas nos vienen a la mente, más
  respuestas necesitamos para interpretar a la
  Naturaleza.
• El campo de investigación es INAGOTABLE.