El Modelo Estandar(Standard Model)

…and beyond…

2

3

4

5

Fermion J=1/2)

Fam 1 2 3

Q (EM) T3 (l-h) Color m (MeV/c2)

m (MeV/c2)

Descubierta en

Le

pto

ne

s

e -1 -½ 0 0.510998928 ±0.000000011 1897

e 0 +½* 0 <0.000002 1956

-1 -½ 0 105.6583715 ±0.0000035 1937

0 +½ * 0 <0.19 1962

-1 -½ 0 1776.82 ±0.16 1975

0 +½ * 0 <18.2 2000

Qu

ark

s

u +2/3 +½ rgb 2.3 +0.7

−0.51969

d -1/3 -½ rgb 4.8 +0.7

−0.31969

c +2/3 +½ rgb 1275 ±25 1974

s -1/3 -½ rgb 95 ±5 1969

t +2/3 +½ rgb 173500 ±600 1995

b -1/3 -½ rgb 4180 ±30 1977

http://pdg.lbl.gov/2013/listings/contents_listings.html

Fermiones (estadística Fermi, afecta PE Pauli)

6

¿Por qué 3 familias?

Conservación de “familias” Los datos apuntan a

3 y sólo 3 generaciones

Matriz identidad en e,

sin c ≈ 0.22 ; c ~13º

4 parámetrosVCKM

7

8

t -> b -> c -> s -> u <-> d

W virtual: existe sólo el tiempo permitido por el P. Incertidumbre

Los fermiones también lloran son inestables…

900s 10-8s 10-12s

….. 10-12s 10-25s

Hadrones (mesones y bariones) inestables

9

u quark

electron

neutrinos

d quark

s mu

btauc

t

Z,W

H

LHCE=mc2

Naturaleza

¿Cuánto vive una partícula?

Principio de incertidumbre

Similar a una gaussiana en el pico pero las colas son

más planas

= t

= ancho natural de linea

T. Fourier

FWHM

Breit-Wigner

→0 ≡ →∞ Partícula estable (e.g. electrón)

→∞ ≡ →0 Partícula inestable (e.g. quark top, ≈ 2.0±0.5 GeV → = 5·10-25s)

11

Boson J Q Color T3 Interacción

Masa (GeV/c2) (B-

W )

Teoría Predicha Descubierta

1 0 0 EM 0 (<10−18 eV/c2 ) Estable QED 1900 1900

W± 1 ±1 ±1 Débil 80.385±

0.0153.15 x 10-25s

QED 1968 1983

Z 1 0 0 Débil 91.1876±

0.00212.63x 10-25s

QED 1968 1973

g (8) 1 0 Color + Acolor

(octet)

Fuerte 0

(<0.0002eV/c2)- QCD 1962 1978

H 0 0 Masa ~125.3±0.5 1.56× 10−22 s

EW 1964 2012

G? 2 0 Gravedad 0(<7·10−32eV/c2) Estable QFT 1930 (no SM)

Bosones (estadística B-E, no afecta PE Pauli)

http://pdg.lbl.gov/2013/listings/contents_listings.html

Modelo EstándarTipo Sabor Generación Antipartícula Color Total

quarks 2 3 2 3 36

leptones 2 3 2 12

gluon 1 1 1 8 8

W 1 1 2 2

Z 1 1 1 1

1 1 1 1

H 1 1 1 1

Total 61

-Q

-T3

-Color

18 parámetros libres (incluyendo 9 masas de fermiones) en primer orden

13

Comparativa de fuerzasFuerza Bosón Carga Masa Alcance Tiempo

(lifetime)Intensidad

Fuerte g Color

(g tiene carga de color)

0 Limitado por interacción mutua de g (1fm=10-15m)

10-23s s =1

EM Eléctrica

( no tiene carga eléctrica)

0 ∞ 10-16s EM=1/137

Débil Z,W± Débil

(W y Z tienen carga débil)

~80,91 GeV/c2

10-3 fm

(10-18 m)

10-10s W=10-6

Gravitatoria G Masa

(G no tiene masa)

0 ∞ ? g=10-39

14

Fuerza fuerte. “Carga” de color:

• no tiene nada que ver con cromatismos… es un nombre

• partículas libres→carga neutra

• la energía del campo de color aumenta con la distancia

(Asymptotic Freedom)

• surge del PE de PauliEl propio portador de la fuerza (g), está cargado!!

Comparar con EM (

Bag model of

Quark Confinement

V( r ) = k·r –4/3r

k ≈1 GeV/fm=160000N

15

~140MeV

QCD

Es independiente de la carga eléctrica!!!

16

Masas de hadrones+ 200 hadrones: •Bariones → Fermiones•Mesones → Bosones•Carga de color neutra

Estados ligados por Inter. Fuerte

valence quarks

sea quarks

J=0 J=1

≡Efecto Zeeman

Masa ≠ concepto de masa clásica

Masa = efecto dinámico del confinamiento de quarks (>90%)

Masa ≡ Energía (movimiento de quarks y gluones)

2·2.3+4.8 ≠ 938 MeV

Magnitud Dimensionalidad

Paridad Ejemplo

Escalar 0 + (par) Temperatura, masa, p2 = p · p

Pseudoescalar

0 - (impar) Helicidad h= Spin · p

Vector 1 - (impar) Momento p, posición r

Vector axial (pseudo vector)

1 + (par) Momento angular: L = r x p

Masa invariante de una partícula elemental

M2

Rotaciones y traslaciones permitidas

Y. Nambu: P. Nobel 2008 por ESB (1960)

Rotura de simetría quiral

17

Mesones y bariones

++

Isospin: I3 = ½ (nu-nd) Strangeness: (S = -ns)

B = 0

B = 1

Left-handed

Right-handed

Mesones Pseudoescalares

Mesones Vectoriales

Fuerza nuclear• Fuerza que une nucleones en el núcleo (n,p)

• Efecto residual de la interacción fuerte (≡VdW)p

n

Potencial de Yukawa

uu

dd

(uu-dd)/2

18

QED

19

= EM

Natural units: 0 = c = h =1

20

QED vs QCD

21

~1/8

At √s=q=1GeV, s=1

Neutral Currents, Charged Currents

Neutron decayNeutral

Charged

Corrientes cargadas se explicaban por intercambio de W±

22

Carga (Electro)débil (I)

23

Carga (Electro)débil (II)

(Weinberg angle ~30º) 24

Carga (Electro)débil (III)

sin2 W = 0.23146 ±0.00012

25

w

wem = e2 / 4 ; em = W sin2 W

Neutral Currents

Carga (Electro)débil (IV)

gZ = gW / cos W

Nuevo número cuántico: Isospin débil (T).

Por generalización del spin nuclear…

26

Comparación de fuerzas: unificación?

Fuerza =g2/4

Carga (g) Partículas afectadas

Debil W gW

(gZ=gW/cos W)Quarks, Leptones

y neutrinos

EM =EM gem=

e = gW sen W

Quarks, Leptones

Fuerte S gS Quarks

La fortaleza intrínseca de la interacción Débil es mayor que la EM, pero a bajas energías (q2) parece más débil debido a la gran masa de los propagadores W y Z 27

x = gx2 / 4

Recapitulación de números cuánticos:simetría = conservación

• Spin: fermiones vs bosones• Sabor: Isospin I3 = ½ (nu-nd),Charm (C),

Strangeness (S), Topness (T´), Bottomness (B´)

• Isospin débil (T), tercera componente Tz,T3 ; T=½ → left-handed → quiralidad negativa (levógiro) → (ej. t → W+ b, b → W- c)

• Hipercarga débil: YW = 2 (Q − T3)

• Carga eléctrica: Q• Lepton number: Le, L, L

• Barion number:mesones=0,bariones=±1

Rotaciones y traslaciones permitidas

Leyes de conservación• Cantidades físicas conservadas: Energía (E), momento (p), momento angular (L), carga (Q), color (gS), número bariónico (B=1 para bariones, B=0 para mesones) y los tres números leptónicos (Le,L,L)

• Las paridades C (inversión de carga) y P (inversión en el espacio) se conservan en la fuerza Fuerte y EM. En la Débil no:

• CC: violación de la paridad máxima, fermiones l-h y anti fermiones r-h

• NC: violación parcial de la simetría de paridad

• Sabor: Sólo la CC transforman un tipo de quark en otro tipo (de diferente sabor) y un tipo de leptón en otro → el sabor se conserva en el resto de interacciones

p + - → 0 +n

e+ + e- →

- → e- + e

- → - + e

29

Simetría: ChargeParityTime

30

Fuerte y EM la conservan.

Débil no

Carga y otros números cuánticos (ej: Lepton)

Casi no se conserva en Débil (Kaon decay)

Predominio de materia frente a antimateria en el Universo

Dado que CPT es una simetría experimental (hasta la fecha…), matemáticamente esto implicaría que la fuerza Débil no conserva el T en una pequeña cantidad

Fuerte y EM: OK. Débil no

Diagramas de Feynman (I)

31

Time

Diagramas de Feynman (II)

32

em

Resumen de Vértices

gZ gZ

Cualitativamente, se traduce en una probabilidad:

M → ~ |M|2

El elemento de matriz es proporcional a:

• fuerza de la interacción (vértice → g)

• momento intercambiado (propagador →q)

33gZ = gW / cos W

Ejemplo (I)

34

Ejemplo (I)

35

Ejemplo (I)

36

Ejemplo (I)

37

Ejemplo (I)

38

Ejemplo (I)

39

Término de propagador aparte….

Ejemplo (II)

40

Ejemplo (III)

Genericamente: M ~ x / (q2 – (Mpropagador)2) ; x = S, EM, W, Z41

Ejemplo (III)

Genericamente: M ~ x / (q2 – (Mpropagador)2) ; x = S, EM, W, Z42

Ejemplo (III)

Genericamente: M ~ x / (q2 – (Mpropagador)2) ; x = S, EM, W, Z43

Reglas generales

44

LO vs NLO, NNLO,….

45

46Spin 0 → Escalar!!!

Spin 1 → Vector

Graviton?

Spin 2 →Tensor

Todo lo que tenga masa

El concepto de simetría

La naturaleza está llena de cosas simétricas

Construimos cosas simétricas

¿Lo simétrico es aburrido?

53

¿Es simétrico?

54

¿Es simétrico?

55

¿Es simétrico?

56

Simetría rotacional

57

Simetría rotacional

58

59

Ruptura espontánea de la simetría electrodébil (EWSB)

60

61

62

Cambio de fase

64

Telescopes

EWSB

3min

380ky

Spontaneus Symmetry Breaking

                                            

2777 × 1598 - dorigo.wordpress.com

T > Tcrit T < Tcrit

66

68

• El universo nació simétrico y ha sufrido múltiples roturas de simetría hasta llegar al estado actual, muy poco simétrico (con todas las simetrías muy ocultas).

• La rotura de la simetría electrodébil ocurrió cuando el universo tenía diez billonésimas de segundo de existencia

• Significó la definición de todas las partículas que conocemos en la actualidad pasando de un estado en el que eran idénticas (sin masa) a ser distinguibles con masas diferentes (simetría rota)

¿Qué hace (hizo) el bosón de Higgs? ¿Dar masa a las partículas?

Manifestación del campo de Higgs:Ejemplo de piscina de agua como campo: peces, olas, mano que agita el agua=LHCLa masa es una resistencia a la aceleración (o cambio de estado movimiento). F = m · a

No resistencia a la velocidad (viscosidad, rozamiento)

Ejemplo de los periodistas y el famosoEjemplo de los pares superconductores de Cooper,

materiales ferromagnéticos,…Rotura espontánea de la simetría

¿Y que valor de masa?

Robert Brout

(1928-2011)

4 de Julio de 2012

CMS+ATLAS @ LHC (CERN)

mH = 125.3 ± 0.5 GeV/c2

¿Hito histórico?

1964 → 2012

1969

¿Por qué no notamos la presencia del campo de Higgs?

• En cierto sentido es como el aire:– Nuestros antepasados no sabían que vivíamos rodeados de aire– El viento (=flujo) les hizo notar que había algo ahí…

• Dado que no podemos hacer que los bosones de Higgs “fluyan”, pues están rígidamente “atados” en el espacio:– El único modo es agitar fuertemente el espacio para extraer uno

LHC

Y ahora...

¿qué?

¿Es el SM suficiente?

79

Universo metaestable

11/03/2015 J. Fernandez 80

• Si no hay nada más allá del Modelo Estándar y Higgs, el universo sería metaestable.

• El estado fundamental o el vacío en el que vivimos no sería estable sino metaestable, es decir, que podría producirse una especie de burbuja o una hernia y nuestro universo desaparecería.

• Ahora todo indica que el universo está muy cerca del precipicio, es como si se fuera a evaporar (equivalente a un cambio de fase).

• Uno de los descubrimientos más interesantes del LHC.

¿Cuál es el futuro del vacío?

False vacuum

True vacuum

Problemas del SM• Problema de la jerarquía: masas diversas y acoplamientos

diferentes (fuerza fuerte vs débil) → Renormalización• Materia oscura → neutrinos ? No parece…• Modelo Higgs tiene problemas con la constante cosmológica →

Expansión del Universo• Unificación de fuerzas…• Strong CP → ¿Por qué QCD no viola la simetría CP?• Oscilaciones de neutrinos (relacionado con masa)• Demasiados parámetros libres (más de 20) : 12 masas de

fermiones, matrices de mezcla de quarks y neutrinos, la masa del bosón de Higgs

• El SM es simplemente eso, un modelo, más que algo fundamental• ¿Por qué 3 familias/generaciones? • ¿Son los leptones/quarks subestructuras fundamentales?

82

Modelos Teorías SUSY• No hay evidencia directa (aun) de la existencia de supersimetría: están

motivadas por posibles soluciones a varios problemas teóricos• Como no se han observado “superpartners” de las partículas del SM, la

SUSY debe ser una simetría rota (si es realmente una simetría de la naturaleza, de la variable cuantica spin) → Superpartículas más pesadas que sus correspondientes en el SM

• Pros:– Si la supersimetría existe en energías cercanas a la escala de TeV, permite

la solución del problema de la jerarquía– Permite la unificación de fuerzas (S y EW) a alta energía– Proporciona un candidato a materia oscura: neutralino (LSP)– Proporciona un mecanismo natural para la EWSB

• Cons:– Aun no han sido comprobadas experimentalmente….

• Teorías:– Minimal Supersymetric Standard Model (MSSM)– Superstring Theory– Supergravity 83

SUSY promete…

Números cuánticos identicos (salvo J)

Masas diferentes (simetría aun rota)

Difieren en spin por ½

E.g. Higgsino J= ½ ; sfermions J=0

SUSY

85

Simetría de spin

Teorías SUSY

EM

Débil

Fuerte

¿Por qué continuar el LHC? : La Materia Oscura

Los valores de los componentes del UniversoSólo entendemos un 4.9% del mismo después de 100 años intentándolo !!

No sabemos qué es la materia oscura

Tampoco lo que es la Energía Oscura, pero “ALGO” está acelerando la expansión de nuestro Universe

Supersimetría ? El ‘Neutralino’ partícula posible en LHC ?

Un nuevo campo de fuerza, como el Higgs, en LHC ?

HOY

Energía Oscura

Materia Oscura

Átomos

68.3%

26.8%

4.9%

¿Qué más hay ahí fuera?

Satélite WMAP

Planck (Marzo 2013)

Cosas que…

…conozco …sé que desconozco

… no sé que desconozco

Otros elementos 0.04%

Neutrinos 0.4%

Estrellas 0.6%

H y He libres 3.8%

Materia oscura 26.8%

Energía oscura 68.3%

Al menos en nuestro universo…..

La materia oscura

Choque de cúmulosEn azul la materia oscura

Lente gravitatoria causadapor materia oscura

La explicación se encuentra en la materia

oscura

Finales años 60

Vera Rubin

Materia oscura en la vía Lactea

Premio Nobel de Física 2011:

La energía oscura y la expansión acelerada del espaciotiempo

¿Qué sería la energía oscura?

1998, confirmado por numerosos estudios

posteriores

La cantidad de energía/materia oscura determinará el destino de nuestro Universo

El futuro del Universo

BIG RIP: La expansión sigue acelerándose hasta provocar un "desgarrón" que desintegrará hasta las partículas subatómicas. CONSTANT DARK ENERGY : La expasión deja de acelerarse, pero la expansión del Universo continúa indefinidamente. BIG CRUNCH : La expansión cesa y el Universo empieza a contraerse hasta convertirse de nuevo en una singularidad.

¿Por qué sólo hay materia?

Antimateria

¿Por qué continuar el LHC? : La Asimetría Materia-Antimateria

¿Donde se ha ido la antimateria del Universo?Si el Universo comenzó puramente a partir de energía debería contener la misma cantidad de materia que de antimateria.

PERO si hubiese la misma cantidad de materia que antimateria se hubiera aniquilado entre.

Aun estamos aquí!!!, y no hay trazas de antimateria. Se ha buscado cerca y lejos en el Universo en todas direcciones y no se ha encontrado evidencia para aglomeraciones de antimateria.

Por cada 109 pares de partículas-antipartículas producidas en la llamada bariogénesis (10-6 segundos después del Big Bang), parece que hay un exceso de 1 partícula. TODO LO QUE SE VE EN EL UNIVERSO HOY es ese exceso de 1 en 109.

Algunas leyes de la NATURALEZA podrían no ser IMPARCIALES entre materia y antimateria (Charge-

Parity Violation)El fondo cósmico de microondas no muestra

ningún rastro de antimateria

¿Por qué continuar el LHC? : UNIFICACIÓN

Electricidad

MagnetismoElectromagnetismo

Fuerza Débil

Fuerza Nuclear Fuerte

Gravitación CelesteGravitación UniversalGravitación terrestre

En esta teoría es necesaria una nueva partícula!

Foton0 mass

W80

GeV

Z91

GeV

Fuerza Electrodébil

0 mass

Higgs> 114 GeV

gluon0 mass

Teoría General de la Relatividad

Aun sin una teoría cuántica!

Fuerza de Gran

Unificación(Muchas

teorías, aunque ninguna

comprobada por los

experimentos todavía!)

GUT

teóricos

experimentales

LHC CMS

ATLAS

teoría

LHC en 2015 @ 13TeV: ¿Qué vamos a encontrar?

Probablemente lo inesperado…