Partícules elementals, acceleradors i detectors

Lluís Garrido

garrido@ub.edu

http://www.ecm.ub.es/~garrido

Masterclass "Hands on Particle Physics“, March 2005

les partícules: els elements bàsics de la natura

Els elements ahir:

VIè et Vè segle a.C.

Els elements avui:

Avui creiem que els elements bàsics són les partícules anomenades electrons i quarks, i la partícula de llum anomenada fotó (i alguna cosa més).

Els protons i els neutrons estan formats per tres quarks cadascun.

Thomson: electró (1897)Rutherford: nucli (1909)Thomson: protó (1911)Chadwick: neutró (1932)

Partícules considerades elementals al 1932:electróprotó y neutrói el fotó

L’univers conegut

Microscopis

L’ull

Binoculars

Acceleradorsi detectors

de partícules

Telescopis òptics, radio telescopis

Física de partícules mira la matèria a petites distàncies

AstroFísica mira la matèria a grans distàncies

El primersprotons

El primersàtoms Els primers

estels

e = electróq = quark

= fotó

Física experimental d’Altes energies (HEP)Física de partícules o Física Experimental d’Altes Energies

OBJECTIU: estudiar les estructures fonamentals de la matèria.

COM?

Raons per altes energies:•poder produir “noves” partícules amb gran massa (E=mc2)•focalitzar l’atenció a petites escales (λ=h/p)

acceleradors

detectors

Exemples d’acceleradors d’electrons

Producció de feixos d’electrons

-+

electrons feix d’electrons

Control de direcció

XB

PeBl

rl

eBpr

rvmevBF

=≈

=→==

θ

2

Acceleració

1958

Acceleradors en el mónAvui s’estima que hi ha uns 10000 acceleradors de partícules en el món, la meitat

d’ells utilitzats en medicina, i només uns quants en recerca bàsica. El LHC del CERN és el més gran de tots.

Les seves utilitzacions principals:• Aplicacions mèdiques:

1. Diagnosis: creació de radioisòtops produïts bombardejant elements apropiats amb partícules subatòmiques. PET amb 15O, 13N, 11C

2. Teràpia: CLINAC• Aplicacions industrials

1. Esterilització i control de pol·lució2. Xips3. Detecció i inspecció de materials4. Generació d’energia5. Crema de residus radioactius 6. ........

• Física d’altes Energies

(67h) (2h)

: LHC al CERN

CERN

CERN: el laboratori de partícules més gran del mon

..... on la web va néixer !

2300 empleats6000 visitants20 estats membres+ US, Canadà, Japó , Rússia, Xina, Índia, ...

CERN

LHC: un accelerador de 27 km que entrarà en funcionament el 2007

LHCb

CMS

ATLAS

ALICE

Mont Blanc

Leman lake Geneva airport

LHC

Aquest túnel es troba a uns 100 metres sota terra i conté el tub de l’accelerador LHC. Dins d’aquest tub circularan protons en els dos sentits, a velocitats molt elevades (1000000000 km/h), i xocaran en el centre dels detectors.

Detectors

Exemple: comptador Geiger

Camera de bombolles

Descobriment de l’antimatèria (1932)

• fenomen principal:– emissió d’electrons al

fotocàtode (prob 10%)– emissió secundaria (guany

d’un dinode g=3-50)– guany total

10 dinodes amb g=4

∏=

=N

iigM

1

610 104 ≈=M

scintillationfotó

electró

Senyal electrònica

Cascades electromagnètiques• Consideren fotons o e-

– per detectar la ionització poden utilitzar scintillators i fotodetectors

scintillatorplom

La senyal ésproporcional a l’energiaincident

Detectors Cherenkov• Quan una partícula carregada passa per un material a velocitat

superior a la de la llum en aquest material produeix llum Cherenkov:

• mesurant els fotons i determinant l’angle θ obtindrem informació sobre la seva velocitat

Cθ

Detectors de caràcter general

E=mc2

Detectors

Transverse slice through CMS detector

Anàlisi de les dades

Level 1 - Special Hardware

Level 2 - Embedded Processors

40 MHz 40 MHz (1000 TB/sec)

(1000 TB/sec)

Level 3 – Farm of commodity CPUs

75 KHz 75 KHz (75 GB/sec)

(75 GB/sec)5 KHz5 KHz (5 GB/sec)

(5 GB/sec)100 Hz 100 Hz (100 MB/sec)

(100 MB/sec)

El GRID: per processar totes les dades que es generaran a LHC es

necessita un xarxa mundial de més de 200000 pc’s

100 MB/sec ~ 2 Petabytes/year

Partícules observades desprès del 1930

1930 1940 1950 1960

e+

nµ-

µ+π+, π-

K°, K+, K- π° Λ°Ξ-Σ+

Σ- p 0e

n

∑νΛ°Ξ°

Antimatèria un electró pesat que són totes aquestes? i això?

Hem passat de pensar que en hi havia només 3 (electró, protó i neutró) a tenir-ne 100, i cada una d’elles té la seva antipartícula (antimatèria)

Tenim electrons mes pesats i neutrins.

Els leptons

ν→ -en p + e +

ν→ +ep n + e +

→ -n p + e + ?

Els quarksEn 1964 Murray Gell-Mann i George Zweig van suggerir que aquest centenar de partícules es poden explicar com a combinació de 3 (6) partícules fonamentals:els quarks (nom que apareix en la novela “Finnegan's Wake” de James Joyce).

La part revolucionaria d’aquesta idea era que la càrrega d’aquest quarks era una fracció de la càrrega de l'electró: 2/3 i 1/3. Primer es va pensar que era una ficció matemàtica però experiments posteriors ens van convèncer de la seva existència.

Partícula Massa[MeV]

Càrrega.

up ~ 2 + 2/3

down ~ 3 - 1/3

(electron) 0.511 - 1

Una col·lisió observada entre e+ i e-: els quarks i antiquarkssortints es combinen per produir mesons i barions

neutró

qn = -1/3 -1/3 + 2/3 = 0

protó

qp = 2/3 + 2/3 - 1/3 = +1

HADRONS:

-Barions : qqq-Mesons: qq-

Les interaccions fonamentals

La interacció gravitatòria:Sempre atractivaActua sobre tota forma d’energia (o massa) Intensitat extremadament febleteories:

mecànica (Newton - 1687)relativitat general (Einstein - 1915)

La interacció electromagnètica:atractiva o repulsivaActua sobre les partícules amb càrrega elèctricaIntensitat granteories:

electromagnetisme (Maxwell -1860)Naturalesa quàntica (Einstein - 1905)QED: quàntica i relativista (Tomonoga, Schwinger, Feynman -1948)

.... .

.

Les interaccions fonamentals

La interacció forta:atractiva o repulsivaActua sobre els quarks (càrrega de color)

però no sobre els leptons.Intensitat molt granteories:

nucli atòmic (Rutherford -1911)QCD: cromodinàmica quàntica.

La interacció feble:Actua sobre totes les partícules (est la única força que actua sobre els neutrins)Intensitat febleteories:

interacció feble (E. Fermi - 1933)teoria electrofeble (Glashow, Weinberg et Salam - 1960-70).

noyau

→ + ++ +e µµ e ν ν

El mecanisme de intercanvi

Les partícules de matèria interactuan a distància intercanviant un partícula “virtual”

L’abast de la interacció dependrà de la massa de la partícula virtual intercanviada.

Exemples

→+ - + -e + e e + e+e +e

-eγ Intercanvi d’un fotó

-e

γm = 0 γq = 0

(abast infinit)

µν-µ

pn

-W

→ -µν + n µ + p 2

Wm = 80 Gev/c

(curt abast)

→ +-en p + e ν

Unificació de les forces conegudes

•T.O.E. (Theories of Everything)Intenten unificar les interaccions conegudes, inclosa la gravetat, al voltant de 1019 GeV.Una TOE popular són les cordes, que suggereix que totes les partícules observades són vibracions de supercordes d’uns 10-33 cmAquestes TOEs requereixen l’existència de dimensions extres que encara no s’han vist.

Resum

+ Higgs

La partícula de Higgs: origen de les massesPer entendre el mecanismes de Higgsimaginem una habitacióplena de físics parlant: representa el camp de Higgs.

… un científic molt conegut entra a la habitació i crea una pertorbació a mesura que es desplaça, atraient un grup d’admiradors en cada pas

... això incrementa la seva resistència a moure, en altres paraules, adquireix massa, com una partícula que es mou en el camp de Higgs.

... si un rumor travessa la habitació …… crea el mateix tipus d’agrupació , però ara entre els mateixos científics. En aquesta analogia, aquest grup es la partícula de Higgs

•Origen de la massa de les partícules? (el Higgs?)

•Per què hi ha tres tipus de quarks i leptons de cada càrrega?

•Hi ha un patró en les seves masses?

•Hi ha més tipus de partícules i forces que seran descobertes a més altes energies (supersimetria?)?

•Són els quarks i leptons fonamentals o son compostos?

•Quines partícules formen la matèria fosca?

•Com podem incloure la interacció gravitatòria en el Model Standard actual?

•Per què domina la matèria sobre la antimatèria en el Univers?

Misteris en física de partícules