Partícules elementals, i experiments d’Altes Energies

Lluís Garrido, garrido@ub.edu

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

1. Introducció2.Acceleradors i experiments d’Altes Energies3.Model Estàndard: partícules elementals i forces4.Exemple d’experiment

Masterclass "Hands on Particle Physics“, March 2007

1) Introducció

les partícules: els elements bàsics de la natura

Els elements ahir:

segle VI i V a.C.

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 elements avui:

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

Partícules considerades elementals al 1932:electróprotó i neutró (avui: 3 quarks)i el fotó

Història:

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

2) Acceleradors i experiments d’Altes Energies

Acceleradors

1958

Exemples d’acceleradors d’electrons

CERN

CERN: el laboratori de partícules més gran del mon

..... on la web va néixer !

2500 empleats5500 visitants(total 8000 registrats)20 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 de 27km es troba a uns 100 metres sota terra i conté el tub de l’accelerador LHC (dissenyat el 1984). Dins d’aquest tub circularan protons en els dos sentits, a velocitatsproperes a v_llum, i xocaran en el centre dels detectors.Un protó donarà unes 10000 voltes per segon (F.Alonsonomés 10 voltes per hora)

LHC (en grans números)Paràmetres (protons):• Energia: 7 TeV•Camp magnètic (dipol) per a 7 TeV: 8.3 T•3*1014 Protons / feix (agrupats ens 3000 bunches)•Corrent: 0.56 A•Lluminositat: 1034 cm2/s

Imants superconductors. Criogènia:12 milions de litres de nitrogen líquid es vaporitzaran durant el refredament inicial de 31000 tones de material i posteriorment 700000 litres d’heli líquid seran necessaris per mantenir-lo a 1.9K.

Energia emmagatzemada:Energia en els dos feixos: 0.7 GJ 40 tones a 500 km/h

2 tones a 2000 km/hEnergia en els imants: 10.4 GJ

a 40 km/h

Total:11 GJ

En el cas de quench (energia necessària =107 protons de 7 TeV) l’energia s’ha d’extreure de maneracontrolada per evitar danys.

Detectors de caràcter general

E=mc2

Detectors

Camera de bombolles

Descobriment de l’antimatèria (1932)

3) Model Estàndard: partícules elementals i forces

Partícules elementals: leptons i quarks

+ antimatèria

Detecció dels quarksQCD prediu que no veurem quarks aïllats. No obstant els hadrons que veiem a altes energies han de tenir “memòria” de les direccions originals dels quarks i dels gluons. Com exemple aquí tenim un succés on es produeixen dos quaks a l’estat final, i que es veuen com “jets” de partícules en direccions oposades:

(els feixos d’electrons són perpendiculars a la figura).

Les 4 interaccions fonamentals

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

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

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

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 (no tenen color).Intensitat molt granAbast curt (els hadrons com el p i el n són neutres de color)(color blanc= blau+antiblau, verd+blau+vermell)teories:

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

La interacció feble:Actua sobre totes les partícules (és la única força que actua sobre els neutrins)Intensitat febleAbast molt curtteories:

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

noyau

→ + ++ +e µµ e ν ν

Interacció entre partícules: el mecanisme d’intercanvi

Les partícules de matèria interactuen a distància a través de l’intercanvi d’un partícula “virtual”

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

Resum

+ antipartícules+ 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, tot atraient un grup d’admiradors en cada pas

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

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

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 cm

Aquestes TOEsrequereixen l’existència de dimensions extres que encara no s’han vist.

Composició del Cosmos

¿La constant cosmològica?

Einstein

I a més a més existeix alguna cosa que accelera l’expansió de l’univers: energia fosca

En la nostre galàxia, on hi ha 10 000 milions d’estrelles, existeix més matèria fosca que matèria visible

Només coneixem el 5% de l’Univers

¡L’ENERGÍA FOSCADOMINA L’UNIVERS!

4) Exemple d’experiment

Experiments de partícules a la Universitat de Barcelona

Actualment estem treballant en dos experiments:

•BaBar en PEP (SLAC, USA) 50 institucions 18 països 400 físics (inici: 1999)•LHCb en LHC( CERN, Ginebra) 45 institucions 14 països 500 físics (inici: 2007)

Objectiu:

Goal: Study of CP violation in the B meson system

¿On ha anat l’antimatèria?

energia ↔ matèria + antimatèria

Experiments de partícules a la Universitat de BarcelonaObjectiu: l’estudi de la violació de la simetria CP en mesons B

Violació de la simetria CP: ingredient fonamental per entendre l’escassetat d’antimatèria a l’Univers

CERN

Geneva airport

ATLAS

CMS ALICE

LHCb

Mont Blanc

LHC tunnel

?

heavy elements formed in stars

stars and galaxies exist, atoms form

neutrons and protons formedquark "soup"

matter dominates

15 billion years

1 billion years

1 million years

1 second

10-10s

1015deg 1010deg109deg

6000o

-255o

-270o

Big Bang

3 minuteshelium nuclei formed

microwave background radiation fills universe

300,000 years

4000o

Big Bang

life on earth, molecules form

Quant la temperatura de l’Univers baixa fins a T ~ 1014 o K (E=mc2~massa de protó)el procés directe:

p + p → 2 γconvertirà tots els protons i antiprotons en fotons,mentre que l’aniquilació inversa està energèticament prohibida

2 γ → p + p

Evolució de la matèria a l’Univers

_

_

Inicialment a temperatures molt altes hi havia equilibri:matèria + antimatèria ↔ 2γ (energia)

T ~ 1014 o K

La radiació còsmica de fons (2.7 K) prové de l'aniquilació de la matèria\antimatèria

Baryons

CMB

Després de la l'aniquilació de la matèria\antimatèria, una petita quantitat de matèria romandrà: (un protó per cada 109 fotons) Asimetria matèria-antimatèria

Però si abans, un de cada 109 antiquraks es va convertir en quark

Simetries• Idea central en física: una teoria física queda definida

per les seves simetries

Observació (simetries) Generalització: construir lleis físiques

Postulari

predirfenòmens

f = G m1 m2

r2

Observació

P: Simetria de paritat (reflexió en mirall)

Món

10%90%

Món reflectit

90%10%

Món ≠ Món reflectit(violació de paritat)

DNA

Simetria de paritat totalment violada

C: Simetria de conjugació de càrrega (canvi de matèria per antimatèria)

Món Món conjugat

e+

p

e-

p

Tenen el mateix comportament?•Si -> no hi ha violació de C•No -> hi ha violació de C

Però….massa simetria és “antinatural”.

Ex: petita violació de CP

P C

Aquesta figura d’Escher no es simètrica sota P ni sota C

Tampoc ho es sota CP: mireu les cues dels ocells!!. Podem distingir el dibuix original del CP transformat

Això és similar al que hem observat en el món de les partícules:un de cada milió de cops que mirem una partícula estranya, la cua està canviada.

LHCb: experiment dedicat a l’estudi de la violació de CP

Per què no hi ha antimatèria a l’Univers?

Arguments de Sakharov:•Desintegració del protó •No equilibri (Big Bang)• Violació de CP (C=canvi de partícula-antipartícula, P=Paritat= r -> -r)

Violació de CP és una de les claus

0000 // ss KJBKJBNN

ψψ →→≠

La idea és estudiar processos i comparar-los amb el seu CP

Indica violació de CP

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

400 MB/sec ~ 2 Petabytes/year~ torre de 20 km de CDs

En aquests moments estem instal·lant el detector. Data inici: finals 2007

En aquests moments estem instal·lant el detector. Data inici: estiu 2007

Muon system-iron shielding-electronics tower

Calorimeter-E-cal, H-cal modules

RICH2 Magnet RICH1-HPD shielding box

•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 són compostos?

•Quines partícules formen la matèria fosca?

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

•Per què domina la matèria sobre l’antimatèria a el Univers?

Misteris en física de partícules

Angels and DemonsDan Brown's book Angels and Demons is a detective story about a secret society thatwants to destroy the Vatican using an antimatter bomb. In the book, the antimatter isstolen from CERN.

X-33 spaceplane(ambigram courtesy John Langdon)