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Conferencia del Dr. Benjamín Montesinos, Investigador Científico Depto. Astrofísica del Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA) sobre el Mecanismo y el Bosón de Higgs. Conferencia celebrada el 1 de abril de 2014 en la Universidad Popular Carmen de Michelena de Tres Cantos. Más información en: http://www.universidadpopularc3c.es/index.php/actividades/conferencias/details/1747
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El BOSEl BOSEl BOSEl BOSÓÓÓÓN DE HIGGSN DE HIGGSN DE HIGGSN DE HIGGSMECANISMO
MECANISMO
MECANISMO
MECANISMO
Benjamín Montesinos, Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA)
El Large Hadron Collider (LHC), del que hablaremos, puede hacer colisionar protones a energías del orden de ~7 TeV.
En el mundo atómico: una nueva unidad
eV (electronvoltio, símbolo eV): es una unidad de energía equivalente a la energía cinética que adquiere un electrón al atravesar una diferencia de potencial en el vacío de 1 voltio.
1 GeV = 109
eV 1 TeV= 1000 GeV = 1012
eV
Esto no parece muy útil... pero como E=mc2, en la física de las partículas
elementales es conveniente expresar la masa en unidades de energía
1 eV/c2
= 1.8 ���� 10-36
kg
Por ejemplo, decimos que la “masa” (su equivalente en energía) de un electrón es 511 keV. Esto es conveniente porque cuando se habla de la aniquilación de una partícula o de su creación, la conversión masa/energíaes inmediata.
Los átomos…
Electrón: descubierto por Joseph J. Thomson en 1897.
Protón: descubierto por Ernest Rutherford en 1918.
Neutrón: descubierto por James Chadwick en 1932.
…¿es esto todo?, ¿son los protones, neutrones y electrones losconstituyentes fundamentales de la materia?...
Protón ElectrónNeutrón
1.672 x 10-27 kg0.9383 GeV
1.675 x 10-27 kg0.9396 GeV
9.109 x 10-31 kg0.000511 GeV
+ -
Construyendo la materia
Estructura y escala del átomo
El Modelo estándar
Se ha elaborado una teoría, denominada Modelo Estándar que explica por qué el mundo es como es y qué es lo que lo mantiene junto. Es una teoría simple queexplica los cientos de partículas que se han descubierto y sus interaccionescomplejas con solo:
6 quarks6 leptones (el electrón es el más conocido)
Partículas que median en las interacciones (como el fotón).
Toda la materia conocida está compuesta de quarks y leptones, que interaccionana través de las correspodientes partículas de intercambio.
El Modelo estándar es una buena teoría, pero no lo explica todo:la gravedad no está incluida en él.
Hadrones
Como animales sociales que son, los quarks solo existen en grupos con otros quarksy nunca se encuentran en solitario. Las partículas compuestas de quarks se llaman
Los quarks se combinan de modo que los hadrones tienen carga eléctrica entera.Hay dos clases de hadrones:
Bariones
Los bariones están hechos de tres quarks (qqq).
Protones: up-up-downNeutrones: up-down-down
Mesones
Los mesones están hechos de un quark y un antiquark (qq):
Pion π+ : up-down
_
___
El otro tipo de partículas, no compuestas por quarks, se llaman
Leptones
Hay tres leptones cargados: electrón, tau y muón (estos dos con más masa), y tres tiposde neutrinos, sin carga, con una masa muy pequeña y muy difíciles de detectar.
Mientras que los quarks son sociables y conviven en partículas compuestas con otrosquarks, los leptones son solitarias... Pensad en los leptones cargados como felinos independientes con sus neutrinos (pulgas) asociadas.
Por cada leptón hay un antileptón.
electrón
muón
tau
neutrinos
e µµµµ
ττττ
Materia
Quarks Leptones
Mesones Bariones
Hadrones
Núcleos
Átomos
Moléculas
El concepto de masa
La masa es “inercia” La masa es energía (E=mc2)
Veamos un protón:
mup = 0.002 GeVmdown = 0.005 GeV
mup + mup + mdown = 0.009 GeV
¡¡¡Sólo 1% de la masa del protón!!!
El BosEl BosEl BosEl Bosóóóón de
Higgsn de Higgs
n de Higgs
n de Higgs
© Daniel Whiteson, CERN (ideas)Jorge Cham (dibujos)
http://www.phdcomics.com/comics.php?f=1489http://vimeo.com/41038445
Para fabricar materia ordinaria solo necesitamos estas tres partículas
Con los quarksup y down fabricamos...
Con electrones, protones y neutrones fabricamos
átomos
¡Pero hemos descubierto 12 partículas!
¿POR QUËEXISTEN?
¿CUÁNTAS HAY?
¿100, 121.000.000?
Estamos mirando a la puntadel iceberg y preguntándonos...
protonesneutrones
¿Hay algo “debajode la superficie”?...
...¿o no hay más de lo que vemos?
¿Qué significaría eso en cualquiera
de los dos casos?
¿QUÉ NOS DICEN
LOS DATOS?
Los físicos buscamos PATRONES de comportamiento...
Veamos la Tabla Periódica... Tomamos todos los elementos y los organizamos por sus
características...
Se organizan en grupos
Estos se comportan de una forma...
Estos de otra...
¿POR QUÉ? Porque existe una ESTRUCTURA
fundamental
...la organización de los electrones en los orbitales
De forma similar, tenemos una...
PATRONES que sugierenalguna clase de estructura
subyacente que no entendemos.
También tiene características interesantes... ¿Hay más partículas?....
¿Cuál es el origen deesos patrones?...
Intentamos descubriresas claves mirando quéotras clases de partículas
existen?...¿QUÉ HAY MÁS ALLÁ?...
TABLA PERIÓDICA DE LASPARTÍCULAS FUNDAMENTALES
Por suerte, tenemos un “colisionador”el Large Hadron Collider (LHC) La magia de este aparato
es que podemos fabricar materia que no tenemos alrededor.
Tomamos dos clases departículas y las aniquilamos...
Lo que sale no es unre-arreglo de lo que entró.
Es una especie de “magiacuántica” en la que las partículasdesaparecen creándose otras.
Puedes creas cualquierpartícula... si tienes energíapara ello.
Es como pedir un menú:“¿qué me puede dar por
500 GeV?”
Puedes fabricar aquelloque “cuesta” esa energía o menos.
Por eso queremos que laenergía sea la mayor posible.
Cada vez que alcanzamos una energía dada, podemosexplorar un régimen totalmentenuevo...
Una de las partículas predichas por la teoría es...
El BosEl BosEl BosEl Bosóóóón n n n
de Higgs
de Higgs
de Higgs
de Higgs
El Higgs es responsablede dotar de masa a las partículas
¡Serás gordito!
Cuando uno piensa que las cosas tienen “masa”parece como si estuvieran “rellenas” de algo...
No hay ningún “relleno”
Las partículas tienen masa, pero no volumen
La masa es una característica de las
partículas, como la carga
Algunas tienen masa,otras no...
Es una clase de carga diferente
Dos cuerpos con carga eléctricase atraen
CARGAGRAVITATORIA
¿QUÉ ES LA MASA?
No existe masa negativa o gravedad
repulsiva
La gravedad es diferente a otras
fuerzas
Peter Higgs (1929 - )
Robert Brout (1928 - 2011)
François Englert (1932 - )
Una propiedad (cuántica) de las partículas: el spin
Experimento de Stern-Gerlach
Una propiedad (cuántica) de las partículas: el spin
El spin (espín) es una propiedad cuántica de las partículasque se asimila intuitivamente a un movimiento de rotación,aunque en realidad es algo mucho más complejo....
Todas las partículas elementales son fermiones o bosonesEn el modelo estándar hay cuatro bosones cuya existenciase había comprobado experimentalmente: el fotón, el gluón,los bosones W y Z... y el bosón de Higgs...
La teoría de Higgs se funda en esto:
Imaginemos un “campo” que permea todo el Universo.
Cada partícula “siente” este campo, pero de una forma distinta.
Algunas partículas son “frenadas” por este campo...
...masa grande.Otras partículascasi no lo sienten...
...masa pequeña.La pregunta de “por qué las
partículas tienenmasa se
reformula así:
¿POR QUÉ LAS PARTÍCULAS SIENTEN EL CAMPO DE HIGGS DE FORMA DIFERENTE?
El bosón de Higgs es la manifestación de ese campo
© Nature
Hay muchas reacciones que pueden dar lugar a un Higgs, por ejemplo...
...fundiendo dos gluonestenemos un Higgs
...y el Higgs decae en dos quarks “bottom”
El problema es que hay muchas otras maneras de fabricar dos quarks bottom...
...es una de las cosas más comunesque uno puede fabricar...
El punto importante es que no podemos “mirar” dentro de estas reacciones...
...todo lo que podemos ver son los productos en los que decaen...
...pero lo que queremos saber es...
¿EXISTE EL HIGGS?
Tiempo devida:1.56�10-22 s
Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire
ATLAS
CMS
Distintas capas de detección de CMS
Se hacen chocar haces de protones a energías ~7000 GeV (7 TeV)
Como la masa del protón es ~1 GeV, la energía cinética es algo más de7000 veces la energía contenida en su propia masa.
Los protones viajan en pequeños manojos alargados, de unos 7.5 cm,y contienen unos 100.000 protones cada uno. Hay unos 3000 haces deprotones viajando por el anillo en cada sentido.
Los haces dan unas 11.000 vueltas por segundo al anillo.
Chocan 40.000.000 de veces por segundo.
En cada encuentro de haces se producen unas 20 colisiones individualesde protones, de modo que en total tenemos casi 1000 millones de colisionesprotón-protón por segundo en cada detector... ¡cada una de las cuales hay que almacenar y analizar!
Números (mareantes...)
¿CÓMO SE DETECTÓ EL BOSÓN DE HIGGS?
Primero ocurre la colisión...
Dura 0.00000000000000000000001 segundos...
...y obtienes una medida de los productos de la reacción
Medimos la energía total...
ENERGÍA TOTALde la reacción
COLISIONES...contamos cuántas colisiones suceden por cada nivel de energía y construimos
nuestro conjunto de datos.
Imaginemos que tenemos 2 teorías que predicen los resultados:
NOHIGGS
SIHIGGS
Problema: la diferencia
entre ambas es MUUUUY pequeña
Es MUUUUUY difícil distinguir entre los 2 con nuestros datos
Necesitamos una
CANTIDAD ENORMEde datos
Por eso el colisionador hace esto 40.000.000 de veces por segundo, todo el año...
ABIERTO 24 HORAS
Es parecido a tomar una foto al cielo:
Si el tiempo de exposición es pequeño, o solo tomas una foto, no verás demasiado...
Pero si el tiempo de exposición es más largo, o tomas muchas fotos y las sumas...
...verás muchas más cosas y la imagen serácada vez más nítida.
Hay muchas otras maneras de “ver” el bosón de Higgs
Hay grupos investigando esta... Otros grupos investigan esta...
Miles de personas buscan en cada pequeño resquicio y la idea es mirar en todas
direcciones al mismo tiempo
Pequeñas evidencias aquí y allí se han combinado y han dado lugar a algo CONVINCENTE...
Y siempre queda el camino abierto a un montón de cosas nuevas...
Puede haber extraños “elefantes rosas” esperando
salir del sombrero...
Cada vez que abrimos el email o que alguien diseña un plan de ataque...
...puede ser el momento en que oigas a alguien decir...¡OHHH, VEMOS ALGO!
¿QUÉ HAY EN LOS DATOS?
¿QUÉ HAY EN LOS DATOS?
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