> 40 órdenes de magnitud
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Astronomía
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Física Nuclear
Física del Estado Sólido
Química Biológica
Mecánica
(Gp:) Física de Partículas
(Gp:) Si un nucleón tuviese un tamaño de 1 milímetro,
la cucharilla tendría una tamaño mayor que mil veces la distancia de la Tierra al Sol !!
(Gp:) Dicho de otro modo …
(Gp:) … difícil hacerse una idea de lo extraordinariamente pequeñas que son las partículas elementales
Para estudiar una partícula elemental hay que “verla”, “detectarla”
Se infiere su presencia a partir de su interacción con la materia, de modo indirecto
¿Cómo podemos detectar y medir propiedades de partículas elementales ?
Para llevar a cabo nuestros experimentos necesitamos :
Fuentes de partículas :
Radiación cósmica, radioactividad natural, reactores nucleares, aceleradores (a partir de partículas generadas artificialmente )
Detectores de partículas :
recogen información de las partículas que los atraviesan. Son nuestros ‘microscopios’ para estudiar las escalas más pequeñas
emulsiones fotográficas, cámaras de burbuja, cámaras de hilos, calorímetros, cámaras de deriva, detectores de material semiconductor, etc.
Fuentes de partículas: radioactividad natural
Una gran cantidad de elementos presentes en la naturaleza emiten partículas : transmutación nuclear, fisión …
Algunas partículas se desintegran en otras
Emisión nuclear
Desintegración
Núcleo con protones y neutrones
Partícula ?
Electrón y neutrinos
Muón
Fuentes de partículas: radiación cósmica
La radiación cósmica procede del espacio exterior. Usualmente son protones y a veces núcleos de elementos. A nivel del mar nos llegan muones y algunos fotones, electrones y positrones.
Aceleradores de partículas
Son los instrumentos más precisos para el estudio de partículas, pero también tienen sus limitaciones
Antes de ver aquellos que empleamos para hacer ciencia, veamos un ejemplo cotidiano :
CRT (Cathodic Ray Tube) :
Nuestra querida TV !
O cualquier monitor de ordenador
(no LCDs)
Aceleradores de partículas
Ciclotrón :
Acelerador en forma de dos D´s enfrentadas
con voltaje alternante entre ellas. Un campo
magnético perpendicular confina las partículas
a una trayectoria circular
Linac :
Acelerador lineal; acelera las partículas en tubos con voltaje alternante y de longitud que se incrementa conforme la partícula gana velocidad
Se emplea para experimentos de ‘blanco fijo’
Aceleradores de partículas
Sincrotrón :
Acelerador circular que combina la aceleración en secciones rectilíneas con una órbita circular gracias a la acción de campos magnéticos
Desventaja :
Orbita circular implica pérdida de energía por
radiación ( partícula cargada acelerada )
Ventajas :
1)Partículas aceleradas durante muchos ciclos
2)Energía en colisiones es el doble
3)Múltiples colisiones por haz inyectado
10
ATLAS
LHC
SPS
LEP (1989?2000, CERN). Colisionador electrón-positrón entre 90 y 200 GeV
LHC (2009? , CERN). Colisionador protón-protón de 14 TeV
LHCb
CMS
ALICE
Este túnel de 27 km se encuentra a unos 100 metros bajo tierra y contiene el tubo del acelerador LHC.
~7 km de túnel están situados en territorio suizo …
Aeropuerto de Ginebra
11
CERN
(Gp:) a 40 km/h
Energía: 7 TeV por haz (14.000.000.000 eV en centro de masas)
1011 protones por paquete (en un segundo dan aprox. 10 000 vueltas/s)
72 paquetes que producen una colisión cada 25 ns
Fecha de inicio: finales 2009 (empezó a diseñarse en 1984)
Temperaturas criogénicas: 1.9 K (a ~2 grados del cero absoluto !)
La energía concentrada en un haz bastaria para lanzar un coche a ~2000 km/h !!!
Colisionadores de partículas : el anillo LHC
(Gp:) Tevatron en Fermilab (Chicago)
(Gp:) Inyector principal
(Gp:) Tevatron 1.96 TeV
(Gp:) D0
(Gp:) CDF
(Gp:) p
(Gp:) p
(Gp:) _
Dipolo magnético
Cavidad radiofrecuencia
Detectores de propósito general
E=mc2
(Gp:) 13
(Gp:) Tracking EM Cal. HAD Cal. Muones
(Gp:) Interno externo
Detectores de partículas : cámaras de trazas
Son sensibles al paso de partículas cargadas; obtenemos puntos espaciales que permiten la reconstrucción de una traza :
(Gp:) Contiene una mezcla gaseosa que se ioniza con facilidad y una serie de hilos que registran dicha ionización
(Gp:) Cámara de hilos, proyección temporal:
(Gp:) Detectores de Si o Ga.
Precisión del orden de micrones !!!
(Gp:) Detectores microvértice:
Detectores de partículas : calorímetros
Calorímetro electromagnético :
Aprovecha las interacciones de fotones, electrones y positrones que generan cascadas depositando toda su energía
Los hadrones sólo producen una cierta ionización ? pequeña señal
Detectores de partículas : sistemas de detección
Inserción de la cámara de deriva (TPC)
10 metros
3500 toneladas
(el peso de 12 aviones A380)
Detectores de partículas : sistemas de detección
Deposición neutra en calorímetro e.m.
Deposición neutra en calorímetro had.
Trazas de partículas cargadas
Deposición asociada a traza en calorímetro had.
Deposición asociada a traza en calorímetro e.m.
Sistemas de detección para LHC
Detector ‘compacto’ : pesa tanto como la Torre Eiffel !!!
Si apilaramos los CDs con datos que producen en un año alcanzariamos la estratosfera (> 2 veces la altura del Everest)
Experimento vs. teoría
Dos facetas íntimamente ligadas que nos permiten avanzar en el conocimiento de los componentes últimos de la materia y sus interacciones.
La base de nuestro conocimiento se fundamenta en el uso del método científico (observación, hipótesis, experimentación).
La TEORIA
Aporta los modelos matemáticos que explican los resultados de las observaciones experimentales
Permite hacer hipótesis ? ideas para nuevos experimentos
Los EXPERIMENTOS
Comprobación de los modelos
Descartan modelos erróneos
Detectores de partículas : otros detectores
Centelleadores :
Material cuyos átomos son excitados por
partículas cargadas y en su desexcitación
emiten radiación luminosa
Tubos FotoMultiplicadores recogen dicha
emisión y generan pulso eléctrico
Son detectores muy rápidos y muy preci-
sos en el aspecto temporal
Detectores de radiación Cerenkov :
Contienen gases o líquidos en los que la
velocidad de la luz es inferior a la de las
partículas que lo atraviesan
Emisión emitida en un cono
Detectores de partículas : cámaras de trazas
Cámara de deriva :
La base es la misma que la de la cámara de hilos, pero el volumen de deriva es todo el volumen del detector. Medimos también tiempos de deriva de la ionización para obtener más información.
Detectores de material semiconductor :
Detectores de Si o Ga.
Precisión del orden de micrones !!!
Presentan multibandas espaciadas en
decenas de micras que son sensibles
a los pares electrón-hueco creados por
el paso de partículas cargadas en la red
cristalina del semiconductor
¿Cómo podemos detectar las partículas ?
Hemos de conocer de qué forma interactúan con la materia
PARTICULAS CARGADAS
Toda partícula cargada eléctricamente interacciona con los electrones de los átomos ? intercambio de energía. Esto puede suponer :
Excitación de los átomos generando emisión de fotones
Ionización del medio creando iones y electrones libres
¿Cómo podemos detectar las partículas ?
Electrones y positrones :
* Sufren radiación de frenado ( baja masa ) durante la interacción con el
medio produciendo fotones
* Los positrones ( antimateria ) se aniquilan con los electrones del medio
generando pares de fotones
¿Cómo podemos detectar las partículas ?
FOTONES
Son cuantos de energía electromagnética ( luz, ondas de radio, televisión, UV, IR, rayos X, … )
Estos son los procesos que sufren :
Efecto fotoeléctrico
El fotón extrae un electrón atómico
Efecto Compton
El fotón cede parte de su energía a un
electrón atómico
Creación de pares e+ e-
El fotón da lugar a un electrón y un positrón
¿Cómo podemos detectar las partículas ?
HADRONES
Protones, neutrones, piones, … ( partículas con quarks )
Interaccionan fuertemente con nucleones produciéndose múltiples procesos incluyendo la generación de cascadas de partículas a altas energías
Aceleradores
Microscopios
Telescopios ópticos y radiotelescopios
Binoculares
La física de partículas observa la materia en sus dimensiones más pequeñas.
Para profundizar en las escalas más diminutas necesitamos partículas con muy alta energía
Aceleradores de partículas