El Modelo Estándarde las Partículas Elementales

Arcadi Santamaria Luna

Departament de Física Teòrica

IFIC/Universitat de València-CSIC

¿Que Hacemos los Físicos?Hacemos modelos matemáticos para describir lo que observamos

Sorprendente que acaban funcionando mejor de lo que esperábamos

¿Qué es el MS?●Modelo que describe los constituyentes últimos de la materia:Las partículas elementales

●Frontera del conocimiento. Necesaria toda la “artilleria”:

●Mecánica “newtoniana”

●Relatividad

●Cuántica

●Teoría Cuántica de Campos

UNIFICACIÓN Y SIMETRÍA

Mecánica Newtoniana

●Tiempo universal

●No hay velocidad límite

●Acción a distancia

●Masa y energía se conservan por separado

Unificación leyes de la FísicaTierra - Cosmos

Relatividad Especial

●La velocidad de la luz es la misma para todo observador a velocidad constante

●La velocidad de la luz, c, es la máxima posible

●Solo m=0 va a velocidad c

●El tiempo no es universal

●Masa y energía se pueden transformar una en la otra

UnificaciónElectromagnetismo-Mecánica

La Mecánica Cuántica●Las partículas tienen asociadas propiedades de las ondas

●Principio de incertidumbre de Heisenberg

●Para “ver” distancias más pequeñas necesitamos utilizar partículas con energías cada vez más grandes

LHC:1000000 veces más potente(tamaño protón)/1000

Microscopio electrónico(aumento 10000000x)

Micoscopio óptico(aumento 2000x)

Teoría Cuántica de Campos

●Cuántica: las partículas son las “ondas” del campo cuantizadas: las partículas son idénticas “como dos gotas de agua!”

●Relatividad: las partículas se pueden crear, destruir y transformarse las unas en las otras

●Toda partícula tiene su antipartícula

●Por cada clase de partícula hay un campo que llenatodo el espacio: campos de fotones, electrones, ..

●Campos: cantidades que varían “continuamente” con el tiempo y la posición (densidad, fuerzas, etc).

●Las variaciones del campo se propagan formando ondas

UnificaciónRelatividad-Mecánica Cuántica

Diagramas de Feynman

Si hay una velocidad máxima no puede haber acción a distancia: Intera

Intercambio de partículas virtuales

Teorías “Gauge”

Relatividad: no acción a distancia

Necesaria una partícula que pase la info

Principio de “gauge”

El principio “gauge” permite deducir las propiedad

Partículas e Interacciones(principios del siglo XX)

●Partículas “elementales”: protones, neutrones, electrones

●Interacciones: Gravitatorias, electromagnéticas (luz) y fuertes

●Protones y neutrones (unidos por fuertes) forman los núcleos

●Núcleos y electrones (unidos por electromagnéticas) forman los átomos

●Átomos unidos por electromagnéticas forman moléculas, cristales... toda la materia.

Partículas e Interacciones(principios del siglo XX)

El Zoo de las partículas●Para explicar las interacciones fuertes se postularon (y posteriormente descubrieron) los piones π+,π0 , pero más tarde se descubrieron:- Otras partículas con interacciones fuertes ρ, η, ω, a0, a1 ... - Estados excitados de protón y neutrón, N+,N0 y otras partículas similares Δ++, Δ+, Δ0 , ...

●El protón, neutrón, pion, ... formados porpartículas más pequeñas: los quarks

●El neutrón y muchos núcleos se desintegran

● Necesidad de los neutrinos

Protón Neutrón

El Zoo de las partículas●Descubrimiento de nuevos tipos de “electrones” y “neutrinos”

●Descubrimiento de nuevos tipos de partículas con interacciones fuertes: partículas “extrañas”, “encantadas”, ...

►Nuevos tipos de “electrones”, (muón, tau)

►Nuevos tipos de “neutrinos”, (muónico, taónico)

►Nuevos tipos de quarks (s, c, b, t )

►Necesidad de nuevas interacciones

●Interacciones débiles (W,Z) que provocan las desintegraciones de núcleos

●Fuertes entre quarks (gluones) que “pegan” los quarks dentro de protones y neutrones, ...

●

El Modelo Estándar

Masas varían desde < 1 eV hasta 100.000.000.000 eV

3 generaciones de materia(Fermiones con spin 1/2)● Quarks (con 3 “colores”)● Leptones (e, ¹, ¿ y 3 neutrinos)

Bosones de gauge (spin 1)● Electromagnéticas ( fotón ° )● Fuertes ( gluón g )● Débiles (Z, W)

1 bosón de Higgs (spin 0)

¿Cómo organizar todo esto?

Ejemplo: Invariancia relativista

●Experimentos no dependen de cuando los hacemos (invariancia bajo traslaciones temporales)

●No dependen de donde los hacemos (invariancia bajo traslaciones espaciales)

●No dependen de la dirección(invariancia bajo rotaciones)

●No dependen de la velocidad a la que nos movemos (invariancia relativista)

Estructura matemática de grupo!

Conservación del momento lineal

Simetrías

Conservación del momento angular

Conservación de la energía

Simetrías internasPartículas se ordenan en grupos con propiedades parecidas:

●3 tipos de quark con cada carga (color): Simetría SU(3)

●2 tipos de quarks y leptones por generación: Simetría SU(2)

●Quarks y leptones tienen carga: Simetría U(1)

●Fermiones clasificados según el grupo de simetría

8 gluones (g)Bosones electrodébiles (W,Z)

Fotones ( ° )

SU(3)⊗SU(2)⊗U(1)

►Tienen spin 1 (son bosones)►Tienen masa 0 (La simetría “gauge” prohibe la masa!)

Simetría “Gauge”

●Los bosones de gauge W, Z son muy pesados

●Los electrones, muones, quarks, ... también tienen masas

El mecanismo de Higgs●La simetría existe, pero está oculta y no se manifiesta a las energías actuales.

●La simetría se “rompe espontáneamente”No se puede mostrar la imagen. No se puede mostrar la imagen.

Rotura Espontánea de Simetría

Transición de fase

El campo de HiggsPara dar masa a las partículas rompiendo espontáneamente la simetría “gauge” es necesaria la existencia de un campo con unas características muy especiales:

●Tiene espín 0 (es un bosón)

●Interacciones con las otras partículas están fijadas

●A altas energías (temperaturas) es como cualquier otro campo

Transición de fase●A baja energía (temperatura) se produce una transición de fase y cambian sus propiedades

●Las simetría se rompe espontáneamente y las partículas obtienen masa

Un mecanismo parecido explica la superconductividad

¿Es la partícula de Dios?

Origen del nombre: Libro de Leon Lederman (Nobel 1988)“The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Ques

Goddamn particle (partícula maleïda)

¿Como se Comprueban las Teorías de Partículas?

Por el principio de incertidumbre para “ver” dentro de objetos de un diámetro D hace falta “mirar” con partículas de energía

Colisión de partículas a altas energías

LEP: electrón + positrón (E = 100 GeV)

LHC: protón + protón (E = 14000 GeV)

El LHC (Large Hadron Collider)

Evidencia experimental

Origen del Universo

Transición de fase

¿Para qué sirve?

La WEB (WWW)Tomografía electrón-positrón

Terapia con protones contra el cáncer

A día de hoy no lo sabemos!

¿Acaso sabía Maxwell como afectarían sus estudios sobre e De momento ya hay algunas aplicaciones

¿Qué queda por saber?●¿Es la partícula descubierta el Higgs del Modelo Estándar?

●No tenemos un “Modelo Estándar” de masas de neutrinos

●No tenemos una teoría cuántica de la gravedad

●¿Por qué hay 3 generaciones de fermiones?

●Se unifican las interacciones conocidas?

●Se sabe que hace falta materia oscura en el universo pero el Modelo Estándar no tiene ningún candidato

●¿Por qué hay tanta diferencia entre les masas de las partículas del Modelo Estándar?

●¿Son realmente elementales las partículas del Modelo Estàndar?< 1 eV hasta 100.000.000.000 eV

Tabla periódica del siglo XXI

¿Qué no explica el Higgs?●No explica l'origen del universo.

●Eso sí, ayuda a entender su evolución

●No explica la gravedad, ni resuelve sus problemas con la mecánica cuántica

●No explica el origen de toda la masa. La masa de proton

●Eso sí, parametriza la masa de les partículas más eleme