Curso 2002-2003

Fsica Nuclear y de Partculas Conceptos bsicos 1

Conceptos previos

Cronologa de la fsica nuclear y de partculas Constituyentes de la materia Terminologa Unidades y dimensiones Concepto de seccin eficaz

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Cronologa histrica de la Fsica Nuclear1 etapa (1896-1932): Nacimiento de la Fsica del ncleo

1896 Descubrimiento de la radiactividad (Becquerel*)1897 Descubrimiento del electrn (J.J. Thomson)1898 Separacin del radio (M. Curie* and P. Curie*)1905 Teora especia1 de la relatividad (Einstein*)1909 Las partculas ncleos de He (Rutherford* and Royds)1911 Descubrimiento del ncleo atmico (Rutherford*)1913 Descubrimiento de istopos estables (Thomson*)1913 Modelo atmico planetario (N. Bohr*)1914 Carga nuclear determinada a partir de rayos X (Moseley)1919 Transmutacin artificial por reacciones nucleares (Rutherford*)1925 Propuesta del espn intrnseco (Goudsmit and Uhlenbeck)1926 Desarrollo de la mecnica cuntica (Schrdinger*)1928 Teora de la radioactividad (Gamow, Gumey, Condon)1930 Hiptesis del neutrino (Pau1i*)1932 Descubrimiento del deuterio (Urey*, Brickwedde, Murphy)1932 Descubrimiento del positrn (Anderson*)

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Cronologa histrica de la Fsica Nuclear2etapa (1932-1960): Desarrollo de la Fsica nuclear

1932 Descubrimiento del neutrn (Chadwick*)1932 Modelo nuclear proton-neutron (Heisenberg*)1934 Descubrimiento de la artificia1 radioactividad (I. Curie*, F.Jo1iot*)1934 Teora de la radioactividad (E. Fermi*)1935 Hiptesis del mesn (Yukawa*)1936 Teora del ncleo compuesto (N. Bohr*)1937 Descubrimiento del mun en los rayos csmicos (Neddermeyer,Anderson*)1938 Descubrimiento de la fisin nuclear (Hahn* and Strassmann)1939 Modelo de la gota lquida de la fisin (N. Bohr* and Wheeler)1940 Produccin del primer elemento transurnido (McMillan* andSeaborg*)1946 Cosmologa del Big Bang (Gamow)1947 Descubrimiento del mesn (Powell*)1949 Modelo de capas de la estructura nuclear (Mayer*, Jensen*,Haxel, Suess)1953 Hiptesis de la extraeza (Gell-Mann*, Nishijima)1953 Modelo colectivo de la estructura nuclear (A. Bohr*,Mottelson*, Rainwater*)1953 Primera produccin de partculas extraas (Brookhaven)1955 Descubrimiento del antiprotn (Chamberlain* and Segre*)1956 Deteccin experimental del neutrino (Reines and Cowan)1956 Violacin de la paridad en las interacciones dbiles (Lee*,Yang*, Wu et al.)

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Cronologa histrica de la Fsica Nuclear3etapa (1960-): La era de los quarks

1964 Modelo quark de hadrones (Gell-Mann*, Zweig)1964 Observacin de violacin CP en la desintegracin del Ko(Cronin* and Fitch*)1967 Modelo electrodbil (Weinberg*, Salam*)1970 Hiptesis del quark encanto (Glashow*)1974 Descubrimiento de la partcula J/ y confirmacin del quarkencanto (Richter*, Ting*)1975 Descubrimiento del leptn (Perl)1977 Descubrimiento de la partcula e identificacin del quarkbelleza (Lederman)1983 Descubrimiento de los bosones dbiles Wand ZO (Rubbia*)1995 Descubrimiento del quark t en el Tevatrn del Fermilab2000 Descubrimiento del neutrino taunico ? Descubrimiento del bosn de Higgs

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Avances tecnolgicos experimentales1912 Desarrollo de la cmara de niebla (Wilson*)1919 Desarrollo del espectrmetro de masas (Aston*)1931 Primer acelerador electrosttico (Van de Graaff)1931 Primer acelerador lineal (Sloan* and Lawrence*)1932 Primer ciclotrn (Lawrence*, Livingston)1932 Primera reaccin nuclear usando acelerador (Cockcroft* - Walton*)1935 Desarrollo de la tcnica de coincidencia (Bothe*)1941 Primer betatrn, acelerador de e- de induccin magntica (Kerst)1942 Primer reactor de fisin controlada (Fermi*)1944 La estabilidad de fase para el sincrotrn (McMi11an*, Veksler)1945 Primer ensayo de una bomba de fisin1946 Desarrollo de la resonancia nuclear magntica (Bloch* and Purcell*)1947 Desarrollo de la datacin mediante radiocarbono (Libby*)1947 Primer sincrociclotrn de protones, 350 MeV (Berkeley)1948 Primer acelerador lineal de protones, 32 MeV (Alvarez*)1949 Desarrollo del contador de centelleo (Kallmann, Coltman, Marshall)1952 Primer sincrotrn de protones, 2.3 GeV (Brookhaven)1952 Primera bomba termonuclear1959 Sincrotrn de protones, 26-GeV (CERN)1967 Acelerador lineal SLAC para electrones de 20-GeV (Stanford)1971-83 Colisionador protn-protn ISR (CERN)1972-82 Sincrotrn de protones de 500-GeV (Fermilab)1983 Colisionador protn-antiprotn a 300 GeV (CERN)1986 Colisionador protn-antiprotn a 1.8 TeV Tevatron (Fermilab)1989-2000 Colisionador electrn-positrn (LEP) a 90 GeV (CERN)2005? Colisionador de hadrones LHC a 14 TeV (CERN)

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Esquema general de los constituyentes de la materiaEnte fsico Constituyentes Cuanto del campo Interaccin

Fsica Atmica tomo e-, p Electromagntica(QED)

Fsica Nuclear Ncleo p, n Nuclear (Yukawa)

Quarks Bariones (qqq)

Mesones (q q )

Gluones Fuerte (QCD)Fsica dePartculas

Quarks,leptones

(q,q)+(l,) , Zo, W Electrodbil

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Limitaciones de la Fsica Nuclear

Hoy se tiene un buen conocimiento de las propiedades de losncleos y de su estructura.

Multitud de aplicaciones: Tcnicas de Fsica Nuclear se utilizan enel diagnstico mdico y en el tratamiento de enfermedades o en lafabricacin de armas de destruccin masiva.

Pero falta una formulacin terica coherente que permita explicare interpretar todos los fenmenos de una forma fundamental.

Debido a ello se debe abordar el estudio de la Fsica Nuclear de unaforma fenomenolgica, utilizando diferentes formulaciones para cadatipo de fenmenos: desintegracin , desintegracin , reaccionesdirectas, fisin, etc.

Problema sin resolver: naturaleza exacta de las fuerzas nucleares

Situacin de la Fsica de Partculas

El Modelo Estndar proporciona una interpretacin bastantecorrecta de las partculas tanto leptnicas como hadrnicas y susinteracciones.

Mundo microscpico-mundo macroscpico: Estudios en el campode la Fsica de Partculas abordan desde la composicin ltima de lamateria hasta los procesos que ocurrieron en la evolucin delUniverso desde el Big-Bang inicial

Existe una subestructura ms simple que el esquema de 6 leptones, 6 quarks y 12 cuantos de interaccin?

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Fs

Terminologa

Nclido o nucleido: : : :

AZ N

Z n de protonesX N n de neutrones

A n de nucleones

5626 30Fe

Istopos: Nclidos con el mismo valor de Z235 8 238 992 143 92 146(0, 720%,7.0 10 ) y (99,275%,4.5 10 )U aos U aos

Istonos: Nclidos con el mismo valor de N 2 31 1 2 1yH He Isbaros: Nclidos con el mismo valor de A 3 31 2 2 1yH He Estados ismeros metaestables: Estado excitado de un nclido con

vida media larga ( 1seg > ) 9943 56(6.02 )mTc horasica Nuclear y de Partculas Conceptos bsicos 8

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Unidades y dimensiones

Longitudes: Tamaos nucleares de 1 fm a 7 fm

-151 ( ) 10 fermi fm m=

Tiempos: El intervalo de variacin es muy amplio

Proceso Duracin

Fragmentacin de los ncleos 5He 8Be

Reacciones nucleares (tiempo de trnsito nuclear)

10-20 s

Desintegraciones electromagnticas () ps (10-12 s) - ns (10-9 s)

Desintegraciones , hasta 109 aos

Energas:

Proceso Duracin

Desintegraciones , , MeVReacciones nucleares de baja energa 1- 100 MeV

Reacciones nucleares de alta energa hasta el TeV (106 MeV)

6 131 10 1.602 10MeV eV J= =

Masas: Se miden en unidades de masa atmica u

12 211 ( ) 931.5 /12

u M C MeV c= =

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Seccin eficaz

La seccin eficaz mide la probabilidad de que una reaccin particulartenga lugar, y puede calcularse si se conoce la interaccin bsica entrelas partculas.

Si F es el flujo de partculas 1 que inciden sobre un blanco 2, la seccineficaz diferencial es:

1( , ) sdNd Ed F d =

sdNd

: nmero de partculas difundidas en el ngulo slido d por unidad de tiempo

F: nmero de partculas incidentes por unidad de rea y unidad de tiempo

d tiene dimensiones de rea seccin geomtrica del blancointerceptada por el haz

En general d vara con la energa del haz y con el ngulo de difusin

La seccin eficaz total a energa E es: ( ) dE dd

=

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Seccin eficaz

En la situacin real el blanco es un material extenso con muchos centrosde dispersin. Si

N : densidad de centros dispersoresx : espesor del material en la direccin del haz (no demasiado grueso)

N x : densidad superficial de centros dispersores perpendiculares al hazA: rea total del blanco iluminada por el haz

el nmero de partculas difundidas en promedio en d por unidad detiempo es

( )sdN FAN xd =

El nmero total de partculas difundidas en todos los ngulos es

totN FAN x =