Física Cuántica II Física de Partículas I Juan Abel Barrio Uña Universidad Complutense de...

Física Cuántica IIFísica Cuántica II

Física de Partículas I

Juan Abel Barrio UñaUniversidad Complutense de Madrid, Mayo 2008

Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II2

Física de PartículasFísica de Partículas

Ladrillos y cemento:Ladrillos y cemento:

EMEM DEBILDEBIL FUERTEFUERTE

Intensidad:Intensidad: 1010-2-2 1010-5-5 11

Alcance:Alcance: 1010-3-3 fm fm 1 fm1 fm


Modelo Estandar

Física de Partículas Experimental

Fenomenología

ÍndiceÍndice

Más allá

Agradecimientos: Alonso & Finn; Serway & Jewett; Halzen & Martin; WWW via Google.


Modelo Estandar


ÍndiceÍndiceFenomenología

Partículas y antipartículasMás partículasLeyes de conservaciónLeptones y Quarks

Más allá


Partículas y antipartículasPartículas y antipartículas

Positrones y otras antipartículasPositrones y otras antipartículas


Partículas y antipartículasPartículas y antipartículas

Un poco de teoríaUn poco de teoría

10

01;

0

0;

01

10

0

0;

0

0;·

121

i

i

I

Imi

ti

Ecuación de Dirac

Diagramas de Feynman:


Modelo EstandarFísica de Partículas Experimental



Más allá


El Zoo de las PartículasEl Zoo de las Partículas

NeutrinosNeutrinos

qq=0 ; =0 ; mm 0 0

(Pauli) (Pauli)

11

·

hh

sphelicidad

S S



Partículas en los Rayos CósmicosPartículas en los Rayos Cósmicos

08

8

6

,;10;500:

;10;140:

;10;106:

KsMeVmK

sMeVm

esMeVm

KK

e

Rarito !!


Cámara de Niebla:Cámara de Niebla:Cámara de Burbujas:Cámara de Burbujas:


Detección de PartículasDetección de Partículas

Isotermas de AndrewsIsotermas de AndrewsCámara de Burbujas:Cámara de Burbujas:



Partículas InestablesPartículas Inestables

cteZ

cteQctepcteE

&#$$

;;

;10:

;10:

8

6

s

es e

.contTe

fixedT



Aceleradores: Aceleradores: más partículas, es la guerra !!!más partículas, es la guerra !!!


Física de Partículas II




Leptones: electrones y sus hermanosLeptones: electrones y sus hermanos

PuntualesFuerzas Débil, EM

eeMeVm ;51.0

eesMeVm ;10;106 6

eesMeVm ;10;1800 13

.....

n

Peso lig

ero

E = mc2

mp ~ 1 GeV ¿¿ Ligero ??



Hadrones: Hadrones: mesones y barionesmesones y barionesNo puntualesDébil, EM, fuerte

Peso m

edio

Peso pesa

do


Modelo Estandar




Más allá


– Cambios de fases locales TQC

Leyes de ConservaciónLeyes de Conservación

Simetrías en acciónSimetrías en acciónNoether: Por cada simetría continua existe

una cantidad conservadaSimetrías espacio-temporales

Simetrías internas

Simetrías discretas: C, P, T

– Traslación espacio-temporal pi = cte, E = cte

– Rotación Li = cte

– Cambio de fases globales Qi = cte Nos Cuánticos

Dinámica

Clasificación


e

Le: 0 -1 0

epLe: 0 0 +1


Clasificación de partículasClasificación de partículas

Conservación del Nº Bariónico: B

Conservación del Nº Leptónico: L

– Bariones: B=1; Antibariones: B = -1; Resto: B = 0

– Leptones: L=1; Antileptones: L = -1; Resto: L = 0

– Cada familia leptónica tiene uno propio

eeLe: 0 -1 +1

epn eB:+1 +1 0

Le: 0 0 +1

0

-1



Clasificación de hadrones (cont.)Clasificación de hadrones (cont.)Tabla periódica

S=+1

S=0

S=-1

K+K0

K-

+- 0

K0_

SPIN = 0

SPIN = 1/2

¡¡ Estructura !!


Modelo EstandarFísica de Partículas Experimental



Más allá


Leptones y Quarks Leptones y Quarks

Estructura de los hadronesEstructura de los hadrones

Rutherford 1912Rutherford 1912

ee--


Leptones y Quarks Leptones y Quarks Estructura de los hadrones (cont.):Estructura de los hadrones (cont.):

S=+1

S=0

S=-1

K0

K-

+- 0

us_

SPIN = 0

K0

_

ds_

du_

su_

K+

ud_

sd_

2uu-dd

_ _

Multipletes de SU(3)Multipletes de SU(3)


Leptones y Quarks Leptones y Quarks Quarks: Quarks: todos los saborestodos los sabores

barionbarion

mesonmeson


Leptones y Quarks Leptones y Quarks Quarks: Quarks: todos los colorestodos los colores

u

ExclusiónExclusión

CCoolloorr RR

GG

BB


Leptones y QuarksLeptones y Quarks

Resumen finalResumen final

1ª generación1ª generación

Materia Materia ordinariaordinaria


Rayos Rayos cósmicoscósmicos


AceleradoresAceleradores

0.1 GeV

4.5 GeV1.7 GeV

1.8 GeV 175 GeV

E = mc2

mp ~ 1 GeV



¿Sólo tres generaciones?¿Sólo tres generaciones?

00809842 . .N

¡¡ SÍ !!¡¡ SÍ !!todoeeLEP :



Jerarquía de masas: Jerarquía de masas: Campo de HiggsCampo de Higgs



¿ Y las fuerzas ?¿ Y las fuerzas ?


Mediadores Mediadores TQC TQC Modelo Estandar Modelo Estandar


Física de Partículas III



Fenomenología


ÍndiceÍndice

Modelo EstandarDe la Mecánica Cuántica a QEDTeoría electrodébil: SU(2)xU(1), Higgs.QCDUnificación

Más allá


Teoría Cuántica de CamposTeoría Cuántica de Campos

VTLq

L

dt

d

q

L

jj

;

Vmt

i 22

2

Física Física AntiguaAntiguaMecánica Lagrangiana:

Dinámica Relativista:

Mecánica Cuántica:

1;),(;),(;2 cpEppEpmpp



Mecánica Cuántica RelativistaMecánica Cuántica RelativistaEcuación de Dirac libre:

Ecuación de Maxwell:

10

01;

0

0;

01

10;

0

0

0

0;,;,;0

121

i

i

I

I

tmi

Ecuación de Dirac con interacción: AAAAemi

,; 0

ejAAFjF ;;



Electrodinámica Cuántica (QED)Electrodinámica Cuántica (QED)Lagrangiano libre

Invariancia gauge local U(1)

xdLmi 3; LL

xe

AAieADDeD

xex

xi

xi

1

;;

)()(

FFAemi

4

1L

Lagrangiano QED

Campo gauge

Fase local

Campo del fotón

(mediador)

Aemi

jF



2; MMM

cmd

ddiagrama

QED (continúa)QED (continúa)Diagramas de Feynman (de verdad):

s

eeQED 3

4 2

Amplitud

Sección eficaz

)(GeVs

(nb

)


Fenomenología


ÍndiceÍndice

Modelo EstandarDe la Mecánica Cuántica a QEDTeoría electrodébil: SU(2)xU(1), Higgs.QCDUnificación

Más allá


Teoría ElectrodebilTeoría Electrodebil

Corrientes Corrientes cargadas y neutrascargadas y neutras

QQZZ

QIe

Q WWW

Z

23 sin

cossin

QQWW

L

e

Led

u

,1

)(GeVs

(nb

)


QCDQCD

Quarks y gluones coloreadosQuarks y gluones coloreadosCarga de color

– Quarks R, G, B

– Bariones “blancos”: RGB

– Mesones “negros”: RR–

– Gluones GB_

S– Cte. de acoplo s

Confinamiento

– Quarks vestidos

– Libertad asintótica


Modelo EstandarModelo Estandar

Resumen finalResumen final

Débil Electro-

magnética

Interacción Efecto

Gravitatoria

Electrodébil

Fuerte

Partículas Todas Quarks y leptones

Cargadas Quarks

Mediadores Gravitón W + W - Z 0

Fotón Gluón

Intensidad (2 protones en el núcleo)

10-36 10-7 1 20

(residual quarks)


Fenomenología

Modelo Estandar

ÍndiceÍndice

Física de Partículas Experimental AceleradoresDetectoresBeyond LHC

Más allá


Aceleradores de partículasAceleradores de partículas

ColisionadoresColisionadores

Baratos

Mult. pruebas:

– e+ e-,pp,+-,…_

Más energía

qqqqZZee 00

Radio de giro


Aceleradores de partículasAceleradores de partículas

LHC: LHC: Colisionador ppColisionador pp ultraultratodotodo 14 TeV en CM 14 TeV en CM __

9 km

¡¡27 km a 3 K !!¡¡27 km a 3 K !!


Detectores de partículasDetectores de partículas

Las capas de la cebollaLas capas de la cebolla

Compact Muon SolenoidCompact Muon Solenoid


Detectores de partículasDetectores de partículas

CMS en acciónCMS en acción


Fenomenología

Modelo Estandar

ÍndiceÍndice

Física de Partículas Experimental AceleradoresDetectoresBeyond LHC

Más allá


Asimetría materia-antimateria

Oscilaciones y masas de neutrinos

Origen de la masa: Higgs

Mas alláMas allá

SUSY, Gran unificación, supercuerdas …

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