¿DE QUÉ ESTÁ FEITO O MUNDO? ¿CÓMO FUNCIONA? Juan J. Saborido Silva Universidade de Santiago de Compostela. Departamento de Física de Partículas. Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE). Boiro, 30 de Xaneiro de Na búsqueda dos constituíntes elementais da materia 1 (Parte do material desta presentación foi cedido por Jaime Álvarez).

2 Algunhas preguntas que os humanos se fan desde fai varios milenios. ¿De qué está feito o mundo? ¿Ten unha orixe? ¿É eterno? ¿Qué é o que o mantén unido? ¿Cómo funciona? ¿Cómo xurde a vida? ¿É o ser humano unha cousa especial no Universo?

¿De qué está feito o mundo? O filósofo griego Empédocles no século V a.C. : terra, aire, lume e auga Hoxe sabemos que existen cousas máis fundamentales. 3

O átomo Demócrito (S. V-IV a.C. ): Toda a materia está constituída de partículas INDIVISIBLES chamadas ÁTOMOS Pero o átomo moderno non é indivisible. TABLA PERIÓDICA DOS ELEMENTOS D. Mendeleev (1869) 4

Helio (He) Neon (Ne) Tódo-los átomos teñen un núcleo cargado positivamente, e electróns con carga negativa orbitando ó seu redor. (O electrón foi descubierto por J.J. Thomson en 1897). O átomo ten unha estructura interna 5

Evidencia de estructura no átomo (Rutherford 1911) Bombardeo con partículas alfa (núcleos de Helio). Teñen carga positiva. Pero… ¿e o núcleo?, ¿é indivisible ? 1 Angstrom = m 6

O núcleo tamén se pode dividir! O núcleo está formado por protóns de carga +e, e neutróns sen carga m Pero… ¿e os protóns e neutróns?, (nucleóns) ¿son elementales? 7

u d u u d d Protón Neutrón Os nucleóns teñen constituíntes internos. 1 fermi = m Neutróns e protóns conteñen “quarks” up e down 8

CONFINAMENTO DOS QUARKS Os quarks non existen en estado libre. Se trato de separar dous quarks fórmanse hadrones (chorros de partículas) Hadrón E = mc 2 A enerxía pódese converter en masa 9

< m ? No hai evidencia experimental de que teñan estructura interna ¿TEÑEN ESTRUCTURA OS QUARKS? u d d ¿E os electróns?, ¿teñen estructura? Tampouco hai evidencia experimental 10

Hoxe sabemos que a materia (ordinaria) está feita de átomos. Os átomos están feitos de nucleóns (protóns e neutróns), e electróns. Os nucleóns están feitos de quarks. Os electróns e os quarks son as partes mais pequenas (elementales) da materia descubertas ata o momento… En resumen: 11

Podemos sustituir a tabla periódica dos elementos Pola primeira familia de quarks e leptóns 12

Os físicos descubriron cerca de 200 partículas… K 0 K - K +  +  0  -  0  +  -  +  -  -  ++   J  Hadróns     e       Leptóns … e mais e  Pero existen moitas mais partículas subatómicas: Hadróns: formadas por quarks Leptóns: como electróns pesados 13

6 QUARKS 6 LEPTÓNS A materia ordinaria está formada por quarks u e d, e por electróns Todas están constituidas polos seguintes ladrillos fundametales (Tódo-los hadróns están formados por combinacións de qq o qqq) As 3 familias _ (Indivisibles = elementales) 14

Ademáis, por cada partícula elemental hai unha antipartícula Electrón e - Anti- electrón e + (positrón) 15

¿Qué mantén unida a materia? Existen 4 interaccións (forzas) fundamentales na Natureza: Gravitatoria Electromagnética Forte Débil Interacción = atracción, repulsión, aniquilación ou desintegración As interaccións entre partículas prodúcense por intercambio dunhas partículas elementales chamadas BOSÓNS. 16

O fotón: Bosón mediador do EM A “luz” está formada por partículas chamadas fotóns O efecto fotoeléctrico: Un feixe de “luz” pode arrancar electróns da materia. Luz incidente Electróns arrancados Einstein (1905) 17

Bosóns gauge Fotóns: electromagnetismo W ±, Z 0 : forza nuclear débil Gluóns: forza nuclear forte Gravitóns: gravidade Son os mediadores das interaccións fundamentales 18 Descubertas no CERN en 1983

A tabla do Modelo Estándar 19

!Sorpresas Inesperadas! Só un 4% do contido do Universo é de tipo bariónico (a maioría protóns). Un 30% é Materia Oscura. Un 66% é Enerxía Oscura. Descoñecemos o 96% do contido do Universo 96% 20

21

22

23 No ano 1929 Edwin Hubble descubreu que as galaxias están alonxándose unhas das outras. Recentemente descubreuse que esta expansión está.... Evidencia de Enerxía Oscura: a expansión acelerada do Universo. ACELERÁNDOSE

¿Cómo se buscan os constituíntes elementais da materia? 24 Grandes experimentos en Física de Partículas

Aniquilación electrón-positrón e-e- e+e+     A aniquilación produce enerxía electrón (materia) Prodúcense novas partículas e antipartículas positrón (antimateria) e + e - → D + D - E = mc 2 A materia pódese converter en enerxía e viceversa: Excelente forma de producir novas partículas A masa é unha forma de enerxía. Nº de partículas = Nº antipartículas 25

¿Cánta enerxía ten a materia? + = 1 gramo de materia 1 gramo de antimateria Liberan unha enerxía equivalente á explosión dunha bomba atómica E = mc 2 26

1ª Acelerar partículas ata que alcancen grandes enerxías e facelas chocar entre elas ou contra un branco fixo. 2ª Estudar, utilizando detectores moi sofisticados, as partículas resultantes das colisións e sacar conclusións sobre a súa natureza e as interaccións que sinten. Dous pasos básicos 27

¿Por qué queremos acelerar partículas a altas enerxías? (1) Equivalencia ou dualidade onda-corpúsculo E = h c /   constante de Planck lonxitude de onda Canta máis enerxía, máis pequena é a lonxitude de onda asociada á partícula e poderemos ver estructuras máis pequenas (o interior dos quarks tal vez ? ) L. de Broglie (1924) 28

(2) Canta máis enerxía na colisión, máis partículas se van a formar, e máis pesadas. Nunha colisión de ións pesados (chumbo) fórmanse moitas máis partículas que nunha colisión e-e+. ¿Por qué queremos acelerar partículas a altas enerxías? 29

¿Por qué queremos acelerar partículas a altas enerxías? (3) Canta máis enerxía, máis densidade e temperatura. É o xeito de reproducir as condicións extremas que reinaron nas proximidades da orixe do Universo (Big Bang). Colisión de ións pesados Big Bang 30

Aceleración: Un campo eléctrico acelera as partículas cargadas 1 MeV = 10 6 eV 1 GeV = 10 9 eV 1 TeV = eV + - E Unidad de enerxía en Física de Partículas: 1 eV = Julios 31

B BB B Un campo magnético desvía as partículas cargadas en movimento F v + O radio da traxectoria circular é maior canto mais grande sexa a velocidade (enerxía) da partícula e menor canto maior sexa o campo magnético 32

Aceleradores Lineais SLAC (EEUU) 3.2 km !! e + e - E=20 GeV 3.2 km Largos e moi costosos: más enerxía canta maior lonxitude. 33

Aceleradores circulares O sincrotrón Auméntase progresivamente o campo magnético a medida que a enerxía da partícula aumenta. Desta forma consíguese que o radio da traxectoria circular se manteña constante e que dé moitas voltas acelerándose. zona de aceleración imán Enerxía limitada polas pérdidas de enerxía por radiación sincrotrón 34

LHC: Large Hadron Collider ATLAS ALICE LHCb CMS 35 Colisionador pp (hasta 14 TeV) LHC no CERN (entre Suiza e Francia)

36

CERN: Centre Europeene pour la Recherche Nucleaire 100 m LHC Large Hadron Collider ( )

Vista esquemática de ATLAS 38

Foto da montaxe de ATLAS 39

Foto da montaxe de CMS 40

Vista esquemática de LHCb 41

Foto da montaxe de LHCb 42

Detectores de partículas cargadas Principio básico: Cando unha partícula cargada pasa por un medio arranca electróns dos átomos (ioniza o medio). Obxectivo: Determinar traxectoria da partícula e, con axuda de campos magnéticos, deternimar a súa carga, momento, enerxía e masa. 43

Detectores multifío Georges Charpak (1968) Detectores de partículas cargadas O paso dunha partícula cargada ioniza o medio: os electróns arrancados son atraídos polos fíos e os ións polas placas. A corrente eléctrica producida é proporcional á enerxía perdida pola partícula no medio. A traxectoria da partícula coñécese a partir da posición dos fíos que rexistran corrente eléctrica. 44

Grandes complexos instrumentales de detectores Formados por “capas” de distintos tipos de detectores para identificar distintos tipos de partículas e medir a súa traxectoria e enerxía. 45

neutrino invisible 46 Cada tipo de partícula deixa unha “firma” distinta nas diferentes “capas” do detector.

Assembly team from Santiago at CERN B186Kulicke&Soffa 6090 automatic bonder Precision Pull-tester Detector plane after assembly: Realisation of several million bonds. Assembly took 2.5 years. Bonding must hold over 10 years. MICROSOLDADURA ESTACIÓNS IT DE LHCb 47

Instalación do Inner Tracker de LHCb Inserción no acelerador LHC en Abril de 2008 Observando a montaxe de un dos 12 boxes en Noviembre de

49 Fluxo de datos xerado polos experimentos do LHC

Análise de datos: a rede de computación GRID de LHC. A World Wide Web (inventada no CERN) posibilita o intercambio masivo de información localizada nos ordenadores de todo o planeta. O GRID (desenrolo liderado polo CERN) posibilita o aproveitamento da potencia de cálculo de ordenadores distribuidos por todo o planeta. As técnicas de computación GRID xurden para facer un uso homoxéneo de recursos de computación distrubuídos por todo o mundo. 50

Worldwide LHC Computing Grid Os experimentos producirán uns 15 Millones de Gigabytes de datos cada ano (mais de 5 millóns de DVDs !) A análise de datos do LHC necesita unha potencia de cálculo equivalente a ~100,000 dos procesadores comerciais máis rápidos de hoxe en día 51

Región SWE: PIC(Tier-1)&Tier-2s asociados Tier-1 para ATLAS, CMS e LHCb. Tamén frece servicios para outras disciplinas: Astrofísica, imaxe médica… Almacenamento, xestión e procesado de datos (TB-PB). Port d’Informació Científica * [PIC] Convenio Generalitat, CIEMAT, UAB, IFAE CESGA Centro de Supercomputación de Galicia (Xunta de Galicia, CSIC) Participa, xunto ca USC, no Tier-2 español de LHCb. Desenrola tamén diversos proxectos de investigación europeos sobre computación GRID (EGEE) 52 PIC [Barcelona] SWE region: Tier-2s asociados al Tier-1 PIC UB [Barcelona] IFCA [Santander] USC [Santiago] CESGA IFIC [Valéncia] UAM [Madrid] CIEMAT [Madrid] LIP [Coimbra] LIP [Lisboa] CMS: CIEMAT&IFCA – LIP_Lisbon&LIP_Coimbra ATLAS: IFAE&IFIC&UAM – LIP_Lisbon&LIP_Coimbra LHCb: USC&UB IFAE [Barcelona] CERN

53 Algunhas preguntas que o LHC espera contestar: ¿Cómo se xenera a masa das partículas elementais? ¿Existe(n) o(s) bosón(s) de Higgs. ¿Por qué a antimateria non se comporta como a materia? ¿Existe o plasma de quarks e gluóns? ¿Cántas dimensións ten o Universo? Dimensións extra: teoría de cordas. Unificación de todas as forzas da natureza. ¿Cál é a natureza da enerxía e da materia oscura? Quizais algunha outra cousa que nin siquera imaxinamos...

54 Mais información en: (Instituto Galego de Física de Altas Enerxías). (Departamento de Física de Partículas da USC). REMATEI

55

Aceleradores circulares ¿Cómo reducir as pérdidas de enerxía por radiación sincrotrón e alcanzar Enerxías maiores? Aumentando o radio de curvatura !! LHC no CERN (entre Suiza e Francia) 27 km de circunferencia !! Colisionador pp (hasta 14 TeV) Energía limitada por las pérdidas de energía por radiación sincrotrón 56

Aceleradores circulares O sincrotrón European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble (Francia) Interior do Proton Synchrotron no CERN Xenebra (Suiza) 57

Detectores de partículas cargadas Cámara de burbuxas Contén un líquido a moita presión e a punto de ferver. Cuando unha partícula o atravesa, o líquido comenza a ferver ó longo da traxectoria seguida pola partícula (fórmanse burbuxas de vapor). Faise unha fotografía das burbuxas e da análise da traxectoria pódense obter a carga eléctrica e o momento lineal da partícula. 58

Fontes de partículas Electróns: quéntase unha lámina metálica, os electróns libéranse dos átomos e extráense da lámina mediante unha corrente eléctrica. Protóns: lánzanse electróns contra átomos de hidróxeno. Estes electróns arrancan o único electrón do hidróxeno e quédanos un protón que se extrae mediante campos eléctricos e magnéticos. 59

¿Cómo producir antimateria? e - e - e - e + e + -  Fío de metal Rexión de campo magnético E  > poucos MeV m e c 2 = 0.5 MeV Antipartículas: un feixe de partículas enerxéticas golpea un branco e créanse pares de partículas e antipartículas que posteriormente poden ser separadas usando campo magnéticos. 60

Acelerador lineal: a TV de raios catódicos O voltaxe nunha TV é de 20 kiloVoltios = 20 mil Voltios. A enerxía dun electrón é polo tanto 20 keV. No acelerador lineal de SLAC (EEUU) a energía dun e - é 20 GeV = 1 millón de veces mayor que la de una TV. ! Un acelerador de partículas na miña propia casa ! 61

62 Algunhas preguntas que o LHC espera contestar: ¿Cómo se xenera a masa das partículas elementais? ¿Existe(n) o(s) bosón(s) de Higgs. ¿Cómo se xenera a masa observada no Universo? ¿Por qué a antimateria non se comporta como a materia? ¿Cál é a orixe da violación CP? ¿Existe o plasma de quarks e gluóns? ¿Cántas dimensións ten o Universo? Dimensións extra: teoría de cordas. Unificación de todas as forzas da natureza. ¿Cál é a natureza da materia oscura? ¿Cál é a natureza da enerxía oscura? Quizais algunha outra cousa que nin siquera imaxinamos...

CERN: Centre Europeene pour la Recherche Nucleaire 100 m LEP ( ) LHC (2008- ) LEP: Large Electron Positron collider 63

Aceleradores circulares Fonte de partículas Diferencia de potencial (alterna) O ciclotrón Campo magnético constante dirixido “hacia arriba” E. O. Lawrence (1927) En cada volta a partícula adquire enerxía. A enerxía máxima está limitada polo tamaño do ciclotrón. Vacío 64