Fsica de partcules

1
Física de partícules

• del Big Bang al World Wide Web

Gonzalo Merino, merino_at_pic.es Dia de la Ciència a
les Escoles 2008 Manlleu, 19 de Novembre 2008
2
De què estan fetes totes les coses?

• Tal vegada la pregunta que lhome es fa des de fa
  més temps
• Segurament lhome dAtapuerca ja sho preguntava
• Encara avui, molts científics segueixen fent-se
  la mateixa pregunta

3
Primeres respostes filòsofs grecs
Empèdocles (490-430 AC) tota matèria es composa
de quatre elements aire, agua, terra, foc

• Demòcrit (450 AC) introduí la idea dàtom com a
  partícula indivisible i immutable

4
Lestructura de làtom

• El 1904, Joseph John Thomson, físic britànic,
  pensava que a làtom els electrons sencastaven
  en una massa de càrrega positiva pudding de
  panses.

El neozelandès Ernest Rutherford (1912), el seu
deixeble, va demostrar que els àtoms estan quasi
buits un petit nucli positiu i els electrons
orbitant al seu voltant.
5
Nucleons i Quarks

• Alguns anys més tard es va veure que el nucli
  estava format per dos tipus de partícules els
  protons i els neutrons.
• Sobre els anys 50 es va descobrir que els protons
  i els neutrons tampoc són partícules
  indivisibles estan formats de quarks.

6
De què estan fetes totes les coses?

• Tot el que ens envolta està fet de tres
  partícules elementals

• electrons
• quarks up (amunt)
• quarks down (avall)

7
Partícules Elementals

• Els electrons, així com els protons i els
  neutrons que estan formats de quarks amunt i
  avall, són partícules estables.
• Coneixem altres partícules elementals que són
  inestables es desintegren en fraccions de segon.

• Per què la natura es construeix daquesta manera?
  Per què aquest patró de 12 partícules, 8 de les
  quals semblen inútils, permet construir tot
  lUnivers?
• No en tenim ni idea. Aquesta és una de les gran
  preguntes.

8
Les Forces de la Natura

• Tal vegada la segona pregunta fonamental que es
  va fer lhome dAtapuerca, després de pensar una
  estona en de què estaven fetes les coses
• Per què les coses cauen al terra?

• El 1687 langlès Isaac Newton formula la 1a
  teoria universal de la gravetat
• La força que ens manté enganxats al terra és la
  mateixa que la que mou els astres a lUnivers.

9
Les Forces de la Natura

• Durant els segles XVIII y XIX, amb lestudi de la
  química i els àtoms, es conegueren lelectricitat
  i el magnetisme.

• Més tard es va veure que eren dues manifestacions
  duna mateixa força
• El 1865, lescocès James Maxwell va formular les
  equacions de la força electromagnètica.

Responsable de que les càrregues oposades
satraguin els imants de la nevera saguantin la
brúixola funcioni, els mòbils ... i que no
puguem creuar la paret!
10
Les Forces de la Natura

• S. XX es postula lexistència duna 3a força la
  força forta.
• Necessària per a mantenir units els protons en el
  nucli de làtom. Es va anomenar així perquè havia
  de ser més forta que la força electromagnètica,
  que els separaria.
• També en el S. XX, i gràcies a lestudi de la
  radioactivitat, es descobreix una quarta força
  la força feble.
• Responsable de què el sol brilli.

11
Les quatre forces
12
El Model Estàndard de la Física de Partícules

• Neix en els anys 60, una de les teories
  científiques que sha comprovat amb més
  exactitud.
• Unifica tres de les quatre forces conegudes
  totes menys la gravetat.
• Descriu les forces com a interaccions entre les
  partícules.
• Postula que aquesta interacció es produeix
  mitjançant lintercanvi dun nou tipus de
  partícula els bosons.

Bosons Portadors de Força
Leptons Quarks
13
Com es busca avui en dia la resposta a aquestes
preguntes fonamentals?
14
El CERN

• El Laboratori Europeu de Física de Partícules. Es
  va crear fa més de 50 anys per a reconstruir la
  comunitat científica europea després de la 2a
  guerra mundial.
• En les seves installacions shan fet diferents
  experiments per a posar a prova el Model
  Estàndard.

• La seva seu està a Ginebra, Suïssa
• 20 països membres
• Més de 10.000 científics i enginyers duns 80
  països treballen en els experiments del CERN

15
LHC El Large Hadron Collider

• Laccelerador de partícules més potent del món
• Túnel de 27 Km de perímetre, 100 m sota terra
• Els feixos de protons sacceleren fins un
  99,9999991 de la velocitat de la llum

40 milions de collisions per segon en quatre
punts de lanella on shan installat els
detectors Imants superconductors a -271 oC (més
fred que a lespai exterior) Buit de 10-13
atmosferes dins el tub pel que circulen els
feixos
16
Collisions a lLHC
2835 núvols per feix 100 mil milions de protons
per núvol
40 milions/seg
1000 milions/seg
Energia de cada protó 7 TeV
17
Collisions a lLHC
2835 núvols per feix 100 mil milions de protons
per núvol
40 milions/seg
1000 milions/seg
Energia de cada protó 7 TeV
18
Acceleradors de Partícules

• Per accelerar partícules necessito donar-les una
  empenta.
• Per què lLHC és un accelerador circular?
• En un accelerador lineal només podrem donar unes
  quantes empentes a les partícules abans
  darribar al final del tub.
• Per això construïm acceleradors circulars amb
  les partícules girant a lanella, podem donar
  tantes empentes com necessitem. Cada cop
  tindran més energia.
• Com donem una empenta a una partícula?
• Ho fem amb partícules carregades, fent servir
  camps elèctrics.

• Com la fem girar?
• Desviem la seva trajectòria fent servir camps
  magnètics.

19
Per què collisions a alta energia?

• Probablement un dels conceptes més fonamentals de
  la física experimental de partícules.
• La resposta està en dues equacions, en les que se
  sosté pràcticament tota la física moderna. Fàcils
  descriure, difícils dentendre.

• Una partícula accelerada a alta energia ens
  permet explorar interaccions a distàncies molt
  petites (? 1/E)
• Lenergia es pot transformar en matèria, i
  viceversa (E mc2)

20
Com ho fem per mirar què passa quan xoquen dos
protons?
21
Detectors
ATLAS
LHCb
ALICE
Els feixos de protons es fan xocar a quatre punts
de lanella, on es colloquen detectors de
partícules
CMS
22
El detector CMS

• 15 m de diàmetre
• 22 m de llarg
• 12500 tones
• 3600 científics
• 183 institucions
• 38 països

23
Detectors de partícules

• Com a resultat de la collisió es produeixen
  altres partícules, que són les que sestudien
• Els detectors enregistren el senyal de les
  partícules quan aquestes els travessen.
  Bàsicament tenim dos tipus de senyals

2) Mesura de lenergia de les partícules per
absorció (calorímetres)
1) Traces que indiquen les trajectòries seguides
per les partícules (ionització)
24
El detector CMS subdetectors
Solenoide Superconductor
Detector de Traces
Calorímetre Electromagnètic
Calorímetre Hadrònic
Cambres de Muons
25
Enregistrant collisions
Els detectors de lLHC tenen uns 100 milions de
sensors

• Com càmeres
• fotogràfiques de 100 Mpix prenent 40 milions de
  fotografies cada segon,
• per enregistrar les partícules que surten de les
  collisions

26
Muntanyes de dades

• Cada detector fotografiarà 40 milions de
  collisions per segon generant 80 mil Gigabytes
  de dades cada segon

Si volguéssim guardar aquestes dades ens caldrien
120.000 CDs Una pila de 140 metres cada segon!
27
Filtrant les dades
Pila de CDs amb un any de dades de lLHC ( 20 Km)

• Aquesta quantitat de dades és immanejable
• Per sort podem llençar la majoria de les
  collisions
• Cal que seleccionem les més interessants
• Això es fa amb un filtre format per sistemes
  electrònics i informàtics molt complexes
• Ens quedem amb 1 de cada 200.000 collisions

Concorde (15 Km)
Filtro o Trigger
40 milions collisions/seg
200 / seg
Mt. Blanc (4.8 Km)

• Després del filtre, els detectors de lLHC
  generaran 1 GB de dades cada segon

28
1956 El primer disc dur
La tecnologia dels discs durs ha evolucionat de
forma impressionant des que van aparèixer els
primers models a mitjans dels 50
4,4 MegaBytes!
Any 1956, IBM 305 RAMAC
29
Física aplicada Nobel 2007
El premi nobel de física de 2007 va ser per dos
físics que van descobrir el fenomen de la
magnetoresistència gegant Permet construir
capçals de discs durs amb una mida de 50
milionèsimes de millímetre Unes 2000 vegades més
prim que un cabell El capçal dun disc dur és
extremadament ràpid i precís Equival a un avió
supersònic volant a un metre del terra i contant
les fulles de gespa que sobrevola
30
El Grid de lLHC
Permet sumar la potència de 150 centres
informàtics de tot el món Un investigador, des
del seu ordinador podrà accedir de forma
transparent als milions de Gigabytes de dades de
lLHC i a centenars de milers dordinadors per
analitzar-les
31
La Física de lLHC

• mirant de respondre a les preguntes fonamentals
  sobre el nostre Univers

32
La massa de les partícules

• Massa gravitacional intensitat de latracció
  gravitatòria
• Massa inercial resistència a lacceleració (F
  ma)
• Equivalència massa inercial i massa gravitacional
• Física de partícules cada partícula té la seva
  massa
• És un paràmetre que cal posar a mà a la teoria.
  
• Don ve aquesta massa?
• Solució del Model Estàndard el camp de Higgs, la
  partícula Higgs

33
(No Transcript)
34
(No Transcript)
35
(No Transcript)
36
(No Transcript)
37
(No Transcript)
38
Misteris foscos de lUnivers

• De què està fet lUnivers?
• Tota la matèria visible de lUnivers representa
  només un 4
• La majoria de lUnivers està fet de substàncies
  invisibles als telescopis

• 26 matèria fosca
• Rotació de les galàxies ...
• LHC noves partícules que puguin formar aquesta
  matèria?
• 70 energia fosca
• Expansió accelerada de lUnivers
• LLHC no detectarà energia fosca

39
Vivim realment en 3 dimensions?

• Teoria de supercordes
• Model unificat de partícules i forces
• Idea radical
• Les partícules elementals no són punts sino
  cordes que vibren
• Partícules i forces són diferents modes de
  vibració de la corda

• Aquesta teoria només funciona si vivim en 9
  dimensions espacials
• Les dimensions extra son extremadament petites
  no es veuen
• Teoria especulativa, amb estructura matemàtica
  molt complicada
• Com detectar els efectes de dimensions extra?

40
Com detectar els efectes de dimensions extra?

• Noves partícules molt massives
• Partícules i energia que desapareixen o
  apareixen passen del mon normal 3D a altres
  dimensions

• Micro-forats negres Efecte espectacular però
  molt especulatiu
• Atracció gravitatòria molt forta en dimensions
  extra tan petites
• LLHC i la fi del mon
• Raigs còsmics dalta energia un milió
  dexperiments LHC
• Teoria molt especulativa
• Desintegració immediata i innòcua en moltes
  partícules

41
Breu història de lUnivers
Fa 13.700 milions danys Només hi havia
energia
42
Breu història de lUnivers
Fa 13.700 milions danys Només hi havia
energia
Sopa de quarks i gluons
43
Breu història de lUnivers
Fa 13.700 milions danys Només hi havia
energia
Sopa de quarks i gluons
0.00001 s 10000C Els quarks formen protons i
neutrons
44
Breu història de lUnivers
Fa 13.700 milions danys Només hi havia
energia
Sopa de quarks i gluons
0.00001 s 10000C Els quarks formen protons i
neutrons
380.000 anys 3000C Protons i electrons formen
àtoms dhidrogen LUnivers es fa transparent als
fotons
45
Breu història de lUnivers
Fa 13.700 milions danys Només hi havia
energia
Sopa de quarks i gluons
0.00001 s 10000C Els quarks formen protons i
neutrons
380.000 anys 3000C Protons i electrons formen
àtoms dhidrogen LUnivers es fa transparent als
fotons
500 milions danys -250C Es formen les
galàxies
46
Veient el passat

• Imatge del cel presa pel telescopi Hubble entre
  2003 i 2004
• 10.000 galàxies, algunes son les més antigues mai
  observades
• Tal i com eren només 500 milions danys després
  del Big Bang

47
Fotografia de la infantesa de lUnivers

• Uns 380.000 anys després del Big Bang
• T 3000 K protons i electrons es combinen per a
  formar àtoms dhidrogen
• LUnivers es torna transparent
• La llum més antiga que podem captar mirant a
  lespai

48
Els xocs entre partícules que provoquem a lLHC
tenen una energia equivalent a una temperatura
mil milions de vegades més alta que la del centre
del Sol.
Equivalent a les condicions que hi havia a
lUnivers primitiu, només una mil milionèsima de
segon després del Big Bang.
49
Per què tot això és important?

• Lhome des dels inicis dels temps té curiositat i
  mira dentendre allò que lenvolta.
• Coneixement com a fi en si mateix.

Malgrat que àrees de la ciència com la física de
partícules poden semblar desconnectades de la
vida quotidiana, sovint acaben tenint aplicacions
que no haguéssim imaginat ...
50
Ciència Bàsica Font dInnovació

• Un descobriment científic en un principi molt
  abstracte i deslligat del món quotidià, pot
  acabar formant part del nostre dia a dia
• Podem trobar exemples illustratius daixò
• Lelectromagnetisme pura teoria en època de
  Faraday i Maxwell, és avui la base dels mòbils,
  microones, TVs, etc.
• Relativitat General també pura teoria quan
  Einstein va descobrir que el temps passa més a
  poc a poc a la superfície de la Terra que quan
  ens allunyem.

Els GPS actuals no funcionarien sense tenir en
compte aquest efecte.
51
Ciència Bàsica Motor Tecnològic

• Per a fer recerca bàsica hem de construir
  instruments extremadament complicats, al límit de
  les tecnologies actuals
• Molts dels instruments que shan creat
  inicialment per fer recerca bàsica, acaben tenint
  un gran impacte a la nostra vida quotidiana

Els acceleradors i detectors de partícules
desenvolupats als laboratoris de física ara es
fan servir cada dia als hospitals hadroteràpia,
PET.
El World Wide Web es va inventar al CERN al
principis dels 90 com una eina per compartir
informació entre els investigadors. Des
daleshores, ha revolucionat la forma en que ens
comuniquem i treballem.
52
Gràcies