Partícules elementals, i experiments d’Altes Energies

Masterclass "Hands on Particle Physics“, March 2008

Lluís Garridogarrido@ub.edu

http://www.ecm.ub.es/~garrido

Índex

1. Introducció a la física de partícules o d’Altes Energies

2.El laboratori Europeu de Física de partícules: CERN:L’accelerador LHC i els seus detectors (ATLAS, CMS,

LHCb i ALICE

3.Model Estàndard:Partícules Elementals i forces. Composició del cosmos.

Qüestions no resoltes per l’actual Model Standard

4. La física dels experiments de l’LHC:ATLAS, CMS, LHCb i ALICE

1) Introducció

Els elements ahir:

Avui creiem que els elements bàsics són les partícules anomenades electrons i quarks, i la partícula de llum anomenada fotó (i alguna cosa més).

Els elements avui:

les partícules: els elements bàsics de la natura

segle VI i V a.C.

L’univers conegut

Microscopis

L’ull

Binoculars

Acceleradorsi detectors

de partícules

Telescopis òptics, radio telescopis

Física de partícules mira la matèria a petites distàncies

Astrofísica mira la matèria a grans distàncies

Física experimental d’Altes energies (HEP)

OBJECTIU: estudiar les estructures fonamentals de la matèria.

COM?

Física de partícules o Física experimental d’Altes Energies

Raons per altes energies:•poder produir “noves” partícules amb gran massa (E=mc2)•focalitzar l’atenció a petites escales (λ=h/p)

2) El laboratori Europeu de Física de partícules: CERN

CERN: el laboratori de física de partícules més gran del mon

..... on la web va néixer !

CERN

3000 empleats6000 visitants(total 9000 registrats)20 estats membres+ US, Canadà, Japó , Rússia, Xina, Índia, ...

CERN

Large Hadron Collider

Cern

9 km

LHC: un accelerador de 27 km que entrarà en funcionament aquest any 2008

Dins d’aquest tub circularan protons en els dos sentits a 99.9997828% de la velocitat de la llum, i xocaran en el centre dels detectors.Un protó donarà unes 10000 voltes per segon (F.Alonso només 10 voltes per hora)

Algunes dades del LHC•Per mantenir aquests protons tan energètics en òrbites circulars, LHC necessita imants superconductors

La temperatura del sistema ha de ser de -271.1°C: només dos graus per sobre del zero absolut!La regió macroscòpica més freda de l’Univers!(temperatura de l’Univers -270.3°C)

•L'energia cinètica dels feixos de protons(~1 nanogram) equival a l’energia cinètica d’un cotxe a 1700 km/h

•L’energia emmagatzemada en els imants equivaldrà a la d’un portaavions a la velocitat de creuer(En el cas de produir-se un quench, quant un imant superconductor”passa a normal” deixant anar quantitats enormes d’energia, aquesta energia s’ha d’extreure de forma controlada per evitar danys ... )

1700 km/h

40 km/h

... I tot això quant costa?Uns 3000 milions d’euros(menys que un portaavions o un submarí nuclear).

El viatge dels protons a l’LHC

Els experiments de l’LHC

LHCb

CMS

ATLAS

ALICE

Mont Blanc

Leman lake Geneva airport

LHC

+ TOTEM i LHCf

CMS CMS 12500 tones , 21m x 15m x 15m12500 tones , 21m x 15m x 15m(pesa com la torre Eiffel)

35 estats35 estats150 universitats 150 universitats 2500 cient2500 cientííficsfics

ATLAS ATLAS 7000 tones, 46m x 25m x 25m7000 tones, 46m x 25m x 25m

14 estats14 estats46 universitats (UB)46 universitats (UB)660 cient660 cientííficsfics

LHCb LHCb 5600 tones, 21m x 10m x 13m 5600 tones, 21m x 10m x 13m

AliceAlice 10000 tones, 26m x 16m x 16m10000 tones, 26m x 16m x 16m

2 42 10 5 10partícules≈ ⋅ − ⋅

Adquisició de dades

40 milions de col·lisions per segon!!!

Succés típic (en aquest cas d’Alice)

i només 1 de cada 109-1012 col·lisions és interessant !!!!!

LHC i computació

Level 1 - Special HardwareLevel 2 - Embedded Processors

40 MHz 40 MHz (1000000 GB/sec)

(1000000 GB/sec)

Level 3 – Farm of commodity CPUs

75 KHz 75 KHz (75 GB/sec)

(75 GB/sec)5 KHz5 KHz (5 GB/sec)

(5 GB/sec)100 Hz 100 Hz (220 MB/sec)

(220 MB/sec)

Tots 4 detectors:700 MB/sec ~ 1CD/s ~ 15000000 GB/any

Europe: 300 institutes, 5000 usersElsewhere: 200 institutes, 2000 users

Planetary computing

La solució per processar totes les dades que es generaran a LHC :

El GRID: una xarxa mundial de més de 200000 pc’s

3) Model Estàndard: partícules elementals i forces

Com tenir un físic content?

Simplicitat(físics contents)

Complexitat(físics insatisfets)

Any

Quarks: composen la majoria de les noves particules!

Taula periòdica: suggereix estructura interna (estructura atòmica)Propietats partícules subatòmiques: suggereix estructura interna (quarks)

1930 1940 1950 1960

e+

nµ-

µ+π+, π-

K°, K+, K- π° Λ°Ξ-Σ+

Σ- p 0e

n

∑νΛ°Ξ°

Partícules observades desprès del 1930

Antimatèria un electró pesat que són totes aquestes? i això?

Vàrem passar de pensar que en hi havia només 3 (electró, protó i fotó) a tenir-ne 100, i cada una d’elles té la seva antipartícula (antimatèria)

Tenim també electrons mes pesats i neutrins.

es podem agrupar segons propietats similars (com la taula de Mendeleyev) indicant que poden tenir estructura interna

...... i moltes més

=

+

+The

Stan

dard

Mod

el

HIGGS

El Model Standard

Constituents considerats bàsics en aquest model:• Tres famílies de quarks (u,d,...) • Tres famílies de leptons (electró, neutrí electrònic,...) • Les partícules responsables de les interaccions fonamentals:

fotons(EM), gluons(forta), bosons W, Zº (dèbil)• La partícula Higgs, encara no descoberta, però explica les masses.+ l’antimatèria de les anteriors

infinit

10-15 cm

infinit

Infinit / 10-13 cm

Abast

Les 4 interaccions fonamentals i el mecanisme d’intercanvi

En una galàxia típica hi ha 10 000 milions d’estrelles, però la matèria fosca és 10 vegades la matèria visible.

Quines partícules constitueixen la matèria fosca?

Han de ser partícules bastant massives (>100 massa del protó?) i que interactuin poc:

CAP DE LES CONEGUDES!!!!

Qüestions no resoltes per l’actual Model Standard: Matèria Fosca

Observació de Hubble (USA, 1929)

Com més lluny esta la galàxia de nosaltres més ràpidament s’allunya.

L’Univers s’expandeix: L’Univers s’expandeix: evidèncie del Big Bang

milions d’anys

I million ly 2 million ly

Només coneixem el 5% de l’Univers

I a més a més existeix alguna cosa que accelera l’expansió de l’univers: energia fosca

Einstein:

¿La constant cosmològica?

¡L’ENERGÍA FOSCADOMINA L’UNIVERS!

…i no tenim ni idea del que pot ser !!!

L’Univers s’expandeix de forma accelerada!!!L’Univers s’expandeix de forma accelerada!!!

•SupersimetriaSimetria entre femions i bosons: cada partícula coneguda té el seu company supersimetric. Una d'aquestes partícules supersimètriques i que sigui neutre podria ser el candidat a matèria fosca.

•T.O.E. (Theories of Everything)Intenten unificar les interaccions conegudes, inclosa la gravetat (al voltant de 1019 GeV).

Més enllà del model Standard: Unificació de les forces conegudes

Una TOE popular són les cordes, que suggereix que totes les partícules observades són vibracions de supercordesd’uns 10-33

cm

Aquestes TOEs requereixen l’existència de dimensions extres que encara no s’han vist. En LHC podríem observar els seus efectes si tenen un tamany superior a un cert llinda.

4) Els experiments del LHC

ATLASCMSALICELHCb

El primersprotons Primers àtoms.

Univers transparent al fotons

Els primersestels

e = electróq = quark

= fotó

Experiments del LHC de propòsit general: ATLAS i CMS

•Origen de les masses : Higgs bosonLa teoria no prediu la seva massa, però sí el ritme de producció i modes de desintegració en funció de la massa.

ATLAS i CMS estan optimitzats per descobrir el Higgs en el seu esperat rang de massa: 0.1 TeV< MH < 1 TeV

hMesures de precisió de paràmetres del Model Standard

hMés enllà del model standar (supersimetria,....)

Usualment dues afirmacions són fetes • El LHC descobrirà el Higgs;• El LHC descobrirà supersimetria a baixa energia, si aquesta existeix. ( La primera és pràcticament certa, la segona és parcialment certa)

experiment dedicat a ions pesats

Física de les interaccions fortes entre matèria a densitats d’energia extremes

Els quarks i gluons que avui en dia estan confinats dins dels protons i neutrons, en densitats extremes d’energia estaran massa calents per mantenir-se junts. Aquest nou estat de la matèria es diu QuarkGluon Plasma, QGP

En els primers instant després del Big Bangl’energia era molt alta i teníem QGP

5.5TeV/ns ≈

El gran misteri:mirant cap a fora i endarrere en el temps .....

No hi ha evidencia d’igual contingut d’antimatèria i matèria en molts mils de milions d’anys llum en qualsevol direcció !!!!!

Experiment dedicat a estudiar la simetria matèria antimatèria

L'antimatèriaPaul Dirac va predir la seva existència en 1928 a partir de la seva famosa equació. Aquesta implicava l’existència del positró:Massa positró = massa de l’electróCàrrega elèctrica del positró = +e

Anderson descobrí en 1932 el positrópredit per Dirac

El nom misteriós d’antimatèria només ens diu que:si existeix un tipus de partícula amb una certa massa i càrrega (s), també existeix un altre tipus de partícula amb la mateixa massa però càrrega (s) oposada, a la que anomenarem antipartícula de la primera.

Producció d’antimatèria

E = mc2

Energia matèria + antimatèria

e-

e+

fotón

Foto en camera de bumbolles:las partícules carregades deixen traces que es corben degut a campsmagnètics. Segons la seva càrrega es desviaran cap a la dreta o cap a l’esquerra.

Einstein

Al CERN s’han arribat a produir àtoms d’antihidrogen

Aniquilació matèria-antimatèria

e+ e-

matèria + antimatèria Energia

mc2=E

En la foto es pot veure un positró que s’aniquila amb un electró en repos, apareixent un fotó que mes tard es materialitza en una parella e+e-

Positron emission tomography (PET)

Antimatèria en medicina

¿Donde ha ido la antimatèria?

energía ↔ materia + antimateria

El Univers esta fet de matèria

Les condicions de Sakharov (1964)Antimatèria pots transformar-se en matèria si:

•Big Bang•Desintegració del protó•Violació de la simetria matèria-antimatèria (CP)

La matèria i l’antimatèria van aparèixer després del Big Bang però ara només hi ha matèria.

¿Es comporten igual l’antimatèria i la

matèria?

¿Hi ha simetria matèria-antimatèria?

¿Simetria matèria-antimatèria (C)?Fem un experiment amb matèria:

NO. Per exemple hem observat que en experiments de col·lisió entre partícules on participen neutrins, no hi ha tal simetria.

¿Observen idèntics resultats si repetim el mateix experiment però ara amb antimatèria?

(boles, taula i tac de antimatèria)

Violació de la simetria C

¿Simetria matèria-antimatèria (CP)?¿S’observen idèntics resultats si fem la imatge especular de l’experimento però ara amb antimatèria?

SI Violació de la simetria CP

(rara però molt important para explicar el Gran Misteri…)

(fet d’antimatèria)

, casi sempre, però algun cop….

Fem un experiment amb matèria:

(boles, taula i tac de antimatèria)

.. això va permetre l’aparició d’un excés de matèria

Relíquies de la darrera batalla matèria-antimatèria que es va produir al inici del temps: 1) la radiació còsmica de fons2) la matèria de la que estem fets.1000000000+1 1000000000

Radiació de fons: detectada inicialment el 1964 per Penzias & Wilson (USA) I ambgran detall el 2003 pel satèl·lit WMAP

Es una radiació d’uns -270.3o C, que correspon a la radiació original, una vegada es va desacoblar de la matèria a uns 3000o C, i que s’ha refredat degut a l’expansió del Univers

LHCbLHCb14 estats14 estats46 universitats46 universitats660 cient660 cientííficsficsAlguns de la UBAlguns de la UB

Experiment dedicat a estudiar la simetria matèria antimatèria

... només 10 traces interessants i això passa 15 milions de cops per segon

... i serà fàcil?

•Origen de la massa de les partícules? (el Higgs?)

•Per què domina la matèria sobre l’antimatèria en el Univers?

•Són els quarks i leptons fonamentals, o són compostos?

•Hi ha més tipus de partícules i forces que seran descobertes a més altesenergies (supersimetria,...)? Hi han dimensions extres?

•Quines partícules formen la matèria fosca?

•Per què hi ha tres tipus de quarks i leptons de cada càrrega? Hi ha un patró en les seves masses?

•Com podem incloure la interacció gravitatòria en el Model Estàndard actual? Produirem petits forats negres?

•......................

Misteris en física de partículesque pot ajudar LHC a resoldre