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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
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II3
Modelo Estandar
Física de Partículas Experimental
Fenomenología
ÍndiceÍndice
Más allá
Agradecimientos: Alonso & Finn; Serway & Jewett; Halzen & Martin; WWW via Google.
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II4
Modelo Estandar
Física de Partículas Experimental
ÍndiceÍndiceFenomenología
Partículas y antipartículasMás partículasLeyes de conservaciónLeptones y Quarks
Más allá
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II5
Partículas y antipartículasPartículas y antipartículas
Positrones y otras antipartículasPositrones y otras antipartículas
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II6
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:
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II7
Modelo EstandarFísica de Partículas Experimental
ÍndiceÍndiceFenomenología
Partículas y antipartículasMás partículasLeyes de conservaciónLeptones y Quarks
Más allá
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II8
El Zoo de las PartículasEl Zoo de las Partículas
NeutrinosNeutrinos
qq=0 ; =0 ; mm 0 0
(Pauli) (Pauli)
11
·
hh
sphelicidad
S S
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II9
El Zoo de las PartículasEl Zoo de las Partículas
Partículas en los Rayos CósmicosPartículas en los Rayos Cósmicos
08
8
6
,;10;500:
;10;140:
;10;106:
KsMeVmK
sMeVm
esMeVm
KK
e
Rarito !!
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II10
Cámara de Niebla:Cámara de Niebla:Cámara de Burbujas:Cámara de Burbujas:
El Zoo de las PartículasEl Zoo de las Partículas
Detección de PartículasDetección de Partículas
Isotermas de AndrewsIsotermas de AndrewsCámara de Burbujas:Cámara de Burbujas:
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II11
El Zoo de las PartículasEl Zoo de las Partículas
Partículas InestablesPartículas Inestables
cteZ
cteQctepcteE
&#$$
;;
;10:
;10:
8
6
s
es e
.contTe
fixedT
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II12
El Zoo de las PartículasEl Zoo de las Partículas
Aceleradores: Aceleradores: más partículas, es la guerra !!!más partículas, es la guerra !!!
Física Cuántica IIFísica Cuántica II
Física de Partículas II
Juan Abel Barrio UñaUniversidad Complutense de Madrid, Mayo 2008
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II14
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
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II15
El Zoo de las PartículasEl Zoo de las Partículas
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 ??
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II16
El Zoo de las PartículasEl Zoo de las Partículas
Hadrones: Hadrones: mesones y barionesmesones y barionesNo puntualesDébil, EM, fuerte
Peso m
edio
Peso pesa
do
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Modelo Estandar
Física de Partículas Experimental
ÍndiceÍndiceFenomenología
Partículas y antipartículasMás partículasLeyes de conservaciónLeptones y Quarks
Más allá
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II19
– 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
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e
Le: 0 -1 0
epLe: 0 0 +1
Leyes de ConservaciónLeyes de Conservación
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
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II22
Leyes de ConservaciónLeyes de Conservación
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 !!
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II24
Modelo EstandarFísica de Partículas Experimental
ÍndiceÍndiceFenomenología
Partículas y antipartículasMás partículasLeyes de conservaciónLeptones y Quarks
Más allá
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II25
Leptones y Quarks Leptones y Quarks
Estructura de los hadronesEstructura de los hadrones
Rutherford 1912Rutherford 1912
ee--
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II26
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)
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II27
Leptones y Quarks Leptones y Quarks Quarks: Quarks: todos los saborestodos los sabores
barionbarion
mesonmeson
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II28
Leptones y Quarks Leptones y Quarks Quarks: Quarks: todos los colorestodos los colores
u
ExclusiónExclusión
CCoolloorr RR
GG
BB
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II29
Leptones y QuarksLeptones y Quarks
Resumen finalResumen final
1ª generación1ª generación
Materia Materia ordinariaordinaria
2ª generación2ª generación
Rayos Rayos cósmicoscósmicos
3ª generación3ª generación
AceleradoresAceleradores
0.1 GeV
4.5 GeV1.7 GeV
1.8 GeV 175 GeV
E = mc2
mp ~ 1 GeV
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Leptones y QuarksLeptones y Quarks
¿Sólo tres generaciones?¿Sólo tres generaciones?
00809842 . .N
¡¡ SÍ !!¡¡ SÍ !!todoeeLEP :
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II31
Leptones y QuarksLeptones y Quarks
Jerarquía de masas: Jerarquía de masas: Campo de HiggsCampo de Higgs
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II32
Leptones y QuarksLeptones y Quarks
¿ Y las fuerzas ?¿ Y las fuerzas ?
EMEM DEBILDEBIL FUERTEFUERTE
Mediadores Mediadores TQC TQC Modelo Estandar Modelo Estandar
Física Cuántica IIFísica Cuántica II
Física de Partículas III
Juan Abel Barrio UñaUniversidad Complutense de Madrid, Mayo 2008
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II34
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
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II35
Fenomenología
Física de Partículas Experimental
ÍndiceÍndice
Modelo EstandarDe la Mecánica Cuántica a QEDTeoría electrodébil: SU(2)xU(1), Higgs.QCDUnificación
Más allá
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II36
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
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II37
Teoría Cuántica de CamposTeoría Cuántica de Campos
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 ;;
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II39
Teoría Cuántica de CamposTeoría Cuántica de Campos
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
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II40
Teoría Cuántica de CamposTeoría Cuántica de Campos
2; MMM
cmd
ddiagrama
QED (continúa)QED (continúa)Diagramas de Feynman (de verdad):
s
eeQED 3
4 2
Amplitud
Sección eficaz
)(GeVs
(nb
)
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II42
Fenomenología
Física de Partículas Experimental
ÍndiceÍndice
Modelo EstandarDe la Mecánica Cuántica a QEDTeoría electrodébil: SU(2)xU(1), Higgs.QCDUnificación
Más allá
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II43
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
)
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II45
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
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II46
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)
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II48
Fenomenología
Modelo Estandar
ÍndiceÍndice
Física de Partículas Experimental AceleradoresDetectoresBeyond LHC
Más allá
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II49
Aceleradores de partículasAceleradores de partículas
ColisionadoresColisionadores
Baratos
Mult. pruebas:
– e+ e-,pp,+-,…_
Más energía
qqqqZZee 00
Radio de giro
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II51
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 !!
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II53
Detectores de partículasDetectores de partículas
Las capas de la cebollaLas capas de la cebolla
Compact Muon SolenoidCompact Muon Solenoid
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II54
Detectores de partículasDetectores de partículas
CMS en acciónCMS en acción
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II55
Fenomenología
Modelo Estandar
ÍndiceÍndice
Física de Partículas Experimental AceleradoresDetectoresBeyond LHC
Más allá
Juan Abel Barrio Uña, UCM, Mayo 2008 Física de Partículas, Física Cuántica II58
Asimetría materia-antimateria
Oscilaciones y masas de neutrinos
Origen de la masa: Higgs
Mas alláMas allá
SUSY, Gran unificación, supercuerdas …
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