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Física de partículas elementales David G. Cerdeño
Basado en transparencias de Carlos Pena Introducción a la Física de Partículas Elemementales y Teoría de Cuerdas CTIF 3 - 24 Febrero 2014 Saturday, 8February, 2014
Plan Introducción: escalas de espacio y de energía en Física Fundamental. Física Cuántica y Relatividad Especial. Las preguntas revolucionarias. Dirac y la Mecánica Cuántica Relativista. Las interacciones nucleares débil y fuerte: neutrinos y mesones. Interludio: diagramas de Feynman. Teoría Cuántica de Campos. Efectos cuánticos y fuerzas fundamentales. Infinitos y Guerras. La Edad de Plata: Electrodinámica Cuántica y leyes fundamentales. Simetrías: la Edad de Oro. El Camino Óctuple: Quarks. La interacción electrodébil: corrientes neutras. Más infinitos. El Modelo Estándar de la Física de Partículas. Saturday, 8February, 2014
Plan Introducción: escalas de espacio y de energía en Física Fundamental. Física Cuántica y Relatividad Especial. Las preguntas revolucionarias. Dirac y la Mecánica Cuántica Relativista. Las interacciones nucleares débil y fuerte: neutrinos y mesones. Interludio: diagramas de Feynman. Teoría Cuántica de Campos. Efectos cuánticos y fuerzas fundamentales. Infinitos y Guerras. La Edad de Plata: Electrodinámica Cuántica y leyes fundamentales. Simetrías: la Edad de Oro. El Camino Óctuple: Quarks. La interacción electrodébil: corrientes neutras. Más infinitos. El Modelo Estándar de la Física de Partículas. Saturday, 8February, 2014
El sentido de la pregunta: escalas de longitud
Saturday, 8February, 2014
El sentido de la pregunta: escalas de energía
hc Eγ = hν = λ
Planck / Einstein: cuantización de la luz
h λ = p
de Broglie: dualidad onda/partícula Saturday, 8February, 2014
El sentido de la pregunta: escalas de energía
hc Eγ = hν = λ
Planck / Einstein: cuantización de la luz
Energía ⇆ 1/Longitud (∆E) (∆x) ≈ � c
h λ = p
de Broglie: dualidad onda/partícula Saturday, 8February, 2014
El sentido de la pregunta: escalas de longitud y energía
10 keV/(hc)
Saturday, 8February, 2014
100 MeV/(hc)
� 1 GeV/(hc)
Saturday, 8February, 2014
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El sentido de la pregunta: escalas de longitud y energía
10 keV/(hc)
Electromagnetismo
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100 MeV/(hc)
� 1 GeV/(hc)
Interacciones nucleares débil y fuerte
Mecánica Cuántica y Relatividad Especial
mecánica relativista / e.m. clásico
mecánica newtoniana S∼ħ
acción (E x t)
6. ¿Cómo hacer compatibles la mecánica cuántica y la relatividad especial?
mecánica cuántica v∼c velocidad
Saturday, 8February, 2014
Mecánica Cuántica y Relatividad Especial
mecánica newtoniana
mecánica relativista / e.m. clásico
mecánica cuántica
teoría cuántica de campos
S∼ħ
acción (E x t)
6. ¿Cómo hacer compatibles la mecánica cuántica y la relatividad especial?
v∼c velocidad Energía ⇆ 1/Longitud: Física Fundamental Saturday, 8February, 2014
La interacción nuclear débil: neutrinos
? Is energy not conserved in the process?
“I have hit upon a desperate remedy to save the "exchange theorem" of statistics and the law of conservation of energy. Namely, the possibility that there could exist in the nuclei electrically neutral particles, that I wish to call neutrons, which have spin 1/2 and obey the exclusion principle and which further differ from light quanta in that they do not travel with the velocity of light. The mass of the neutrons should be of the same order of magnitude as the electron mass and in any event not larger than 0.01 proton masses. The continuous beta spectrum would then become understandable by the assumption that in beta decay a neutron is emitted in addition to the electron such that the sum of the energies of the neutron and the electron is constant...” Pauli 1930 Saturday, 8February, 2014
Detection of the Fr Neutrino: a Confirmatio La interacción nuclear débil: neutrinos
C. L. Cowan, Jr., F. Reines, F. B. Harri H. W. Kruse, A. D. McG
A tentative identification the free Neutrino: partícula de masa muyofpequeña utrinoque se lleva made la energíain sobrante. was an experiment rformed at Hanford (1) in 1953. In t work the reaction Detectado directamente sólo en 1956. vSaturday, 8February, 2014
+ p+__4 O+ + no
(1)
work was done confirms the results obt and so verifies the ne suggested by Pauli (4) Pauli 1930 in Fermi a quantitative theory 1934 Fermi (5). present
Detection of the Fr Neutrino: a Confirmatio La interacción nuclear débil: neutrinos
C. L. Cowan, Jr., F. Reines, F. B. Harri H. W. Kruse, A. D. McG
A tentative identification the free Neutrino: partícula de masa muyofpequeña utrinoque se lleva made la energíain sobrante. was an experiment rformed at Hanford (1) in 1953. In t work the reaction Detectado directamente sólo en 1956. vSaturday, 8February, 2014
+ p+__4 O+ + no
(1)
work was done confirms the results obt and so verifies the ne suggested by Pauli (4) in a quantitative theory Fermi (5). present
La interacción nuclear débil: neutrinos
Saturday, 8February, 2014
La interacción nuclear fuerte: mesones de Yukawa Interacción electromagnética: fuerza mediada por fotones (luz).
Interacción nuclear débil: teoría de Fermi.
Interacción nuclear fuerte: ¿cómo permanecen unidos los protones y los neutrones, venciendo la repulsión electromagnética?
Saturday, 8February, 2014
La interacción nuclear fuerte: mesones de Yukawa Fuerza nuclear mediada por una partícula hipotética (“mesón”).
Yukawa 1934
Interacción nuclear fuerte: ¿cómo permanecen unidos los protones y los neutrones, venciendo la repulsión electromagnética?
Saturday, 8February, 2014
La interacción nuclear fuerte: mesones de Yukawa Fuerza nuclear mediada por una partícula hipotética (“mesón”).
Yukawa 1934
¿Es posible detectar estos mesones fuera del medio nuclear?
Anderson, Neddermeyer 1936
¿Muones? Saturday, 8February, 2014
La interacción nuclear fuerte: mesones de Yukawa Fuerza nuclear mediada por una partícula hipotética (“mesón”).
Yukawa 1934
¿Es posible detectar estos mesones fuera del medio nuclear?
Powell, Lattes, Occhialini et al. 1947
¿Piones? Saturday, 8February, 2014
Mecánica Clásica, Teoría Cinética, Thermodinámica
Boltzmann
Maxwell
Partículas 1895
1900
Movimiento Browniano
1905
191 0
Átomo Núcleo
1920
1940 1950
1970
!-
Rayos cósmicos
Desintegración betai Mesones de Yukawa
QED -
Zoo de partículas
Violación de P, C, CP
Relatividad General
Cámara de niebla
Galaxias ; Universo en expansión; modelo del Big Bang
Ciclotrón
Materia oscura
"µ
"!
d
s
c MODELO ESTÁNDAR b
Higgs
Unificación electrodébil Color QCD
Gran unificaci’on? Supersimetría? Supercuerdas?
g W
1990
Nucleosíntesis cosmológica
Bosones W
"e u
Aceleradores
Geiger
!
!
200 0
Detectores
Fusión nuclear
-
1980
Relatividad especial
µ-
p
1960
Fuerte
Tecnología
Radioactividad
Fotón
Dirac Antimateria
n
e+
Débil
Mecánica Cuántica Onda / partícula Fermiones / Bosones
p+
1930
Universo
Campos Electromagnético
e-
Newton
Fondo de radiación de microondas
Cámara de burbujase Cámara de hilos
Aceleradores e+e Enfriamiento de haces
Online computers
Inflación
Z
3 familias
Sincrotrón
Inhomgeneidades del fondo de microondas
Detectores modernos
Aceleradores p+pWWW
t Energía oscura Masas de neutrinos
2010 Saturday, 8February, 2014
GRID
Plan Introducción: escalas de espacio y de energía en Física Fundamental. Física Cuántica y Relatividad Especial. Las preguntas revolucionarias. Dirac y la Mecánica Cuántica Relativista. Las interacciones nucleares débil y fuerte: neutrinos y mesones. Interludio: diagramas de Feynman. Teoría Cuántica de Campos. Efectos cuánticos y fuerzas fundamentales. Infinitos y Guerras. La Edad de Plata: Electrodinámica Cuántica y leyes fundamentales. Simetrías: la Edad de Oro. El Camino Óctuple: Quarks. La interacción electrodébil: corrientes neutras. Más infinitos. El Modelo Estándar de la Física de Partículas. Saturday, 8February, 2014
Interludio: diagramas de Feynman
Instrumento gráfico para entender interacciones (suficientemente débiles) como intercambio de partículas virtuales.
∆E ∆t ≥ � E = mc2
Feynman, c. 1944 (Manhattan Project)
Saturday, 8February, 2014
Interludio: diagramas de Feynman er contribution Fig. 8 may be written in the form (see below)
1 , 2
Cualquier proceso se puede escribir como suma de todos los diagramas posibles, en una expansión en que cada orden es proporcional a g2n: serie(49) de potencias.
famous result of Schwinger from 1948 [52]. γ
γ %
%
niversal lowest order QED contribution to a! .
agrams shown in Fig. 9 which contribute to aµ . The first 6 diagrams, ns to the external muon string of lines contribute to the universal et of diagrams and yield the result Saturday, 8February, 2014
Interludio: diagramas de Feynman er contribution Fig. 8 may be written in the form (see below)
1 , 2
Cualquier proceso se puede escribir como suma de todos los diagramas posibles, en una expansión en que cada orden es proporcional a g2n: serie(49) de potencias.
famous result of Schwinger from 1948 [52]. γ
γ %
%
niversal lowest order QED contribution to a! .
agrams shown in Fig. 9 which contribute to aµ . The first 6 diagrams, ns to the external muon string of lines contribute to the universal et of diagrams and yield the result Saturday, 8February, 2014
Interludio: diagramas de Feynman ording er contribution to Eq. (70) Fig.the 8 may leading be written order contribution in the form Fig. (see 8below) may be written
1 " Cualquier proceso se puede escribir como suma de todos los diagramas 1 (2) QED α α 1 posibles, en que cada de a!, = en una dx expansión (1 − x) = , orden es proporcional a g2n: serie(49) 2 π π 2 potencias. 0
famous is trivial result to evaluate. of Schwinger This from is the1948 famous [52].result of Schwinger from 1948 γ
γ
g0
γ %
%
g
g
γ %
g2
%
niversal lowest order QED Fig. contribution 8. The universal to a! . lowest order QED contribution to a
wo agrams loopsshown in QED in Fig. there 9 are which the contribute 9 diagrams to shown a . The in Fig. first 9 6 which diagrams, contrib 2 4 6 µ A = A0 + A1g + A2g + A3g + ... nshave to the attached external twomuon virtual string photons of lines to the contribute externaltomuon the universal string of lin et They of diagrams form a gauge and yield invariant the result subset of diagrams and yield the result Saturday, 8February, 2014
Interludio: diagramas de Feynman
1)
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3)
g4 4)
5)
6)
µ γ
e
τ
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γ
µ
γ
Diagrams 1-7 represent the universal second order contribution to aµ , diagram 8 yields the “light”, diagra Saturday, 8February, 2014
Interludio: diagramas de Feynman
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g6
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Interludio: diagramas de Feynman
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Plan Introducción: escalas de espacio y de energía en Física Fundamental. Física Cuántica y Relatividad Especial. Las preguntas revolucionarias. Dirac y la Mecánica Cuántica Relativista. Las interacciones nucleares débil y fuerte: neutrinos y mesones. Interludio: diagramas de Feynman. Teoría Cuántica de Campos. Efectos cuánticos y fuerzas fundamentales. Infinitos y Guerras. La Edad de Plata: Electrodinámica Cuántica y leyes fundamentales. Simetrías: la Edad de Oro. El Camino Óctuple: Quarks. La interacción electrodébil: corrientes neutras. Más infinitos. El Modelo Estándar de la Física de Partículas. Saturday, 8February, 2014
Efectos cuánticos y fuerzas a larga distancia
Una carga, al propagarse en un campo e.m., absorbe y reemite fotones continuamente.
Saturday, 8February, 2014
Efectos cuánticos y fuerzas a larga distancia
Una carga, al propagarse en un campo e.m., absorbe y reemite fotones continuamente.
El cálculo de todos los diagramas posibles da la probabilidad de que un fotón emitido por una carga sea absorbido por otra carga a una distancia r.
qq � V (r) = c 2 r
Ley de Coulomb
Saturday, 8February, 2014
Efectos cuánticos y fuerzas a larga distancia
Idem para otras fuerzas
El cálculo de todos los diagramas posibles da la probabilidad de que un fotón emitido por una carga sea absorbido por otra carga a una distancia r.
−mr e V (r) = −g 2 r
Yukawa 1934
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Potencial de Yukawa
Infinitos y Guerras La ecuación de Dirac no proporciona una descripción completa de la electrodinámica: la reacción del campo electromagnético sobre las cargas eléctricas genera divergencias (efectos no físicos).
Saturday, 8February, 2014
Infinitos y Guerras La ecuación de Dirac no proporciona una descripción completa de la electrodinámica: la reacción del campo electromagnético sobre las cargas eléctricas genera divergencias (efectos no físicos). No es un problema nuevo: autointeracciones en electrodinámica clásica.
mem =
�
E2 q2 dV = 2 8πre
La contribución a la masa del electrón asociada a su interacción con un campo electrostático diverge si el electrón es puntual.
−15 mem = mphys ⇒ r ≈ 2.8 × 10 m e e
Abraham, Lorentz c. 1900
Tamaño típico de un núcleo atómico Saturday, 8February, 2014
Universal Contributions Infinitos y Guerras
der cording contribution to Eq. (70) Fig.the 8 may leading be written order contribution in the form Fig. (see 8below) may be written
La ecuación de Dirac no proporciona una descripción completa de la electrodinámica: "1 la reacción del campo electromagnético sobre las cargas eléctricasαgenera divergencias (efectos 1 (2) QED α 1 no físicos).
a!, 2
=
dx (1 − x) =
π
π 2
(49)
,
Ocurre lo 0mismo para las correcciones asociadas a partículas virtuales que generan hfamous is trivial result to“loops”. evaluate. of Schwinger This from is the1948 famous [52].result of Schwinger from 1948
γ
γ
g0
γ %
%
g
g
γ %
g2
%
universal lowest order QED Fig. contribution 8. The universal to a! . lowest order QED contribution to
two iagrams loopsshown in QED in Fig. there9 are which thecontribute 9 diagramstoshown aµ . The in Fig. first 96 which diagrams, contrib hnshave to the attached external twomuon virtual string photons of lines to the contribute externaltomuon the universal string of lin Saturday, 8February, 2014
Universal Contributions Infinitos y Guerras
der cording contribution to Eq. (70) Fig.the 8 may leading be written order contribution in the form Fig. (see 8below) may be written
La ecuación de Dirac no proporciona una descripción completa de la electrodinámica: "1 la reacción del campo electromagnético sobre las cargas eléctricasαgenera divergencias (efectos 1 (2) QED α 1 no físicos).
a!, 2
=
dx (1 − x) =
π
π 2
(49)
,
Ocurre lo 0mismo para las correcciones asociadas a partículas virtuales que generan hfamous is trivial result to“loops”. evaluate. of Schwinger This from is the1948 famous [52].result of Schwinger from 1948
γ
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g0
γ %
%
g
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%
universal lowest order QED Fig. contribution 8. The universal to a! . lowest order QED contribution to
∞
two iagrams loopsshown in QED in Fig. there9 are which thecontribute 9 diagramstoshown aµ . The in Fig. first 96 which diagrams, contrib hnshave to the attached external twomuon virtual string photons of lines to the contribute externaltomuon the universal string of lin Saturday, 8February, 2014
Universal Contributions Infinitos y Guerras
der cording contribution to Eq. (70) Fig.the 8 may leading be written order contribution in the form Fig. (see 8below) may be written
La ecuación de Dirac no proporciona una descripción completa de la electrodinámica: "1 la reacción del campo electromagnético sobre las cargas eléctricasαgenera divergencias (efectos 1 (2) QED α 1 no físicos).
a!, 2
=
dx (1 − x) =
π
π 2
(49)
,
Ocurre lo 0mismo para las correcciones asociadas a partículas virtuales que generan hfamous is trivial result to“loops”. evaluate. of Schwinger This from is the1948 famous [52].result of Schwinger from 1948
γ
γ
g0
γ %
%
g
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g2
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universal orderfrenó QED contribution 8. Thedeuniversal to a! . lowest order QED contribution to Estelowest problema el Fig. desarrollo la TCC
entre mediados de los 1930 y 1948...
∞
two iagrams loopsshown in QED in Fig. there9 are which thecontribute 9 diagramstoshown aµ . The in Fig. first 96 which diagrams, contrib hnshave to the attached external twomuon virtual string photons of lines to the contribute externaltomuon the universal string of lin Saturday, 8February, 2014
Infinitos y Guerras ... aunque también hubo motivos más serios.
Saturday, 8February, 2014
Renormalización: la Teoría Cuántica de Campos Los infinitos no son tales: desaparecen si se acepta que la magnitud de las fuerzas (valores de cargas y masas) cambia como función de la distancia.
Dyson, Feynman, Schwinger, Stückelberg, Tomonaga 1934-1948
Saturday, 8February, 2014
Renormalización: la Teoría Cuántica de Campos Los infinitos no son tales: desaparecen si se acepta que la magnitud de las fuerzas (valores de cargas y masas) cambia como función de la distancia.
Dyson, Feynman, Schwinger, Stückelberg, Tomonaga 1934-1948
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Renormalización: la Teoría Cuántica de Campos Los infinitos no son tales: desaparecen si se acepta que la magnitud de las fuerzas (valores de cargas y masas) cambia como función de la distancia.
Dyson, Feynman, Schwinger, Stückelberg, Tomonaga 1934-1948 Vakuumpolarisation
e2
e4
Running coupling αeff (r)
+
|F� (r)| =
αeff (r) r2
Abschirmung
Der zweite Beitrag ist ein kleiner Quanteneffekt Er bewirkt, dass die Kraft bei sehr kurzen Distanzen etwas stärker als 1/r2 anwächst.
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log(r) r = 2 × 10−12 m
Renormalización: la Teoría Cuántica de Campos Los infinitos no son tales: desaparecen si se acepta que la magnitud de las fuerzas (valores de cargas y masas) cambia como función de la distancia.
Dyson, Feynman, Schwinger, Stückelberg, Tomonaga 1934-1948
N.B.: el juego de la renormalización NO funciona siempre. Es consistente para la electrodinámica, pero NO para los modelos de Fermi y Yukawa. Falta una teoría consistente para las interacciones nucleares fuerte y débil.
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2
El momento magnético anómalo del electrón
famous result of Schwinger from 1948 [52]. γ g−2 a = 2
γ %
Dirac: g = 2
%
universal lowest order QED contribution to a! .
iagrams shown in Fig. 9 which contribute to aµ . The first 6 diagrams, ons to the external muon string of lines contribute to the universal set of diagrams and yield the result
3 + ζ(3) . 4
cuum polarization (vap / VP) due to the lepton loops. The one with sense that it contributes to the mass independent correction Saturday, 8February, 2014
2ror in units of 10−10 .
El momento magnético anómalo del electrón
famous result of Schwinger from 1948 [52]. γ
der contribution Fig. 8 may be written in the form (see below)
1 , 2
g−2 a = 2
γ %
Dirac: g = 2
(49) %
famous result of Schwinger from 1948 [52].
universal lowest order QED contribution to a! .
γ
iagrams shown in Fig. 9 which contribute to aµ . The first 6 diagrams, ons to the external muon string of lines contribute to the universal g g set of diagrams and yield the result a = α ≈ 0.0011614
3 + ζ(3)%. 4
2π
γ
%
Schwinger 1948
cuum polarization VP) due to lepton loops. The one with universal lowest order (vap QED / contribution to athe !. sense that it contributes to the mass independent correction Saturday, 8February, 2014
El momento magnético anómalo del electrón
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El momento magnético anómalo del electrón
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aexp = 0.00115965218085(76)
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La edad de plata de la teoría de campos La madurez técnica de la TCC permitió demostrar muchas propiedades fundamentales de la naturaleza que habían sido postuladas durante la revolución cuántica. ! Fermiones y bosones: sólo dos tipos de campos bajo relatividad especial. ! Spin-estadística: principio de exclusión de Pauli. A. Wightman, 30/03/1922-13/01/2013
! Simetrías discretas: el universo es invariante bajo CPT, pero no necesariamente bajo C, P o T.
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“El átomo está tan lleno como es físicamente posible.”
La edad de plata de la teoría de campos ... pero el progreso del núcleo atómico fue lento, hasta que emergió toda la importancia de las propiedades de simetría de la Física Fundamental.
Electromagnetismo
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Interacciones nucleares débil y fuerte
Simetría: La edad de oro de la teoría de campos ... pero el progreso del núcleo atómico fue lento, hasta que emergió toda la importancia de las propiedades de simetría de la Física Fundamental.
"What is especially striking and remarkable is that in fundamental physics a beautiful or elegant theory is more likely to be right than a theory that is inelegant." Murray Gell-Mann Saturday, 8February, 2014
Plan Introducción: escalas de espacio y de energía en Física Fundamental. Física Cuántica y Relatividad Especial. Las preguntas revolucionarias. Dirac y la Mecánica Cuántica Relativista. Las interacciones nucleares débil y fuerte: neutrinos y mesones. Interludio: diagramas de Feynman. Teoría Cuántica de Campos. Efectos cuánticos y fuerzas fundamentales. Infinitos y Guerras. La Edad de Plata: Electrodinámica Cuántica y leyes fundamentales. Simetrías: la Edad de Oro. El Camino Óctuple: Quarks. La interacción electrodébil: corrientes neutras. Más infinitos. El Modelo Estándar de la Física de Partículas. Saturday, 8February, 2014
La interacción fuerte: el zoo de partículas Los experimentos de física de altas energías de los años 50 descubrieron docenas de nuevas partículas que interactuaban fuertemente (mesones y bariones). El modelo de Yukawa no bastaba para describirlas adecuadamente.
Saturday, 8February, 2014
La interacción fuerte: el Camino Óctuple
inicio de la edad de oro de la física teórica de partículas Saturday, 8February, 2014
La interacción fuerte: el Camino Óctuple
Table 14.2: Suggested qq quark-model assignments for some of the observed light mesons. Mesons in bold face are included in the Meson Summary Table. The wave functions f and f ! are given in the text. The singlet-octet mixing angles from the quadratic and linear mass formulae are also given for the well established nonets. The classification of the 0++ mesons is tentative and the mixing angle uncertain due to large uncertainties in some of the masses. Also, the f0 (1710) and f0 (1370) are expected to mix with the f0 (1500). The latter is not in this table as it is hard to accommodate in the scalar nonet. The light scalars a0 (980), f0 (980), and f0 (600) are often considered as meson-meson resonances or four-quark states, and are therefore not included in the table. See the “Note on Scalar Mesons” in the Meson Listings for details and alternative schemes. n 2s+1 !J
I=1
JPC ud, ud,
†
1 √ (dd − uu) 2
I=
1 2
I=0
I=0
θquad
θlin
us, ds; ds, −us
f!
f
[◦ ]
[◦ ]
1 1 S0
0−+
π
K
η
η ! (958)
−11.5
−24.6
1 3 S1
1−−
ρ(770)
K ∗ (892)
φ(1020)
ω(782)
38.7
36.0
1 1 P1
1+−
b1 (1235)
K1B †
h1 (1380)
h1 (1170)
1 3 P0
0++
a0 (1450)
K0∗ (1430)
f0 (1710)
f0 (1370)
1 3 P1
1++
a1 (1260)
K1A †
f1 (1420)
f1 (1285)
1 3 P2
2++
a2 (1320)
K2∗ (1430)
f2! (1525)
f2 (1270)
29.6
28.0
1 1 D2
2−+
π2 (1670)
K2 (1770)†
η2 (1870)
η2 (1645)
1 3 D1
1−−
ρ(1700)
K ∗ (1680)
1 3 D2
2−−
1 3 D3
3−−
ρ3 (1690)
K3∗ (1780)
32.0
31.0
1 3 F4
4++
a4 (2040)
K4∗ (2045)
1 3 G5
5−−
ρ5 (2350)
1 3 H6
6++
a6 (2450)
2 1 S0
0−+
π(1300)
K(1460)
η(1475)
η(1295)
2 3 S1
1−−
ρ(1450)
K ∗ (1410)
φ(1680)
ω(1420)
ω(1650)
K2 (1820) φ3 (1850)
ω3 (1670) f4 (2050)
6
14. Quark model
f6 (2510)
qq quark-model assignments for the observed heavy mesons. Mesons in bold face are included in the Meson Summary Table. The 1+± and 2−± isospin 1 states mix. In particular, the K1A and K1B are nearly equal (45◦ ) mixturesTable of the14.3: K1 (1270) and K1 (1400). 2 3 3 3 3 The physical vector mesons listed under 1 D1 and 2 S1 may be mixtures of 1 D1 and 2 S1 , or even have hybrid components. n 2s+1 !J J P C I=0 I=0 I= 1 I=0 I= 1 I=0 I=0 2 2 cc bb cu, cd; cu, cd cs; cs bu, bd; bu, bd bs; bs bc; bc
July 30, 2010
Saturday, 8February, 2014
14:36
1 1 S0
0−+
ηc (1S)
ηb (1S)
D
Ds±
B
Bs0
1 3 S1
1−−
J/ψ(1S)
Υ(1S)
D∗
Ds∗±
B∗
Bs∗
1 1 P1
1+−
hc (1P )
D1 (2420)
Ds1 (2536)±
B1 (5721)
Bs1 (5830)0
1 3 P0
0++
χc0 (1P )
χb0 (1P )
D0∗ (2400)
∗ (2317)±† Ds0
1 3 P1
1++
χc1 (1P )
χb1 (1P )
D1 (2430)
Ds1 (2460)±†
1 3 P2
2++
χc2 (1P )
χb2 (1P )
D2∗ (2460)
∗ (2573)± Ds2
B2∗ (5747)
∗ (5840)0 Bs2
1 3 D1
1−−
ψ(3770)
2 1 S0
0−+
ηc (2S)
2 3 S1
1−−
ψ(2S)
2 3 P0,1,2
0++ , 1++ , 2++
†
Bc±
∗ (2700)± Ds1
Υ(2S) χb 0,1,2 (2P )
The masses of these states are considerably smaller than most theoretical predictions. They have also been considered as four-quark states (See the “Note on Non-qq Mesons” at the end of the Meson Listings). The open flavor states in the 1+− and 1++ rows are mixtures of the +±
La interacción fuerte: el Camino Óctuple
Saturday, 8February, 2014
Saturday, 8February, 2014
La interacción fuerte: el Camino Óctuple Es posible explicar el espectro de mesones y bariones asumiendo que están constituidos por sólo tres tipos de partículas más elementales: los quarks. Gell-Mann, Ne’eman 1961
Table 14.2: Suggested qq quark-model assignments for some of the observed light mesons Summary Table. The wave functions f and f ! are given in the text. The singlet-octet mix formulae are also given for the well established nonets. The classification of the 0++ meso due to large uncertainties in some of the masses. Also, the f0 (1710) and f0 (1370) are exp not in this table as it is hard to accommodate in the scalar nonet. The light scalars a0 (98 meson-meson resonances four-quark states, and are therefore not included in the table. Simetría SU(3)or(“de sabor”) Listings for details and alternative schemes. n 2s+1 !J
I=1
JPC ud, ud,
1 1 S0 Saturday, 8February, 2014
0−+
1 √ (dd − uu) 2
π
I=
1 2
I=0
us, ds; ds, −us
f!
K
η
Mesones pseudoescalares spin=0
Mesones vectoriales spin=1
Saturday, 8February, 2014
Saturday, 8February, 2014
BARIONES Son combinaciones de tres quarks y por lo tanto las posibilidades son mayores
Saturday, 8February, 2014
BARIONES Son combinaciones de tres quarks y por lo tanto las posibilidades son mayores
Algunos de estos bariones fueron predichos teóricamente antes de ser encontrados experimentalmente! Principio de exclusión de Pauli: tres fermiones idénticos no pueden estar en el mismo estado. Es necesario postular un “equivalente fuerte” de la carga eléctrica: la carga de color. Saturday, 8February, 2014
BARIONES Son combinaciones de tres quarks y por lo tanto las posibilidades son mayores
Algunos de estos bariones fueron predichos teóricamente antes de ser encontrados experimentalmente! Principio de exclusión de Pauli: tres fermiones idénticos no pueden estar en el mismo estado. Es necesario postular un “equivalente fuerte” de la carga eléctrica: la carga de color. Saturday, 8February, 2014
Simetría SU(3) (“de color”)
La interacción fuerte: el Camino Óctuple ē
e
Saturday, 8February, 2014
e
ē
La interacción débil
C
or rie
nt
es
dé b
ile
s
El modelo de Fermi para la interacción débil se vuelve inconsistente para energías del orden de 100 GeV.
Saturday, 8February, 2014
Solución: postular la existencia de una interacción fundamental mediada por partículas similares al fotón pero masivas.
La interacción débil
C
or rie
nt
es
dé b
ile
s
El modelo de Fermi para la interacción débil se vuelve inconsistente para energías del orden de 100 GeV.
Saturday, 8February, 2014
Solución: postular la existencia de una interacción fundamental mediada por partículas similares al fotón pero masivas. BONUS: es posible unificar una interacción de este tipo con la electromagnética (fuerza electrodébil). Glashow 1960
Infinitos nucleares Pero en los años 60 estos modelos tienen dos problemas: ! No se sabe formular una TCC consistente para las simetrías implicadas: SU(3) de color para los quarks, SU(2)xU(1) para la interacción electrodébil (teorías gauge no abelianas). ! Aún cuando fuera posible formular una teoría electrodébil, no se sabe cómo dar masa a las partículas implicadas en interacciones débiles sin violar simetrías fundamentales.
Simetría gauge: los grados de libertad “internos” (cargas) pueden ser rotados de manera distinta en cada punto del espaciotiempo. Saturday, 8February, 2014
Infinitos nucleares Pero en los años 60 estos modelos tienen dos problemas: ! No se sabe formular una TCC consistente para las simetrías implicadas: SU(3) de color para los quarks, SU(2)xU(1) para la interacción electrodébil (teorías gauge no abelianas). ! Aún cuando fuera posible formular una teoría electrodébil, no se sabe cómo dar masa a las partículas implicadas en interacciones débiles sin violar simetrías fundamentales.
Demostración de la renormalizabilidad de teorías gauge no abelianas.
‘t Hooft,Veltman 1971
Saturday, 8February, 2014
Infinitos nucleares Pero en los años 60 estos modelos tienen dos problemas: ! No se sabe formular una TCC consistente para las simetrías implicadas: SU(3) de color para los quarks, SU(2)xU(1) para la interacción electrodébil (teorías gauge no abelianas). ! Aún cuando fuera posible formular una teoría electrodébil, no se sabe cómo dar masa a las partículas implicadas en interacciones débiles sin violar simetrías fundamentales. Generación de masa a través de la rotura espontánea de la simetría electrodébil.
Englert, Brout, Higgs, Guralnik, Hagen, Kibble 1963-64 Saturday, 8February, 2014
Infinitos nucleares Pero en los años 60 estos modelos tienen dos problemas: ! No se sabe formular una TCC consistente para las simetrías implicadas: SU(3) de color para los quarks, SU(2)xU(1) para la interacción electrodébil (teorías gauge no abelianas). ! Aún cuando fuera posible formular una teoría electrodébil, no se sabe cómo dar masa a las partículas implicadas en interacciones débiles sin violar simetrías fundamentales.
Bosón de Higgs: partícula asociada a la generación de masa para campos de materia fundamentales.
Saturday, 8February, 2014
El Modelo Estándar de la Física de Partículas
Saturday, 8February, 2014
El Modelo Estándar de la Física de Partículas
Saturday, 8February, 2014
El Modelo Estándar de la Física de Partículas Interacción fuer te: Cromodinámica Cuántica (QCD)
Saturday, 8February, 2014
El Modelo Estándar de la Física de Partículas Interacción electrodébil: Modelo de Glashow-Weinberg-Salam
Saturday, 8February, 2014
El Modelo Estándar de la Física de Partículas Interacción electrodébil: Modelo de Glashow-Weinberg-Salam
Gargamelle Saturday, 8February, 2014
Simetría El progreso actual de la física se debe, en gran medida, el intento de simplificar y profundizar la estructura de simetría de las interacciones fundamentales.
Saturday, 8February, 2014
Descubriendo las piezas: el “átomo planetario”
A≠Z Rutherford et al, 1911-1920 Saturday, 8February, 2014
neutrón
Descubriendo las piezas: protones y neutrones Descubrimiento del neutrón
Chadwick 1932
¿Cómo se mantienen unidos los protones y los neutrones?
Yukawa 1934 Saturday, 8February, 2014
Descubriendo las piezas: quarks Three quarks for Muster Mark! Sure he has not got much of a bark And sure any he has it’s all beside the mark. James Joyce, Finnegans Wake
Saturday, 8February, 2014
Descubriendo las piezas: quarks Three quarks for Muster Mark! Sure he has not got much of a bark And sure any he has it’s all beside the mark. James Joyce, Finnegans Wake
El zoo de partículas se explica con una simetría basada en octetes (y decupletes): el Camino Óctuple. Gell-Mann, Ne’eman 1961
Saturday, 8February, 2014
Descubriendo las piezas: quarks Three quarks for Muster Mark! Sure he has not got much of a bark And sure any he has it’s all beside the mark. James Joyce, Finnegans Wake
El zoo de partículas se explica con una simetría basada en octetes (y decupletes): el Camino Óctuple. Gell-Mann, Ne’eman 1961
Esto conduce de manera natural a la hipótesis de que protones y neutrones están constituidos por partículas más elementales: los quarks. Gell-Mann, Zweig 1964 Bjorken, Feynman 1968-9
Saturday, 8February, 2014
La Cromodinámica Cuántica Los hadrones (protones, neutrones, piones, ...) están constituidos por quarks, que poseen una carga de color. 1969 - mediados de 1970s muchas contribuciones; la introducción del color se remonta a Greenberg (1964)
Saturday, 8February, 2014
La Cromodinámica Cuántica Los hadrones (protones, neutrones, piones, ...) están constituidos por quarks, que poseen una carga de color.
La interacción fuerte entre quarks implica el intercambio de gluones, de la misma forma que las cargas eléctricas interactúan intercambiando fotones.
Saturday, 8February, 2014
La Cromodinámica Cuántica Los hadrones (protones, neutrones, piones, ...) están constituidos por quarks, que poseen una carga de color.
La interacción fuerte entre quarks implica el intercambio de gluones, de la misma forma que las cargas eléctricas interactúan intercambiando fotones. En la analogía electromagnetismo - interacción fuerte los nucleones son estados ligados de quarks, como los átomos lo son de núcleo y electrones. Los protones y neutrones están unidos por una fuerza similar a la de van der Waals, que une los átomos en moléculas. Saturday, 8February, 2014
¿Cuál es el origen de la masa? Masa del electrón:
me � 0.511 MeV/c2
Masa del nucleón:
mN � 940 MeV/c2
Casi toda la masa del átomo está en el núcleo
Saturday, 8February, 2014
¿Cuál es el origen de la masa? Masa del electrón:
me � 0.511 MeV/c2
Masa del nucleón:
mN � 940 MeV/c2
Casi toda la masa del átomo está en el núcleo ¿Cuál es el origen de la masa de un protón?
Saturday, 8February, 2014
¿Cuál es el origen de la masa? Modelo Estándar: las partículas elementales adquieren masa a través de la rotura espontánea de la simetría electrodébil.
Englert, Brout, Higgs, Guralnik, Hagen, Kibble 1963-64
Saturday, 8February, 2014
¿Cuál es el origen de la masa? Modelo Estándar: las partículas elementales adquieren masa a través de la rotura espontánea de la simetría electrodébil.
Englert, Brout, Higgs, Guralnik, Hagen, Kibble 1963-64
Saturday, 8February, 2014
Bosón de Higgs: partícula asociada a la generación de masa.
¿Cuál es el origen de la masa? Masa del electrón:
me � 0.511 MeV/c2
Masa del nucleón:
mN � 940 MeV/c2
Casi toda la masa del átomo está en el núcleo ¿Cuál es el origen de la masa de un protón? mu ∼ 5 MeV/c2 md ∼ 10 MeV/c2
Saturday, 8February, 2014
⇒
(2mu + md ) ∼ 20 MeV/c2
electromagnetismo:
Ebind (H) −5 ≈ 1.4 × 10 (me + mp )c2
interacción fuerte:
Ebind (proton) ≈ 50 2 3mq c
¿Cuál es el origen de la masa? Masa del electrón:
me � 0.511 MeV/c2
Masa del nucleón:
mN � 940 MeV/c2
Casi toda la masa del átomo está en el núcleo
Más del 99% de la masa de la materia ordinaria es energía de ligadura de interacción fuerte entre quarks Saturday, 8February, 2014
Plan La composición del Universo. Materia ordinaria y componentes oscuros. El interior del núcleo atómico: nucleones y quarks. ¿Cuál es el origen de la masa? Cromodinámica cuántica. Libertad asintótica y confinamiento. Alta energía: el régimen perturbativo. Baja energía: el régimen no perturbativo. La interacción fuerte en la Física de Altas Energías de nuestros días. Temperatura y densidad altísimas: ¿plasma de quarks y gluones? La interacción fuerte en LHC. Saturday, 8February, 2014
La Cromodinámica Cuántica Los hadrones (protones, neutrones, piones, ...) están constituidos por quarks, que poseen una carga de color.
La interacción fuerte entre quarks implica el intercambio de gluones, de la misma forma que las cargas eléctricas interactúan intercambiando fotones.
Saturday, 8February, 2014
Libertad asintótica Los hadrones (protones, neutrones, piones, ...) están constituidos por quarks, que poseen una carga de color.
Saturday, 8February, 2014
Libertad asintótica Los hadrones (protones, neutrones, piones, ...) están constituidos por quarks, que poseen una carga de color.
Fuerte a gran distancia Débil a corta distancia Saturday, 8February, 2014
Burbujas en el vacío
Polarización del vacío
∆E ∆t ≥ �
El vacío cuántico posee estructura, revelada por los campos gauge.
Saturday, 8February, 2014
Burbujas en el vacío
Polarización del vacío
∆E ∆t ≥ �
Efecto Schwinger: creación de pares electrón-positrón en campos eléctricos muy fuertes. Saturday, 8February, 2014
Burbujas en el vacío
Polarización del vacío
∆E ∆t ≥ �
ē
e
e
ē
Electrodinámica: apantallamiento de la carga
Cromodinámica: ANTI-apantallamiento de la carga
Saturday, 8February, 2014
Burbujas en el vacío
Polarización del vacío
∆E ∆t ≥ �
ē
e
e
ē
Electrodinámica: apantallamiento de la carga
Cromodinámica: ANTI-apantallamiento de la carga
Saturday, 8February, 2014
Burbujas en el vacío
Polarización del vacío
∆E ∆t ≥ �
ē
e
e
ē
Electrodinámica: apantallamiento de la carga el fotón NO lleva carga de eléctrica Cromodinámica: ANTI-apantallamiento de la carga el gluon SÍ lleva carga de color Saturday, 8February, 2014
Burbujas en el vacío
Polarización del vacío
Electrodinámica: apantallamiento de la carga
Cromodinámica: ANTI-apantallamiento de la carga
Saturday, 8February, 2014
∆E ∆t ≥ �
Confinamiento Los quarks no
series.2 At αqq (µ) ≈ 0.2, the difference αqq (µ) − h(αSF (µ/s0)) is not significa existen partículas en hadrones. at all.como We conclude that aisladas: also in eq.sólo (13) confinados a large non-perturbative term at sho distances is excluded.
Figure 4:
The potential compared to different perturbative expressions. He rc = 0.54r0 [8].
Saturday, 8February, 2014
Confinamiento Los quarks no existen como partículas aisladas: sólo confinados en hadrones.
Al alejar los quarks la tensión entre ellos es suficiente para excitar un par quarkantiquark en el vacío. La cuerda se rompe y se forman dos hadrones. (Similar a lo que ocurre al intentar separar los polos de un imán.) Saturday, 8February, 2014
r
� �x , t) , ,
Confinamiento
Los quarks no existen como partículas aisladas: sólo confinados en hadrones.
V (r ) ∼ σr
ers of magnitude thinner. La tensión de la “cuerda” quark-antiquark es similar a la de un cable de acero, pero está concentrada en una sección 13 órdenes de magnitud menor. Saturday, 8February, 2014
Confinamiento Los quarks no existen como partículas aisladas: sólo confinados en hadrones.
F ∼ 105 N
Saturday, 8February, 2014
σ ≈ (0.4 GeV)2
Confinamiento Los quarks no existen como partículas aisladas: sólo confinados en hadrones.
F ∼ 105 N
Saturday, 8February, 2014
σ ≈ (0.4 GeV)2
Física de interacción fuerte a cortas distancias
Saturday, 8February, 2014
Física de interacción fuerte a cortas distancias
Saturday, 8February, 2014
Física de interacción fuerte a cortas distancias medidas de la constante de acoplamiento
Un electrón de alta energía “ve” los quarks como partículas casi libres, constituyentes del protón (“partones”). Saturday, 8February, 2014
Física de interacción fuerte a largas distancias
Los diagramas de Feynman (“teoría de perturbaciones”) son inútiles.
Saturday, 8February, 2014
Física de interacción fuerte a largas distancias
Los diagramas de Feynman (“teoría de perturbaciones”) son inútiles.
αs
αs6
αs ∼ 1 , Saturday, 8February, 2014
αem ∼ 0.01
Física de interacción fuerte a largas distancias Estudiar las propiedades de los hadrones (protones, neutrones, ...) requiere una formulación nueva de la teoría cuántica de campos, capaz de afrontar el régimen de “acoplamiento fuerte”.
Saturday, 8February, 2014
Física de interacción fuerte a largas distancias Estudiar las propiedades de los hadrones (protones, neutrones, ...) requiere una formulación nueva de la teoría cuántica de campos, capaz de afrontar el régimen de “acoplamiento fuerte”.
QCD en la red (“Lattice QCD”) Wilson 1974
a L I-2
Permite resolver el problema mediante el uso de superordenadores. Saturday, 8February, 2014
Baryon Spectrum (Durr et.al. ’08)
Física de interacción fuerte a largas distancias
Estudiarspacings las propiedades los hadrones (protones, neutrones, ...) requiere una 3 lattice fordecontinuum extrapolation
formulación nueva de la teoría cuántica de campos, capaz de afrontar el régimen de “acoplamiento fuerte”. Non-relativistic heavy baryon χPT and Taylor χ fits
Resonances: ground state FV energy shift QCD en la red (“Lattice QCD”) Wilson 1974
2000
O N
a
E = mc
2
1500
O X* S*
a~0.125 fm L a~0.085 fm a~ ~0.065 fm
physical Mp
0.1
Saturday, 8February, 2014
M[MeV]
X
0.2 0.3 2 2 Mp [GeV ]
0.4
S
D
L
1000
K*
N
r
500 0.5
K p
0
experiment width input QCD
Plan La composición del Universo. Materia ordinaria y componentes oscuros. El interior del núcleo atómico: nucleones y quarks. ¿Cuál es el origen de la masa? Cromodinámica cuántica. Libertad asintótica y confinamiento. Alta energía: el régimen perturbativo. Baja energía: el régimen no perturbativo. La interacción fuerte en la Física de Altas Energías de nuestros días. Temperatura y densidad altísimas: ¿plasma de quarks y gluones? La interacción fuerte en LHC. Saturday, 8February, 2014
El diagrama de fases de la interacción fuerte Diagrama de fases del agua
Saturday, 8February, 2014
El diagrama de fases de la interacción fuerte Diagrama de fases del agua
Diagrama de fases de la interacción fuerte Saturday, 8February, 2014
El diagrama de fases de la interacción fuerte Diagrama de fases del agua
A alta temperatura/densidad los quarks y gluones dejan de estar confinados.
Diagrama de fases de la interacción fuerte Saturday, 8February, 2014
Buscando el plasma de quarks y gluones Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Brookhaven, New York.
Colisiona núcleos de oro (79 protones, 118 neutrones)
Saturday, 8February, 2014
Buscando el plasma de quarks y gluones
Saturday, 8February, 2014
La interacción fuerte en LHC
LHC
Saturday, 8February, 2014
La interacción fuerte en LHC
Saturday, 8February, 2014
La interacción fuerte en LHC LHC acelera protones a altísimas energías
Una colisión típica produce cientos de partículas. El objetivo de este experimento es entender la física más allá del Modelo Estándar. En particular, cuál es la estructura de simetría fundamental de la Naturaleza, y cómo las partículas elementales (quarks, electrones, ...) adquieren su masa. Saturday, 8February, 2014
La interacción fuerte en LHC LHC acelera protones a altísimas energías
Una colisión típica produce cientos de partículas.
La interacción fuerte es la que domina estas colisiones. Es esencial controlar sus efectos con suficiente precisión para desentrañar la física que desconocemos. Saturday, 8February, 2014
La interacción fuerte en LHC Además, LHC también está explorando la física de las colisiones de iones pesados (plasma de quarks y gluones), a energías más altas que RHIC.
Colisiona núcleos de plomo (82 protones, 124-126 neutrones)
Saturday, 8February, 2014
La interacción fuerte en LHC Además, LHC también está explorando la física de las colisiones de iones pesados (plasma de quarks y gluones), a energías más altas que RHIC.
Saturday, 8February, 2014
LHC
Detectores
registra los productos de las colisiones en puntos concretos del acelerador
Análisis
Acelerador
acelera partículas subatómicas a velocidades comparables a c
Saturday, 8February, 2014
los datos de las colisiones son estudiados para desentrañar la estructura de las interacciones a nivel microscópico
LHC
Saturday, 8February, 2014
LHC
Saturday, 8February, 2014
LHC
Circunferencia Temperatura de los dipolos Número de imanes Nº de dipolos principales Nº de cuadrupolos principales Nº de cavidades de radiofrecuencia Energía nominal (protones) Energía nominal (iones) Intensidad campo magnético (dipolos)
Dist. Mínima entre paquetes Luminosidad nominal Nº de paquetes por haz de protones Nº de protones por paquete Nº de vueltas por segundo Nº de colisiones por segundo Energía por nucleón Saturday, 8February, 2014
LHC
LHCb
Atlas
CMS Alice
2525
Saturday, 8February, 2014
LHC
Saturday, 8February, 2014
LHC
Saturday, 8February, 2014
LHC
Saturday, 8February, 2014
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Saturday, 8February, 2014
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