Física de Partículas Experimental

2a clase

Luis Manuel Montaño Zetina

Departamento de Física Cinvestav

Departamento de Física USON Hermosillo Sonora 5-9 agosto 2013

Física de altas energías experimental

FUENTES

RADIOACTIVIDAD

(alfa, γ,β)

ACELERADORES

Rayos Cósmicos

(Los electrones se obtienen al calentar metales, los protones quitándole electrones al H, etc.)

Los Rayos Cósmicos vienen del espacio con gran energía y dan lugar en la atmósfera a una cascada de partículas de los más variado.

Rayos cósmicos

La mayor fuente de partículas energéticas del universo

Post MSc Lectures, December, SINP

History of Cosmic rays• Wulf : expt. At Eiffel Tower• At 330 mts ionization decreased to 60%• Millikan named it “cosmic” -> gamma rays• Skobeltsyn recorded the first images in cloud chambers

• Bothe and Kolhoerster designed the first coincidence technique to show they are indeed charged particles. (1929)

History of Cosmic Rays: History of Cosmic Rays: 191219121912 Victor Hess1912 Victor Hess

Investigated Investigated sourcessources of of radiation – took balloon up to radiation – took balloon up to 5000 meters5000 meters

Found radiation increased Found radiation increased after 2500 metersafter 2500 meters

This could be attributed to the This could be attributed to the fact that there was less fact that there was less atmosphere above to shield atmosphere above to shield him from radiationhim from radiation

Thus he discovered that Thus he discovered that radiation is coming from radiation is coming from space ... “space ... “cosmiccosmic radiation”radiation”

Won Nobel Prize in 1936Won Nobel Prize in 1936

What are cosmic rays ? • High Energy particles High Energy particles • Fully ionised atoms (98%, mainly Hydrogen and He)Fully ionised atoms (98%, mainly Hydrogen and He)• < 1% Electrons and photons< 1% Electrons and photons• Secondaries : high energy particles generated by Secondaries : high energy particles generated by

interactions of cosmic rays in atmosphereinteractions of cosmic rays in atmosphere

What are cosmic rays (CRs)?What are cosmic rays (CRs)?• As it turns out, these As it turns out, these

charged particles are charged particles are atomic nucleiatomic nuclei zooming zooming through spacethrough space– Called “primary” CRsCalled “primary” CRs– Mostly protons or Mostly protons or α α (He) nuclei (He) nuclei

(other elements too, in much (other elements too, in much shorter supply)shorter supply)

– There are more coming in at There are more coming in at lower than higher energieslower than higher energies

• When these hit another When these hit another nucleus in the atmosphere nucleus in the atmosphere and stop, and stop, moremore particles particles are knocked downward, are knocked downward, causing a cascading effect causing a cascading effect called a “shower”called a “shower”– Particles in the shower are Particles in the shower are

called “secondary” CRscalled “secondary” CRs

Particle Physics Cosmic Rays

Electrons and positrons in cloud chambers

Discovering Elementary particles

Post MSc Lectures, December, SINP

Anderson and Neddermeyer discovered muons (1936)

Nuclear emulsion plates

Blackett and others went to high altitudes, Pic du Midi

obs.

Aceleradores ElectrostáticosEl voltaje entre dos electrodos se utiliza para acelerar electrones: ∆E = qV.

Cockcroft and Walton

Los protones son llevado a la cima de la columna al vacío. Se aceleran cuando bajan de la columna y pasan por una serie de cilindros metálicos cargados eléctricamente

Aceleradores ElectrostáticosEl voltaje entre dos electrodos se utiliza para acelerar electrones: ∆E = qV.

Van der Graaf

El generador van der Graaf usa un cinturón para acumular grandes voltajes en un globo metálico. La diferencia de potencial en estos generadores pueden llegar a 5 megavoltios.

Aceleradores LinealesSurgidos en los años 1920s, el acelerador lineal o linac, usa voltajes alternantes de gran magnitud para empujar partículas en línea recta. Las partículas pasan por un tubo cilíndrico al vacío donde está presente un voltaje alternante donde un voltaje sincronizado empuja a las partículas entre dos de cada esfera. Teóricamente se puede construir un linac a cualquier energía deseada. El más largo es el SLAC en Stanford de 2 millas o 3.2 km de longitud. Puede acelerar electrones hasta 50 GeV.

Cavidades de radio frecuencia son usadas para obtener campos eléctricos oscilantes.

Acelerando con campos eléctricos oscilante

Ciclotrón (E.O. Lawrence, 1931)

Un campo magnético, producido por un electromagneto potente, mantiene las partículas en una trayectoria circular. Cada vez que la partícula cargada pasa a través del espacio entre las Des, éstas se aceleran. Así como las partículas ganan energía, aumenta su trayectoria espiral hacia los bordes de las Des hasta alcanzar la energía suficiente para salir del acelerador.

Un ciclotrón es como un linac enrollado en una espiral. En lugar de muchos tubos, el acelerador tiene dos cámaras al vacío llamadas Des, una enfrente de la otra.

Energías: 10-15 MeV

Betatron

Energies up to 350 MeV

Another type of cyclic accelerator, the betatron, is employed to accelerate electrons. The betatron consists of a doughnut-shaped evacuated chamber placed between the poles of an electromagnet. The electrons are kept in a circular path by a magnetic field called a guide field. By applying an alternating current to the electromagnet, the electromotive force induced by the changing magnetic flux through the circular orbit accelerates the electrons. During operation, both the guide field and the magnetic flux are varied to keep the radius of the orbit of the electrons constant.

When electrons are accelerated, they undergo a large increase in mass at a relatively low energy. At 1 MeV energy, an electron weighs two and one-half times as much as an electron at rest. Synchrocyclotrons cannot be adapted to make allowance for such large increases in mass.

Sincrociclotrón Cuando las partículas en un ciclotrón llegan a energías de 20 MeV o más, adquieren más masa, como lo predice la teoría de la relatividad. Esto produce que se frenen un poco hasta desfasar las partículas al pasar en el espacio entre las Des. La solución es un sincrociclotrón.

Enrico Fermi en el Sincrociclotrón de Chicago

En este instrumento, el oscilador (generador de radiofrecuencia) que acelera las partículas alrededor de las Des se ajusta automáticamente para continuar con la aceleración aunque éstas ganen masa.

Energías a 680 MeV

SynchrotronThe synchrotron is the most recent and most powerful member of the accelerator family. A synchrotron consists of a tube in the shape of a large ring through which the particles travel; the tube is surrounded by magnets that keep the particles moving through the center of the tube (quadrupoles). The particles enter the tube after already

having been accelerated to several million electron volts.

To keep the particles in a rigid orbit, the strengths of the magnets in the ring are increased as the particles gain energy. The synchrotron principle can be applied to either protons or electrons, although most of the large machines are proton-synchrotrons

Colliders

A storage ring collider accelerator is a synchrotron that produces MORE ENERGETIC collisions between particles than a conventional synchrotron, which slams accelerated particles into a stationary target.A storage ring collider accelerates two sets of particles that rotate in opposite directions in the ring, then collides the two sets of particles.

LHC (Large Hadron Collider)

Proton-proton collisions 14 TeV

Pb-Pb ions with collision energy of 1150 TeV

LHC (Large Hadron Collider)Circonference: 27 Km

collisions:

proton-proton at 14 TeV

Ion-ion at 1150 TeV

in the Center of Mass

DESY Deutsches Elektronen Synchrotron

Aceleradores (Fermilab)

Aceleradores (STAR BNL)

Aceleradores (Fermilab)

Aceleradores (STAR BNL)

ALICE

Synchrotron radiationSynchrotron radiation is the name given to light radiated by charged particles following a curved trajectory -for example, a charged particle under the influence of a magnetic field.

In particles accelerators used for HEP experiments it is not convenient since part of the particle energy is lost (more critical for light particles as electrons and positrons, in LEP 2 GeV lost for each turn).

BUT..it has a wide range of applications in many research fields ! (production of intense UV, soft X-ray and hard X-ray..)

Aceleradores (CERN)

Aceleradores

La energía de los aceleradores se ha incrementado a través del tiempo…

Tres órdenes de magnitud cada 20 años.

Quarks detectados con protones

Stanford (SLAC), California, en los 1960s electrones chocan con protones, En 1995 descubre el

lepton Tau

2 miles long accelerator

End Station Aexperimental area

Freeway 280

Protones y neutrones vistos en el modelo de quarks

protón (carga +1) neutrón (carga 0)

uu dddd

uu uudd

Quarks tienen carga eléctrica fraccionariau carga eléctrica + 2/3d carga eléctrica −1/3

( )13

1

3

2

3

2 +=

−

+

+ pduu ( )0

3

1

3

1

3

2nddu =

−

−

+

Quarks

Deutsches Elektronen

Synchroton

6.3 Km

• Fueron observadas experimentalmente en colisiones electrón-protón en DESY (Hamburgo) hacia 1968.

• Los electrones tenían 20 GeV de energía.

Quarks

Deutsches Elektronen

SynchrotonElectron

Quark

Cascada de partículas

que origina el quark

Los quarks están confinados, no

se observan libremente como

tales

Quarks

Detector ZEUS (DESY)

Producción

quark-antiquark

Producción

quark-antiquark más

gluón

¿Se compone el universo sólo de quarks y electrones?

NO…existen los neutrinos!

Para los neutrinos los protones, neutrones y electrones son escasos. Para cada uno de ellos existen 109 neutrinos

ν

ν ν ν ν ν νννννννν νν ν ν νν ν νννννννν νν νν νν ν ν ν ν ν νν ν ν νν ν ννννννν νν νν νν ννννννννν νν ν ννν ννννννννν νν ν ννν ννννννν

1 cmEn cada cm3 deespacio: ~300 neutrinos Llegan del Big Bang

Neutrinos en todas partes!

1 cm

Sólo 4 partículas para la materia (conocida)

ννee

ee--

uu

dd-1/3

+2/30

-1

carga

Toda la materia estable está hecha por electrones, neutrinos, u y d

Quarks:u = upd = down

Leptones:ν = neutrinoe = electrón

3 Familias (o Generaciones)

ννµµ

µµ--

cc

ss

ννττ

ττ--

tt

bbMateria ordinaria Rayos Cósmicos Aceleradores

1a generación 2a generación 3a generación

-1/3-1/3

+2/3 +2/3

ννee

ee--

uu

dd-1/3

+2/3

Creemos que estás partículas son los constituyentes fundamentales de la materia

-1 -1 -1

0 00

Las generaciones de la materiaLos quarks y leptones existen en 3 distintos grupos.

Toda la materia visible está hecha de la primera generación de partículas de materia. La segunda y tercera generación de partículas de materia son inestables y decaen en la primera generación.

¿Por qué existen la 2a y 3a generación?

No sabemos. Posiblemente se deba a que estas partículas no son fundamentales, están constituidas de otras aún más pequeñas.

Antimateria• Para cada partícula fundamental existe una antipartícula con

propiedades iguales y con números cuánticos opuestos.

ννee

ee--

uu

dd-1/3

+2/3

ννee

ee++

uu

dd+1/3

-2/3

+1

0

-1

0

positrón

• Las correspondientes antipartículas existen para las 3 familias• La antimateria se produce en los grandes aceleradores.

Materia Antimateria

La barra indica antipartícula

"Young man, if I could remember the names of these particles, I would have been a botanist!“

E. Fermi dijo a su estudiante L. Lederman

(ambos ganadores del premio Nobel)

La Biblia de la Física de Partículas: Particle Data Bookhttps://pdg.lbl.gov