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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 1
FRONTERAS EN LA FFRONTERAS EN LA FÍÍSICA DE SICA DE PARTPARTÍÍCULASCULAS
A.P.F.UA.P.F.U..Trinidad Setiembre 2004Trinidad Setiembre 2004
Gabriel GonzGabriel Gonzáález lez SprinbergSprinbergINSTITUTO DE FINSTITUTO DE FÍÍSICA, FACULTAD DE CIENCIASSICA, FACULTAD DE CIENCIAS
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 2
TemarioTemario
• Introducción
• Higgs
• Neutrinos
• Materia Oscura
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 3
Type of force: Gravitational Weak Electro-magnetic Strong Range: infinite ≤10-16cm infinite ≤10-13cm Strength relative to strong force at a distance 10-13 cm
10-38 10-13 10-2 1
Decay time for a typical small mass hadron:
10-10s 10-20s 10-23s
Mediator: Graviton W+,W-,Z0 Photon γ gluon
Mass of the mediator:
0 82 GeV/c
2
92 GeV/c2
0 0
Theories: Strong interaction Quantum chromodynamicsQCD
em interaction Quantum electrodynamicsQED
Weak interaction Weinberg – Salammodel (Flavour dynamics)
Gravitation Quantum gravity (?)
Einstein’s general relativity
1.3 Basic Interactions (forces)1.3 Basic Interactions (forces)INTERACCIONES FUNDAMENTALES (FUERZAS)INTERACCIONES FUNDAMENTALES (FUERZAS)
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 4
PartPartíículas y Escalasculas y Escalas
Escala en
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 5
Historia de la Historia de la unifunificaicacciióónn de las fuerzasde las fuerzas
gravity
electric magnetic
α-decay
β-decay
γ-decay
planets apple
electromagnetiesm
atoms
Quantum mechanics
mechanics
Special relativity
Quantum ElectroDynamicsWeak force
Strong forceElectroweak theory
Grand Unification?
GR
String theory?
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 6
W here are the HEP experiments ?
S L A C
Stanford
(e+e-)
Ferm ilab
(pp, n)
C E SR
C ornell (e+e -)D ESY
H am burg (ep)
C ER N
G eneva
(e+e-, pp)
D AΦΦΦΦ N E
Frascati
(e+e-)
N ovosibirsk
( e+ e - )
B EPC
B eijing
( e+ e - )
K EK
( e+ e - ,νννν )
ExperimentosExperimentos
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 7
Fermilab Tevatron
M ain Ring
(p’s and anti-p’s)
150 GeV
Tevatron
(p’s and anti-p’s)
900 GeV
The two counter-rotating beams are focused and brought into collision at the
CDF and D∅ detectors.
The accumulated stack of 8 G eV antiprotons, plus a new batch of 8 G eV protons from
the Booster, are accelerated to 900 GeV by the M ain Ring and the superconducting
Tevatron w orking in tandem.
TevatronTevatron en en FermilabFermilab
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 8
CERNCERN
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 9
PartPartíículas y Cosmologculas y Cosmologííaa
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 10
Aceleradores y CosmologAceleradores y Cosmologííaa
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 11
Higgs boson
t quark
b quark
s quark
ISR
Tevatron
SPEAR
SppS
TRISTAN
LEPII
CESR
Prin-Stan
Accelerators
electron
hadron
W, Z bosons
c quark
LHC
PEP
SLC
1960 1970 1980 1990 2000
Starting Year
2010
10-1
100
101
102
103
104
Co
nst
itu
ent
CM
En
erg
y (
GeV
)
Aceleradores en el tiempoAceleradores en el tiempo
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 12
Ruptura espontRuptura espontáánea de la simetrnea de la simetrííaa
BosonBoson de de HiggsHiggs
GeneraciGeneracióón de masa n de masa
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 13
Masa en Teoría de Campos
Ondas planas � resorte
L = p2/2m + k/2 x2
Partícula libre con masa � Ondas plana
Lmasa � v W� W �
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 14
Ruptura espontánea de la simetría
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 15
2 2 41 1 1
2 2 4L T V
µµφ φ µ φ λφ
= − = ∂ ∂ − +
Higgs y generación de masa
INTL W W
µµφ= , .v h v constφ = +
LINT � Lmasa � � W� W �
TÉRMINO DE MASA !!
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Boson de Higgs y masa del W
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BosonBoson de de Higgs Higgs y los experimentosy los experimentos
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 18
Boson Boson de de HiggsHiggs
•Datos actuales combinados con las predicciones teóricas del Modelo estándar:
mH < 196 GeV (95%CL)
mH > 113 GeV (95%CL)
•Tevatron en el Fermilabpuede descubrir o excluir el boson Higgs del SM en el 2008
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 19
Large Large HadronHadron Collider (Collider (LHC):TeVLHC):TeV
� proton-proton colisionador
� energía 14 TeV(cf. 2TeV @ Fermilab)
� En construcción enCERN, Geneva
� Europeo en su mayoría
� Contribuciones deUS, Japan, Canada
� Comienzo en ~2007
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CERN CERN -- LHCLHC
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 21
ProducciProduccióón en LHC n en LHC
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 22
Boson de Higgs en el LHC
•LHC puede descubrir el boson de Higgspredicho por el SM, de cualquier masa, en 3 años!
•Medirá masa y cociente de acoplamientos
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 23
Algo más puede aparecer en el LHC
HIGGS
SUPERSIMETRÍA,
DIMENSIONES EXTRA,
LEPTOQUARKS
...???
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 24
NNEUTRINOSEUTRINOS
Un puzzle de 70 aUn puzzle de 70 aññosos
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 25
� Desde el Big Bang:– Cuando el Universo estaba caliente, los neutrinos se crearon junto con las otras partículas
– Quedan unos cuantos: ~300 neutrinos por cm3
� Vienen del SOL:– Trillones de neutrinos pasan por este salón cadasegundo
�No los vemos:– Para detenerlos se necesita una pared de hierro de 3 años luz...
Los Los NNEUTRINOSEUTRINOS estestáán presentesn presentes
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 26
Problemas con el espectroProblemas con el espectro Beta Beta
� Tres tipos deradioactividad: α, β, γ
� α, γ con espectro discreto porque
Eα, γ = Ei – Ef
� Pero el espectro β es contínuo!
Bohr: At the present stage of atomic theory, however, we may say that we have no argument, either empirical or theoretical, for upholding the energy principle in the case of b-ray disintegrations
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 27
Idea Idea desesperada dedesesperada de PauliPauli
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 28
TTres tipos deres tipos de NeutrinosNeutrinos
� Tres neutrinos � Y no más
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 29
Los Los Neutrinos Neutrinos son zurdosson zurdos
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 30
Los nLos neutrinoseutrinos no deben tener masano deben tener masa
� Todos los neutrinos izquierdos ⇒ sin masa� Con masa no pueden ir a la vel. de la luz.
� Ahora los neutrinos son derechos?? ⇒ contradicción ⇒ no tienen masa
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 31
NeutrinosNeutrinos: tienen masa ?: tienen masa ?
� Pauli apostó una caja de champagne asegurando que nadie encontraría los neutrinos
� Finalmente, Cowan yReines lo hicieron usando un reactor nuclear en 1958
� Neutrinos sin masa en el Modelo Estándar (‘60s)
� Evidencia masa neutrinosSuperK (1998) ySNO (2002)
� Primera evidencia que el Modelo Estándar mínimo de las partículas elementales es incompleto!
� 2002 Nobel : � Davis Koshiba
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 32
Mucho esfuerzo desde los ’60......
Finalmente se encontró evidencia convincente de “oscilación de neutrinos”
Los neutrinosparecen tener una masa pequeña perofinita
NeutrinosNeutrinos: mucho trabajo y gente: mucho trabajo y gente
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 33
SuperSuper--KamiokandeKamiokande ((SuperKSuperK))
�Mina Kamiokaen Japón
� ~1000m bajo tierra
� 50kt agua� Detectorinterno– 11,200 PMTs
� Detectorexterno– 2,000 PMTs
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 34
SuperKamiokaNDESuperKamiokaNDE
Experimento del decaimiento Experimento del decaimiento
del del Nucleon Nucleon � p→e+π0, K+ν, etc– No observados aun– Fondo de neutrinos atmosféricos
� Rayos cósmicos isotrópicos– Neutrinos atmosféricos simetricos arriba-abajo
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 35
Mitad deMitad de ννµµ perdidosperdidos!!
teoría experimento
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 36
Oscilaciones de dosOscilaciones de dos--nneutrinoeutrinoss
νµ , t = 1 cosθ e−im1
2t / 4 p
+ 2 sinθ e−im2
2t / 4p
� Cuando son producidos (ej., π+→µ+νµ),
los neutrinos son de un tipo particular
�No más 100% νµ , parcialmente ντ!
(Pontecorvo)
� “Probabilidad de supervivencia” paraνµ después de t
P = νµ νµ , t2
= 1 − sin2
2θ sin2
1.27∆m
2c
4
eV2
GeV
cr p
ct
km
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 37
ProbabiliProbabilidad de dad de supervivienciasuperviviencia
La mitad de los que atraviesan la tierra se pierden
p=1 GeV/c, sin2 2θ=1
∆m2=3×10–3(eV/c2)2
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 38
Resumen de resultados atmosféricos
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 39
MMááss por venirpor venir
#eventos si no hay oscilacion#eventos observados: 56MINOS (IL → MN) 2005OPERA/ICARUS (CERN → GS) 2006
250km
80.1−5.4+6.2
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 40
Neutrinos solaresNeutrinos solares
� La fusión nuclear produce mucha energía
Φν =2Lsun
25MeV
1
4π (1AU)2= 7 ⋅10
10sec
−1cm
−2
PorquPorquéé brilla el SOL?brilla el SOL?
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 41
NO los recibimos todos...NO los recibimos todos...
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 42
Los nLos neutrinoeutrinos oscilans oscilan ??
� Explica los datos
� Problemas con el modelo del sol?
� Problemas con los experimentos?
� Problemas con la física de neutrinos?
LMA
LOW
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 43
SNOSNO
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 44
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 45
SNO SNO al rescateal rescate
� Corrientes cargadas:νe
� Corrientes neutras: νe+νµ+ντ
⇒ νµ,τ vienen del sol!
ΦCC = 1.76 ± 0.05 ± 0.09 ⋅106 cm−2 sec−1
ΦNC = 5.09 −0.43+0.44 −0.43
+0.46 ⋅106 cm−2 sec−1
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 46
NeutrinosNeutrinos equivocadosequivocados
• Sólo νe son producidos en el sol
• Neutrinos equivocados νµ,τ
vienen del sol!
• De alguna forma algunos de los νe se convierten en νµ,τ en su camino desde el centro del sol al detector
⇒⇒⇒⇒ Oscilación de neutrinos!
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 47
Nuevas preguntasNuevas preguntas
� Porqué tienen masa?� Porqué tan pequeña?� Se ha visto diferencias de masas. Cuáles son las masas?
� Es necesario un cuarto neutrino?
� Son los neutrinos y anti-neutrinos iguales?
� Como se extiende el Modelo Estándar para incorporar neutrinos masivos?
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 48
Materia OscuraMateria Oscura
(no emite radiación electromagnética)
� Predicha por el modelo inflacionario Big Bang
� Las evidencias experimentales son gravitacionales- movimiento de brazos espirales viola las leyes de Kepler- idem con estrellas en brazos espirales exteriores- velocidad de rotación de galaxias alrededor de los centros de cluster- nubes de gas caliente observado alrededor de las galaxias debería escapar- lentes gravitaciones en desacuerdo con materia luminosa observada
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 49
RotaciRotacióónn de de GalaxiasGalaxias
Gravedad:G M(r) / r2 = v2 / rmasa encerrada: M(r) = v2 r / G
velocidad, vradio, r
Estrellas luminosas son una pequeña fracción de la masa de la galaxia
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 50
CandidatosCandidatos
� neutrinos masivos?
� materia ordinaria (bariónica) que no radía?- polvo interestelar- enanas blancas oscuras, agujeros negros pequeños(MAssive Compact Halo Object)
� WIMP (partículas masivas débilmente interactuantes) ?
� axiones (asociados con QCD)?
menos del 18%
menos del 30%
principal candidato � 1013 WIMPS/s/kg en la tierra
cotas muy fuertes en su masa
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 51
EnergEnergíía y materiaa y materia
Dark Energy(~70%)
Stars(~2%)
BaryonicDM(~3%)
NonbaryonicDM
(~25%)
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 52
ConclusiConclusióónn
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Setiembre 2004 APFU-Trinidad G.González Sprinberg 53
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