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Física de altas energías experimentalFUENTESRADIOACTIVIDAD(alfa, γ,β)ACELERADORES(Los electrones se obtienen al calentarmetales, los protones quitándoleelectrones al H, etc.)Rayos Cósmicos


Los Rayos Cósmicosvienen del espacio congran energía y dan lugaren la atmósfera a unacascada de partículas delos más variado.


Rayos cósmicosLa mayor fuentede partículasenergéticas deluniverso


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 cloudchambers• Bothe and Kolhoerster designed the firstcoincidence technique to show they are indeedcharged particles. (1929)Post MSc Lectures, December, SINP


History of Cosmic Rays: 19121912 Victor HessInvestigatedsources ofradiation – took balloon up to5000 metersFound radiation increasedafter 2500 metersThis could be attributed to thefact that there was lessatmosphere above to shieldhim from radiationThus he discovered thatradiation is coming fromspace ... “cosmic“radiation”Won Nobel Prize in 1936


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


What are cosmic rays (CRs)?• As it turns out, thesecharged particles areatomic nuclei zoomingthrough space– Called “primary” CRs– Mostly protons or α (He) nuclei(other elements too, in muchshorter supply)– There are more coming in atlower than higher energies• When these hit anothernucleus in the atmosphereand stop, more particlesare knocked downward,causing a cascading effectcalled a “shower”– Particles in the shower arecalled “secondary” CRs


Particle Physics CosmicRaysElectrons and positrons incloud chambers


Discovering ElementaryparticlesAnderson and Neddermeyerdiscovered muons (1936)Blackett and others went tohigh altitudes, Pic du Midiobs.Nuclear emulsion platesPost MSc Lectures, December, SINP


Aceleradores ElectrostáticosEl voltaje entre dos electrodos se utiliza para acelerar electrones:∆E = qV.Cockcroft and WaltonLos protones son llevado a lacima de la columna al vacío. Seaceleran cuando bajan de lacolumna y pasan por una seriede cilindros metálicoscargados eléctricamente


Aceleradores ElectrostáticosEl voltaje entre dos electrodos se utiliza para acelerar electrones:∆E = qV.Van der GraafEl generador van der Graafusa un cinturón paraacumular grandes voltajesen un globo metálico. Ladiferencia de potencial enestos generadores puedenllegar a 5 megavoltios.


Aceleradores LinealesSurgidos en los años 1920s, el acelerador lineal olinac, usa voltajes alternantes de gran magnitudpara empujar partículas en línea recta. Laspartículas pasan por un tubo cilíndrico al vacíodonde está presente un voltaje alternante donde unvoltaje sincronizado empuja a las partículas entredos de cada esfera. Teóricamente se puedeconstruir un linac a cualquier energía deseada. Elmás largo es el SLAC en Stanford de 2 millas o 3.2km de longitud. Puede acelerar electrones hasta 50GeV.Cavidades de radiofrecuencia son usadas paraobtener campos eléctricososcilantes.


Acelerando con campos eléctricos oscilante


Ciclotrón (E.O. Lawrence, 1931)Un ciclotrón es como unlinac enrollado en unaespiral. En lugar demuchos tubos, elacelerador tiene doscámaras al vacío llamadasDes, una enfrente de laotra.Energías: 10-15 MeVUn campo magnético, producido por un electromagneto potente, mantienelas partículas en una trayectoria circular. Cada vez que la partícula cargadapasa a través del espacio entre las Des, éstas se aceleran. Así como laspartículas ganan energía, aumenta su trayectoria espiral hacia los bordes delas Des hasta alcanzar la energía suficiente para salir del acelerador.


BetatronWhen electrons are accelerated, theyundergo a large increase in mass at arelatively low energy. At 1 MeV energy, anelectron weighs two and one-half times asmuch as an electron at rest.Synchrocyclotrons cannot be adapted tomake allowance for such large increases inmass.Another type of cyclic accelerator, the betatron, is employed toaccelerate electrons. The betatron consists of a doughnut-shapedevacuated chamber placed between the poles of an electromagnet. Theelectrons are kept in a circular path by a magnetic field called a guidefield. By applying an alternating current to the electromagnet, theelectromotive force induced by the changing magnetic flux through thecircular orbit accelerates the electrons. During operation, both the guidefield and the magnetic flux are varied to keep the radius of the orbit ofthe electrons constant.Energies up to 350 MeV


SincrociclotrónCuando las partículas en un ciclotrónllegan a energías de 20 MeV o más,adquieren más masa, como lopredice la teoría de la relatividad.Esto produce que se frenen un pocohasta desfasar las partículas alpasar en el espacio entre las Des. Lasolución es un sincrociclotrón.En este instrumento, el oscilador(generador de radiofrecuencia)que acelera las partículasalrededor de las Des se ajustaautomáticamente para continuarcon la aceleración aunque éstasganen masa.Enrico Fermi en el Sincrociclotrón de ChicagoEnergías a 680 MeV


SynchrotronThe synchrotron is the most recent and mostpowerful member of the accelerator family. Asynchrotron consists of a tube in the shape of alarge ring through which the particles travel;the tube is surrounded by magnets that keepthe particles moving through the center of thetube (quadrupoles).The particles enter the tube after alreadyhaving been accelerated to several millionelectron volts.To keep the particles in arigid orbit, the strengthsof the magnets in thering are increased as theparticles gain energy. Thesynchrotron principle canbe applied to eitherprotons or electrons,although most of thelarge machines areproton-synchrotrons


CollidersLHC (Large Hadron Collider)Circonference: 27 KmA storage ring collider accelerator is asynchrotron that produces MOREENERGETIC collisions between particlesthan a conventional synchrotron, whichslams accelerated particles into astationary target.A storage ring collider accelerates two sets of particles that rotate in oppositedirections in the ring, then collides the two sets of particles.Proton-proton collisions 14 TeVLHC (Large Hadron Collider)Pb-Pb ions with collision energyof 1150 TeV


collisions:proton-proton at 14 TeVIon-ion at 1150 TeVin the Center of Mass


DESYDeutsches Elektronen Synchrotron


Aceleradores (Fermilab)


Aceleradores (STAR BNL)


Aceleradores (Fermilab)


Aceleradores (STAR BNL)


ALICE


Synchrotron radiationSynchrotron radiation is the name given to lightradiated by charged particles following a curvedtrajectory -for example, a charged particleunder the influence of a magnetic field.In particles accelerators used for HEPexperiments it is not convenient since part ofthe particle energy is lost (more critical forlight particles as electrons and positrons, in LEP2 GeV lost for each turn).BUT..it has a wide range of applications in manyresearch fields ! (production of intense UV, softX-ray and hard X-ray..)


Aceleradores (CERN)


AceleradoresLa energía de losaceleradores se haincrementado a travésdel tiempo…Tres órdenes de magnitudcada 20 años.


Quarks detectados con protonesFreeway 2802 miles long acceleratorEnd Station Aexperimental areaStanford (SLAC), California, en los 1960selectrones chocan con protones, En 1995 descubre ellepton Tau


Protones y neutronesvistos en el modelo de quarksQuarks tienen carga eléctrica fraccionariau carga eléctrica + 2/3d carga eléctrica −1/3protón (carga +1) neutrón (carga 0)uuuddd⎛⎜ +⎝2 ⎞⎟3 ⎠⎛⎜ +⎝2 ⎞⎟3 ⎠⎛ 1 ⎞⎜ − ⎟⎝ 3 ⎠⎛ 2 ⎞⎜ + ⎟⎝ 3 ⎠u u d = p ( + 1)u d d = n ( 0)⎛⎜ −⎝1 ⎞⎟3 ⎠⎛⎜ −⎝1 ⎞⎟3 ⎠


6.3 KmQuarksDeutsches ElektronenSynchroton• Fueron observadasexperimentalmente encolisiones electrón-protón enDESY (Hamburgo) hacia1968.• Los electrones tenían 20 GeVde energía.


QuarksDeutsches ElektronenSynchrotonElectronLos quarks están confinados, nose observan libremente comotalesQuarkCascada de partículasque origina el quark


QuarksDetector ZEUS (DESY)ProducciónProducciónquark-antiquarkquark-antiquark másgluón


¿Se compone el universo sólo dequarks y electrones?NO…existen los neutrinos!νPara los neutrinos los protones, neutrones y electrones son escasos.Para cada uno de ellos existen 10 9 neutrinosEn cada cm 3 deespacio: ~300 neutrinosLlegan del Big Bangν ν ν ν ν νννννννννν ν ν νν ν νννννννν νν νν νν ν ν ν ν ννν ν ν νν ν ννννννν νν νν νν ννννννννν νν ν ννν ννννννννν νν ν ννν ννννννν1 cm1 cmNeutrinos en todas partes!


Sólo 4 partículas para la materia(conocida)carga0+2/3Leptones:ν = neutrinoe = electrónν ee --1ud -1/3Quarks:u = upd = downToda la materia estable está hecha porelectrones, neutrinos, u y d


3 Familias (o Generaciones)1 a generación 2 a generación 3 a generaciónν e0u+2/3ν µ0 +2/3 0 +2/3cν τte --1 -1/3-1 -1/3d τ --1µ -sb-1/3Materia ordinaria Rayos Cósmicos AceleradoresCreemos que estás partículas son losconstituyentes fundamentales de la materia


Las generaciones de la materiaLos quarks y leptones existen en 3 distintosgrupos.Toda la materia visible está hecha de la primerageneración de partículas de materia. La segunday tercera generación de partículas de materiason inestables y decaen en la primerageneración.¿Por qué existen la 2a y 3a generación?No sabemos. Posiblemente se deba a queestas partículas no son fundamentales, estánconstituidas de otras aún más pequeñas.


Antimateria• Para cada partícula fundamental existe una antipartícula conpropiedades iguales y con números cuánticos opuestos.MateriaAntimateria0ν eu+2/3ν e0u-2/3La barra indicaantipartículae --1d-1/3e ++1+1/3dpositrón• Las correspondientes antipartículas existen para las 3 familias• La antimateria se produce en los grandes aceleradores.


"Young man, if I couldremember the names ofthese particles, I wouldhave 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

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