en el corazón de la materia

en el corazón de la materia
la frontera de la física de la interacción fuerte
Carlos Pena
Desafíos de la Física Fundamental
Residencia de Estudiantes, 13/11/2014
[Cosmic Voyage - Smithsonian Institution, 1996]
¿cuál es el origen de nuestra masa?
¿qué ocurre con los núcleos atómicos
a enormes temperaturas / densidades?
¿cómo se puede comprender una
interacción fundamental usando
superordenadores?
una historia de tres colores...
energía oscura
72%
materia oscura
23%
materia ordinaria
5%
energía oscura
72%
materia oscura
23%
materia ordinaria
5%
electromagnetismo
interacciones nucleares
débil y fuerte
Geiger, Marsden, Rutherford:
el núcleo es mucho más pequeño que el átomo
[http://www.youtube.com/watch?v=5pZj0u_XMbc]
Chadwick; Bothe, Becker, Joliot, Joliot-Curie, Lawrence, ...:
el núcleo contiene partículas neutras, que no son pares
protón-electrón
existe una interacción más fuerte que
la electromagnética, que mantiene
unidos protones y neutrones
¿hay una estructura
subyacente en el zoo
de hadrones?
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]
M Gell-Mann
Y Ne’eman
G Zweig
modelo quark: las regularidades en las propiedades de los
hadrones se pueden describir considerándolos estados
compuestos por partículas más elementales
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]
M Gell-Mann
Y Ne’eman
G Zweig
modelo quark: las regularidades en las propiedades de los
hadrones se pueden describir considerándolos estados
compuestos por partículas más elementales
los protones tienen subestructura: partones
J Bjorken
¿¿¿partones = quarks???
R Feynman
colores para resolver una paradoja: el barión Ω
¿cómo pueden convivir 3 fermiones
de spin 1/2, teniendo en cuenta el
principio de exclusión de Pauli?
O Greenberg
cromodinámica cuántica (QCD): los hadrones (protones, neutrones, ...)
están constituidos por quarks, que poseen carga de color
la interacción fuerte entre quarks implica el intercambio de gluones,
de la misma forma que las cargas eléctricas interactúan
intercambiando fotones
ē
e
ep+
e
ē
cromodinámica cuántica (QCD): los hadrones (protones, neutrones, ...)
están constituidos por quarks, que poseen carga de color
H Fritzsch
M Gell-Mann
H Leutwyler
J Wess
...
simetría gauge: todos los colores son iguales ante la ley
=
los colores de los quarks que constituyen un hadrón son
complementarios: los estados físicos son incoloros (confinamiento)
cromodinámica cuántica (QCD): los hadrones (protones, neutrones, ...)
están constituidos por quarks, que poseen carga de color
libertad asintótica: la intensidad
de la interacción fuerte disminuye
con la distancia (y viceversa)
cromodinámica cuántica (QCD): los hadrones (protones, neutrones, ...)
están constituidos por quarks, que poseen carga de color
fuerte (larga distancia)
débil (corta distancia)
D Gross
D Politzer
F Wilczek
el vacío cuántico posee estructura, revelada por los campos gauge
polarización del vacío
∆E ∆t ≥ �
Heisenberg
el vacío cuántico posee estructura, revelada por los campos gauge
polarización del vacío
∆E ∆t ≥ �
Heisenberg
el vacío cuántico posee estructura, revelada por los campos gauge
polarización del vacío
∆E ∆t ≥ �
Heisenberg
¡el protón es un sistema complicado!
las complicadas interacciones entre quarks constituyentes se
pueden describir como una cuerda (“tubo de flujo”) que los une
las complicadas interacciones entre quarks constituyentes se
pueden describir como una cuerda (“tubo de flujo”) que los une
la tensión de una “cuerda” quark-antiquark es similar a la de un
cable de acero de 1 cm de grosor, pero está concentrada en una
sección 10000000000000 menor
las complicadas interacciones entre quarks constituyentes se
pueden describir como una cuerda (“tubo de flujo”) que los une
la tensión de una “cuerda” quark-antiquark es similar a la de un
cable de acero de 1 cm de grosor, pero está concentrada en una
sección 10000000000000 menor
masa del electrón: me = 0.511 MeV/c
masa del nucleón: mN = 939 MeV/c
2
2
masas de los quarks: 2mu + md ≈ 10 MeV/c2
masa del electrón: me = 0.511 MeV/c
masa del nucleón: mN = 939 MeV/c
2
2
masas de los quarks: 2mu + md ≈ 10 MeV/c2
Elig (protón)
≈
100
(2mu + md )c2
e-
p+
ē
e
e
ē
Elig (hidrógeno)
≈ 0.00001
2
(me + mp )c
masa del electrón: me = 0.511 MeV/c
masa del nucleón: mN = 939 MeV/c
2
2
masas de los quarks: 2mu + md ≈ 10 MeV/c2
prácticamente toda la masa de la
materia ordinaria proviene de la energía
de interacción entre los constituyentes
de protones y neutrones
T⊙ = 1.57 × 107 K
Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)
Brookhaven, New York.
Au
197
Au
197
Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)
Brookhaven, New York
Au
197
Au
197
Large Hadron Collider (LHC)
Francia/Suiza
¿qué sabemos sobre el medio generado en la colisión?
no es transparente para los gluones
se comporta como un fluido casi perfecto
[https://www.youtube.com/watch?v=rCxkKp8Ngw4]
sus constituyentes interactúan muy fuertemente
¿es posible derivar estas propiedades de QCD?
fuerte (larga distancia)
débil (corta distancia)
fuerte (larga distancia)
débil (corta distancia)
17000000000000000 ops/s
[Sequoia, LLNL]
11000000000000000 ops/s
[K, RIKEN]
900000000000000 ops/s
[JUQUEEN, FZJ]
[MareNostrum III, BSC]
5000000000000000 ops/s
115000000000 ops/s
= 100000 x
[BMW Collaboration 2008]
e=mc2: 103 years later, Einstein
proven right
Updated November 21, 2008 16:48:00
It's taken more than a century, but
Einstein's celebrated formula
e=mc2 has finally been
corroborated, thanks to a heroic
computational effort by French,
German and Hungarian physicists.
A brainpower consortium led by
Laurent Lellouch of France's Centre for
Theoretical Physics, using some of the
world's mightiest supercomputers,
have set down the calculations for
estimating the mass of protons and
neutrons, the particles at the nucleus
of atoms.
PHOTO: Confirmed: even though Einstein's
hypothesis was made over a century ago, it hadn't
been corroborated until now.
MAP: France
According to the conventional model of
particle physics, protons and neutrons
comprise smaller particles known as quarks, which in turn are bound by gluons.
The odd thing is this: the mass of gluons is zero and the mass of quarks is only 5 per cent.
Where, therefore, is the missing 95 per cent?
The answer, according to the study published in the US journal Science, comes from the
[BMW Collaboration 2008]
[HotQCD Collaboration]
[W Kandinsky, Cuadrados con círculos concéntricos (1913)]