El modelo estándar de la física de partículas: contribuciones experimentales: memòria llegida per l'acadèmica electa Martine Bosman, a l'acte de la seva recepció el dia 10 de maig de 2018

• Autores: Martine Bosman
• Localización: Memorias de la Real Academia de Ciencias y Artes de Barcelona, ISSN 0368-8283, Vol. 67, Núm. 3, 1050, 2018, págs. 1-66
• Idioma: español
• Texto completo no disponible (Saber más ...)
• Resumen
  • español

    El modelo estándar de la física de partículas es la teoría que describe los constituyentes fundamentales de la materia y las fuerzas que rigen sus interacciones. El desarrollo del modelo empezó a principio del siglo XX con los experimentos que estudiaron la estructura del átomo. Llevó a la formulación de la teoría cuántica de campos describiendo las partículas y las fuerzas que las afectan en términos de campos cuánticos. La primera teoría en formalizarse fue la electrodinámica cuántica. La fuerza electromagnética entre dos partículas con carga eléctrica resulta del intercambio de fotones, los cuantos del campo electromagnético, que actúan como mediadores de la fuerza.

    En paralelo con los desarrollos teóricos, la construcción de aceleradores de partículas cada vez más potentes permitió estudiar de manera más fina la estructura de la materia y las distintas fuerzas. Se descubrió que los protones y neutrones que forman los núcleos de los átomos son partículas compuestas de otras partículas más elementales, los quarks. Les unen la fuerza fuerte que resulta del intercambio de gluones, los mediadores de la fuerza fuerte. La radiactividad, como por ejemplo la desintegración beta de un átomo donde un neutrón se transforma en un protón con la emisión de un electrón y un neutrino, es debida a la fuerza débil. Son tres las partículas mediadores de la fuerza débil: dos partículas con carga eléctrica (W+, W−) y una neutra (Zº). Las partículas de materia, los quarks, el electrón y el neutrino, se llaman fermiones. Se distinguen de las partículas mediadores de fuerzas, llamadas bosones, por el valor de su momento angular intrínseco o espín. Los fermiones tienen un valor de espín 1/2, mientras que los bosones tienen un valor de espín 1.

    En esta memoria se describen los aceleradores y experimentos que se construyeron desde los años setenta hasta hoy, y que contribuyeron a establecer el modelo estándar con el descubrimiento de tres familias de fermiones y de los bosones mediadores de las fuerzas débil y fuerte, culminando en 2012 con el descubrimiento del bosón de Higgs, el cuanto asociado al campo de Higgs, cuya existencia fue postulada por los teóricos durante los años sesenta para explicar el origen de la masa de las partículas. Se describen los experimentos y las nuevas técnicas que permitieron medir las propiedades de los quarks más pesados miembros de la segunda y la tercera familia de quarks. A medida que la energía alcanzada por los aceleradores aumentaba, se estudiaron quarks cada vez más pesados, como los quarks charm, bottom y top. El más reciente y potente acelerador, el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, es un acelerador circular donde se producen choques de protones. Los primeros datos se tomaron en 2010. Se describen los distintos componentes del detector ATLAS, incluyendo la contribución del IFAE. Se explican también la reconstrucción de las partículas producidas en los choques a partir de las señales eléctricas de los detectores, el análisis de los datos y una selección de resultados experimentales.

    Se concluye con una breve discusión sobre el estado actual de conocimiento del modelo estándar, además de las numerosas preguntas que quedan todavía abiertas para poder explicar todos los fenómenos físicos conocidos".

  • English

    The standard model of particle physics is the theory that describes the fundamental constituents of matter and the forces that govern their interactions. The development of the model started at the beginning of the 20th century with the experiments that studied the structure of the atom. It led to the formulation of the quantum field theory describing the particles and the forces that affect them in terms of quantum fields. The first theory to be formalized was quantum electrodynamics. The electromagnetic force between two electrically charged particles results from the exchange of photons, the quanta of the electromagnetic field, which act as mediators of the force.

    In parallel with the theoretical developments, the construction of increasingly powerful particle accelerators allowed to study in more details the structure of the matter and the various forces. It was discovered that the protons and neutrons forming the nuclei of atoms are composite particles formed by more elementary particles, the quarks. They are kept together by the strong force resulting from the exchange of gluons, the mediators of the strong force. Radioactivity, such as the beta decay of an atom where a neutron is transforms into a proton with the emission of an electron and a neutrino, is due to the weak force. There are three particles mediators of the weak force: two electrically charged particles (W +, W-) and one neutral particle(Zº). Matter particles, the quarks, the electron and the neutrino, are called fermions. They differ from force-mediators particles, called bosons, by the value of their intrinsic angular momentum or spin. The fermions have a spin value of 1/2, while the bosons have a spin value of 1.

    In this report we describe the accelerators and experiments that were constructed between the seventies and today, and which helped to establish the standard model with the discovery of three fermions families and of the bosons mediating the weak and strong forces, culminating in 2012 with the discovery of the Higgs boson, the quantum associated with the Higgs field, whose existence was postulated by the theorists during the sixties to explain the origin of the mass of the particles. We describe the experiments and the new techniques that allowed to measure the properties of the heavier quarks members of the second and third family of quarks. As the energy reached by the accelerators increased, heavier quaks members of the second and third family of quarks. As the energy reached by the accelerators increased, heavier quarks could be studied as th quarks charm, bottom and top. The most recent and powerful accelerator, the Gran Colisionador de Hadrones of CERN, is a circular accelerator where proton collide head on. The first data were taken in 2010. The various components of the ATLAS detector are described, including the contribution of IFAE, as well as the reconstruction of the particles produced in the collisions from the electrical signals of the detectors, the analysis of the data and a selection of experimental results.

    To conclude we briefly discuss the current state of knowledge of the standard model, and list a number of remaining open questions in order to explain all known physical phenomena

  • català

    El model estàndard de la física de partícules és la teoria que descriu els constituents fonamentals de la matèria i les forces que regeixen les interaccions. El desenvolupament del model va començar al principi del segle XX amb els experiments que van estudiar l'estructura de l'àtom. Va portar a la formulació de la teoria quàntica de camps descrivint les partícules i les forces que les afecten sobre la base de camps quàntics. La primera teoria que es va formalitzar va ser l'electrodinàmica quàntica. La força electromagnètica entre dues partícules que tenen càrrega elèctrica resulta de l'intercanvi de fotons, els quàntums del camp electromagnètic, que actuen com a mediadors de la força.

    En paral•lel amb els desenvolupaments teòrics, la construcció d'acceleradors de partícules cada vegada més potents va permetre estudiar de manera més fina l'estructura de la matèria i les diferents forces. Es va descobrir que els protons i neutrons que formen els nuclis dels àtoms són partícules compostes d'altres partícules més elementals, els quarks. Els uneixen la força forta que resulta de l'intercanvi de gluons, els mediadors de la força forta. La radioactivitat, com ara la desintegració beta d'un àtom on un neutró es transforma en un protó amb l'emissió d'un electró i un neutrí, és deguda a la força feble. Són tres les partícules mediadors de la força feble: dues partícules amb càrrega elèctrica (W +, W-) i una neutra (Z0). Les partícules de matèria, els quarks, l'electró i el neutrí, es diuen fermions. Es distingeixen de les partícules mediadores de forces, anomenades bosons, pel valor del seu moment angular intrínsec o espín. Els fermions tenen un valor d'espín 1/2, mentre que els bosons tenen un valor d'espín 1.

    En aquesta memòria es descriuen els acceleradors i experiments que es van construir des dels anys setanta fins avui, i que van contribuir a establir el model estàndard amb la descoberta de tres famílies de fermions i dels bosons mediadors de les forces feble i forta, que culminar el 2012 amb el descobriment del bosó de Higgs, el quàntum associat al camp de Higgs. La seva existència va ser postulada pels teòrics durant els anys seixanta per explicar l'origen de la massa de les partícules. Es descriuen els experiments i les noves tècniques que van permetre mesurar les propietats dels quarks més massius membres de la segona i la tercera família de quarks. A mesura que l'energia aconseguida pels acceleradors augmentava, es van estudiar quarks cada vegada més pesants, com els quarks charm, bottom i top. El més recent i potent accelerador, el Gran Col•lisionador d'Hadrons del CERN, és un accelerador circular on es produeixen xocs de protons. Les primeres dades es van prendre en 2010. Es descriuen els diferents components del detector ATLAS, incloent-hi la contribució de l'IFAE, la reconstrucció de les partícules produïdes en els xocs a partir dels senyals elèctrics dels detectors, l’anàlisi de les dades i una selecció de resultats experimentals.

    Es conclou amb una breu discussió sobre l'estat actual de coneixement del model estàndard, a més d’una llista de les nombroses preguntes que queden encara obertes per a poder explicar tots els fenòmens físics coneguts ".