tema11 quarks y leptones

8/6/2019 Tema11 Quarks y Leptones

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Curso 2001-2002

Fsica Nuclear y de Partculas Quarks y leptones 1

QUARKS Y LEPTONES

1.El Modelo Estndar de la fsica de partculas2.Clasificacin de las partculas: fermiones y bosones3.

Partculas y antipartculas

4.Sabores leptnicos5.Sabores de quarks6.Interacciones y campos

i.

Interaccin electromgneticaii. Interaccin fuerte entre quarksiii. Interaccin dbil


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El Modelo Estndar de la fsica de partculas

Toda la materia est formada a partir de combinaciones de tan

solo 12fermiones (espn )(6 quarks y 6 leptones)

Partcula Sabor /Q e

e 1Leptonese 0

u c t 23

+Quarksd s b 1

3

Los quarks no existen como partculas libres (propiedad delconfinamiento). Se agrupan en ternas para formar los bariones(p,n, , , , ...) o en parejas para formar los mesones( 0, , , , ...). Mesones y bariones se denominan hadrones.

Leptones y quarks interaccionan entre s a travs del intercambiode bosones (espn entero)

Interaccin Intensidad MediadorFuerte 1 Glun (G)

Electromagntica 210 Fotn ( )

Dbil 710 0, ,W W Z+

Gavitatoria 3910 Gravitn, g

Limitaciones del Modelo Estndar

!La interaccin gravitatoria no est incluida

!Los neutrinos se suponen con masa nula

!17 parmetros arbitrarios (masas, ngulos de mezcla,

acoplamientos...


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Clasificacin de las partculas: fermiones y bosones

Fermiones: partculas de espn semientero; obedecen la

estadstica de Fermi-Dirac

Bosones: partculas de espn entero; obedecen la estadsitica deBose Einstein

Teorema del espn-estadstica: La funcin de onda de unsistema de dos partculas idnticas es antisimtrica bajo su

intercambio, si son fermiones, y simtrica si son bosones.

Ejemplo: desintegracin del mesn neutro 0 : 0 0 0

!La partcula 0 tiene espn J=1

!Los dos piones son dos bosones idnticos simtrica

! la funcin de espn es simtrica ( 0( ) 0s = )

! la funcin espacial debe ser simtrica J=par

!s que es posible 0 + (no son bosones idnticos)

Supersimetra: Una extensin del Modelo Estndar predice lasimetra fermin-bosn (un bosn por cada fermin y viceversa)

en la escala de energas de 1TeV


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Dirac predijo en 1931 la existencia de las antipartculas, como

objetos de igual masa y vida media que sus correspondientespartculas, pero con carga elctrica y momento magntico

opuesto

En 1932 Anderson descubra el positrn con una cmara deniebla expuesta a los rayos csmicos. El antiprotn fuedescubierto en 1956 en experimentos con aceleradores.

La existencia de antipartculas es una propiedad tanto defermiones como de bosones.

Fermiones y antifermiones pueden crearse o destruirse a paresnicamente (ley de conservacin del nmero ferminico)

e e + ( )e e +

No existe ley de conservacin para los bosones

El operador cuntico que conecta un estado de partcula con suantipartcula es la conjugacin de carga C


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Sabores leptnicos

Dobletes de leptones y nmeros leptnicos asociados

1eL = + 1L = + 1L = +

e

e

1eL = 1L = 1L =

e

e

+

+

+

Sabor Masa leptonescargados

Masa leptonesneutros ()

e 0,511MeV 10 eV 105,66MeV 0,16MeV 1777MeV 18MeV

El (rayos csmicos 1937) y el (experimentos conaceleradores 1974) son versiones inestables del electrn

Los neutrinos son levgiros y los antineutrinos dextrgiros

Cada sabor leptnico debe conservarse separadamente encualquier reaccin (conservacin del nmero leptnico)

Los leptones cargados interaccionan tanto a travs de lainteracccin electromagntica como de la interaccin dbil. Los

neutrinos solo lo hacen dbilmente.


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Sabores de quarks

ud

cs

tb

Sabor Nmero cuntico Masa (GeV)up o down - ! 0,31

strange 1S = ! 0,50charm C=+1 ! 1,6

bottom B= 1 ! 4,6top T=+1 ! 180

Los bariones son estados ligados de tres quarks: 1 2 3Q Q Q

Los mesones son estados ligados quark-antiquark: 1 2Q Q

La conservacin del nmero ferminico implica la conservacindel nmero barinico (bariones y antibariones se crean o sedestruyen por parejas)

Los quarks interaccionan fuertemente, adems de ser sensibles ala interacin electromagntica y a la dbil.

A los quarks s se les asigna un nmero cuntico interno(extraeza) S= 1 y forman parte de laspartculas extraasdescubiertas en los 50 (kaones, lambdas, sigmas, cascadas ...)

El quarkc se observ en 1974 formando el mesn cc =

El quarkb se observ en 1977 formando el mesn bb =

El quarktse observ en 1995


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Sabores de quarks

Mesn Composic S Barion Composic S

+ (140) ud 0 (931)p uud 00 (498)K ds 1+ (1116) uds 1(494)K us 1 0 (1351) uss 2(770) ud 0 (1189)+ uus 1

(782) uu 0 (1672) sss 3

En las interacciones fuertes entre quarks se conserva el sabor.Tambin en las interacciones electromagnticas

0K p + + ( su uud sud uu+ + )

En los procesos dbiles puede cambiar el sabor de los quarks( 1, 1S C = = , etc.)

p ( sud uud du + )


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Interacciones y campos

Tres fuerzas bsicas en la escala de las partculas: dbil,

electromagntica y fuerte.

Cualquier tipo de interaccin se hace a travs del intercambio departculas intermediarias o cuantos del campo propios de cada

interaccin, en una escala de tiempo compatible con el principio

de incertidumbre:

E t ! "

Los bosones intermediarios no son directamente observables(partculas virtuales). Solo su efecto lo es.

La amplitud de la difusin (elemento de matriz) para un procesocon intercambio de un bosn es el producto de los vrtices o

acoplamientos del bosn con las partculas interactuantes y del

trminopropagador:

2 0

2 2

( )g g

f qq m

=+

cargas

masa del bosn intermediario

cuadrimomento transferido

Diagramas de Feynman: representacin grfica del proceso deemisin y absorcin de partculas virtuales .


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Interacciones y campos (interacc. Electromagntica)

La constante de acoplamiento electromagntica, caracteriza la

intensidad de la interaccin entre partculas cargadas y fotones,que son los mediadores de la interaccin:

2 1

4 137,0360

e

c

= =

"

! En presencia de un tomo

! Acoplamiento e :

! ( )2

ph =

Efecto fotoelctrico

!intercambio de un fotn virtual demomento q

!Dos vrtices e :q q

!

2 2

2 4Ruthq q

=

Difusin electrn-electrn


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Interacciones y campos (interacc. Electromagntica)

Bremsstrahlung

!emisin de un fotn en el campode un ncleoZe

!Intercambio de un con el ncleopara conservar el momento

! ( )

2

Bremss Z

Produccin de pares

!produccin de pares en presenciade un ncleo

! ( )2

2 3

Pares Z Z =

Estos clculos son en primer orden en teora de perturbaciones(leading order), e implican la emisin o absorcin de un fotn.

Clculos de rdenes superiores resultan divergentes. Larenormalizacin (redefinicin de los parmetros de la teora)

cancela las divergencias . La QED es una teoria renormalizable.


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Interacciones y campos (interaccin fuerte)

La interaccin fuerte tiene lugar entre los quarks que forman los

hadrones , a travs del intercambio de partculas vectoriales( 1PJ = ) neutras y sin masa, los gluones.

La cromodinmica cuntica (QCD) explica la interaccin entrequarks con 6 cargas de color: r(red), b (blue), g (green) para los

quarks y , ,r b g para los antiquarks

La fuerza entre quarks es independiente de los coloresinvolucrados (simetra de colorexacta)

Los gluones tienen carga de color : existen 8 estados de colordiferentes para los gluones.

Quark rojo interaccionando con quark azul

intercambiando un glun rojo-antiazul.

Los gluones transportan carga de color, por

lo que pueden interaccionar entre ellos

La fuerzas entre nucleones son fuerzas efectivas resultado de lainteraccin ms fundamental entre los quarks constituyentes


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Algunos bariones inestables y sus desintegraciones principales

Barion Quarks Q (MeV) Modo dedesintegracin

Vida media

0 (1192) uds 74 1910 s

(1189)+ uus 189 0p 1010 s0(1385) uds 208 0 2310 s

! 0 (1192) aunque sin cambio de sabor, no es fuerte porque

no se conserva el isospn. Es un proceso electromagntico.

! 0 0(1385) es un proceso fuerte (conserva isospn)

!2 19

1 2

2 23

2 1

10100

10

s s

= ! #

El acoplamiento fuerte es 2 rdenes de magnitud mayor que elacoplamiento electromagntico

Potencial entre dos quarks Confinamiento a r grande

4

3s

s

rkrV

= +

domina a distancias cortas(origen en el intercambio de un glun)

No existen estados de quarks libres. La separacin entre quarksproduce la formacin de pares QQ (mesones)


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Algunos procesos fuertes


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Produccin de hadrones en una colisin electrn-positrn a 30 GeV en centro de masas

interpretado a partir del proceso elemental e e QQ+ .


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Interacciones y campos (interaccin dbil)

Tanto quarks como leptones son sensibles a la interaccin dbil

Intensidad de la interaccin

Proceso electromagntico con cambio de isospn

20 1951 2

0 2 10

2 1

( ) 1010

( ) 10

w w

p

+

=

! #

Proceso dbil con cambio de extraeza

El acoplamiento dbil es 5 rdenes de magnitud menor que el

electromagntico

Los procesos dbiles estn muy desfavorecidos frente a losprocesos fuertes o electromagnticos, salvo si stos ltimos estn

prohibidos por alguna ley de conservacin

! Incluyen neutrinos (sin carga elctrica, ni carga fuerte)

en p e + +

e p n e++ +

!O quarks con cambio de sabor (prohibidos en las fuertes oem.)

0p + +

n +


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Los procesos dbiles estn mediados por dos bosones vectorialescargados de 80 GeV de masa , ,W W+ y uno neutro de 91 GeVde masa, el 0Z .

El intercambio a travs de los W implican un cambio en lacarga del leptn o quark implicados: reaccin por corriente

cargada.

El intercambio del 0Z implica que no hay cambio de carga:reaccin a travs de corrientes neutras


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La teora electrodbil (Glashow, Weinbeg y Salam, 1961-1968) postula que a muy alta energa las fuerzaselectromagntica y dbil son completamente equivalentes.

La teora relaciona la constante de Fermi adimensional G con laconstante de estructura fina a travs del ngulo de Weinberg

W :

2 4WGsen =

Experimentalmente 2 0,2312 0,0002Wsen =

A partir de la constante de Fermi FG (medida de los procesosbeta superpermitidos), la constante de estructura fina y del

ngulo de Weinberg, se determina la constate adimensional G,

que permite predecir la masa de los bosones intermediarios

( ) 80m W GeV 0( ) 90m Z GeV

En 1983 se descubrieron finalmente en el CERN

( ) 80,41 0,10m W GeV = 0( ) 91,187 0,007m Z GeV =

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