Una aproximación al estudio de la física de partículas …agrega.juntadeandalucia.es/repositorio/03052013/64/es-an_2013050312... · con el fomento del plurilinguismo¨ en los centros

UNA APROXIMACION AL ESTUDIO DE LA

FISICA DE PARTICULAS EN IDIOMA INGLES

Trabajo realizado por:

Francisco Jose Martınez Ruiz

Jose Ramon del Pino Ruiz

Colaboradores:

Ulrike Jaksch

Marıa Mercedes Bautista Arnedo

Este trabajo se presenta siguiendo la bases de la Orden de 11 de abril de

2006, por la que se establecen los premios a materiales curriculares relacionados

con el fomento del plurilinguismo en los centros educativos y se convocan los

correspondientes al ano 2006 ( BOJA de 15 de mayo de 2006).

Sevilla, Junio de 2006.

Autores y Colaboradores

A continuacion presentamos un breve curriculum de las personas que han participado en

este trabajo:

Francisco Jose Martınez Ruiz (Autor)

Licenciado en Ciencias Fısicas por la Universidad de Sevilla.

Es profesor y jefe del Departamento de Fısica y Quımica del IES La Arboleda de Lepe.

Durante el ano 2004 participa en el programa “High School Teachers” en el CERN (Labora-

torio Europeo de Fısica de Partıculas) en Ginebra, de un mes de duracion.

Desde el ano 2003 colabora con el Departamento de Fısica Aplicada de la Univeridad de

Huelva en la organizacion de la fase local de las Olimpiadas de Fısica y en el “Programa de

Formacion de Alumnos para las Olimpiadas de Fısica”. En dicho Departamento desarrolla su

tarea investigadora, especializandose en tecnicas espectrometricas para la medida de radiac-

tividad ambiental.

Durante el ano 2005 es coordinador y ponente del “Curso de Actualizacion en Fısica con

Introduccion a las Nuevas Tecnologıas”, organizado por el Departamento de Fısica Aplicada

de la Universidad de Huelva.

Ha impartido ponencias en el CEP de Huelva relacionadas con la ensenanza de la fısica de

partıculas. Ha prestado asesoramiento cientıfico a grupos de trabajo de profesores de ingles

e impartido un curso el CEP de Alcala de Guadaıra relacionado con el uso de las TIC en el

aula de idiomas.

Actualmente es miembro de la Ponencia de Fısica para la elaboracion de las pruebas de acceso

a la universidad.

Jose Ramon del Pino Ruiz (Autor)

Licenciado en Filologıa Anglogermanica por la Universidad de Sevilla.

Es profesor de ingles del IES Cristobal de Monroy de Alcala de Guadaıra y coordinador en

el mismo de un Proyecto Comenius 1.1. durante los tres ultimos cursos.

i

ii

Ha participado como ponente y participante en varias acciones europeas: Comenius 2.2. C.,

Visitas de Estudios Arion, Cursos del Consejo de Europa, Seminarios Grundtvig, etc, ası como

profesor acompanante en el Programa de inmersion linguıstica Idiomas y Juventud.

Es ponente habitual en los CEPs de Alcala de Guadaıra y Sevilla, con cursos impartidos

sobre usos educativos de las Nuevas Tecnologıas y Acciones Europeas de Educacion. Posee

publicaciones habitualmente en diversos medios educativos y ha revisado como asesor tecnico

algunos de los libros de texto de ingles utilizados en bachillerato. Durante este curso coordina

dos grupos de trabajo.

Es miembro del Comite de Expertos del Consejo de Europa para la evaluacion de propuestas

de acciones europeas.

Ulrike Jaksch (Colaboradora)

Es Licenciada en Filologıa Clasica y en Filologıa Inglesa por la Universidad de Viena.

Diplomada en griego moderno y en italiano.

Desde 1997 es profesora en el HLT Retz (Escuela Superior de Turismo) en Retz, Baja Austria.

Actualmente es la encargada en la escuela de preparar a los alumnos para competiciones

internacionales. Esta a cargo de programas europeos: Comenius y Leonardo, con escuelas de

la Republica Checa, Italia, Grecia, Portugal y Espana.

Marıa Mercedes Bautista Arnedo (Colaboradora)

Es Licenciada en Ciencias Biologicas por la Universidad de Granada.

Es profesora de biologıa del IES Mariana Pineda de Granada.

Posee publicaciones en congresos relacionadas con la difusion de la ciencia en los medios

de comunicacion de masas. Esta a cargo de grupos de trabajo interprovinciales relacionados

con la elaboracion de materiales didacticos para la asignatura de metodos de la ciencia y

meteorologıa en la escuela.

Indice general

1. Estructura y Justificacion del Trabajo 1

1.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2. Estructura del Trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3. Justificacion del Trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3.1. La Fısica de Partıculas en la Ensenanza Secundaria . . . . . . . . . . 3

1.3.2. El idioma ingles en el mundo cientıfico: de la conveniencia a la necesidad 6

1.3.3. El idioma aleman en el mundo cientıfico . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2. Una Aproximacion al Estudio de la Fısica de Partıculas en Idioma Ingles 9

2.1. La Importancia del Ingles en el Campo Cientıfico . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2. La Metodologıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3. Una Aproximacion a la Fısica de Partıculas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3.1. Objetivos educativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3.2. Contenidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3. Objetivos y desarrollo de Contenidos 17

3.1. Unidad 1: La Materia a Principios del Siglo XX . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1.2. Partes del atomo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1.3. Radiacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.1.4. Algunas leyes de conservacion: carga, energıa y cantidad de movimiento 25

3.1.5. Neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.2. Unidad 2: Fuerzas e interacciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.2.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.2.2. Fuerzas fundamentales: gravitatoria, electromagnetica, fuerte y debil . 29

3.2.3. Interacciones y diagramas de Feynman . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.3. Unidad 3: Un Vistazo al Mundo de las Partıculas . . . . . . . . . . . . . . . . 37

iii

iv

3.3.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.3.2. Antimateria: el positron y propiedades de la antimateria . . . . . . . . 37

3.3.3. Propiedades de la antimateria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.3.4. Nuevas partıculas: piones, muones y tres tipos de neutrinos . . . . . . 38

3.3.5. Clasificacion de las partıculas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.4. Unidad 4: Mas Partıculas y Reglas de Conservacion . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.4.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.4.2. Particulas extranas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.4.3. Reglas de conservacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.5. Unidad 5: QUARKS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.5.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.5.2. El modelo de quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.5.3. Antipartıculas y consideraciones de spin . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.5.4. Evidencia experimental de los quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.5.5. Nuevas visiones didacticas del atomo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.6. Unidad 6: El Modelo Estandard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.6.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.6.2. Revision de la interaccion fuerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.6.3. Revision de la interaccion debil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.6.4. El modelo estandard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.6.5. La carga de color . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.7. Unidad 7: Aceleradores de Partıculas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.7.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.7.2. Aceleracion de partıculas cargadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.7.3. Aceleradores lineales y colisionadores lineales . . . . . . . . . . . . . . 62

3.7.4. Sincrotrones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.7.5. Colisionadores (“Colliders”) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.8. Unidad 8: Detectores de Partıculas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.8.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.8.2. Detectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.8.3. Contadores de centelleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

3.8.4. Camaras de hilo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

3.8.5. Cloud Chambers y Bubble Chambers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.8.6. Detectores de cristales de plomo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

v

4. Teacher’s Pack 75

4.1. Unit 1: Views on Matter at the Beginning of the 20th Century . . . . . . . . 75

4.1.1. Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.1.2. Aims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.1.3. Linguistic aims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.1.4. Summary on Unit 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.2. Unit 2: Forces and Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.2.1. Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.2.2. Aims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.2.3. Linguistic aims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.2.4. Summary on Unit 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.3. Unit 3: A Look at the World of Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.3.1. Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.3.2. Aims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.3.3. Linguistic aims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.3.4. Summary on Unit 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.4. Unit 4: More Particles and more Conservation Rules . . . . . . . . . . . . . . 82

4.4.1. Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.4.2. Aims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.4.3. Linguistic aims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.4.4. Summary on Unit 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4.5. Unit 5: Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.5.1. Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.5.2. Aims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.5.3. Linguistic aims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.5.4. Summary on Unit 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.6. Unit 6: The Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.6.1. Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.6.2. Aims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.6.3. Linguistic aims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.6.4. Summary on Unit 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.7. Unit 7: Particle Accelerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

4.7.1. Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

4.7.2. Aims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

vi

4.7.3. Linguistic aims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

4.7.4. Summary on Unit 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

4.8. Unit 8: Particle Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.8.1. Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.8.2. Aims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.8.3. Linguistic aims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.8.4. Summary on Unit 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

4.9. Open Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

4.9.1. Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

4.9.2. Aims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

4.9.3. Linguistic aims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

5. Lehrermaterialien 93

5.1. 1. Einheit: 1. Einheit: Der Begriff der Materie zu Beginn des 20. Jahrhunderts. 93

5.1.1. Inhalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

5.1.2. Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

5.1.3. Sprachliche Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

5.1.4. Zusammenfassung der 1. Einheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

5.2. 2. Einheit: Krafte und Wechselwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

5.2.1. Inhalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

5.2.2. Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

5.2.3. Sprachliche Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

5.2.4. Zusammenfassung der 2. Einheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

6. Classroom Activities 99

6.1. Unit 1: Views on Matter at the Beginning of the 20th Century . . . . . . . . 99

6.2. Unit 2: Forces and Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

6.3. Unit 3: A Look at the World of Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

6.4. Unit 4: More Particles and more Conservation Rules . . . . . . . . . . . . . . 110

6.5. Unit 5: Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

6.6. Unit 6: The Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

6.7. Unit 7: Particle Accelerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

6.8. Unit 8: Particle Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

vii

7. Resources for Teaching: Comics, Games and Interactives 121

7.1. Comics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

7.2. Movies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

7.3. Games . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

7.3.1. Baryon bonanza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

7.3.2. Four forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

7.3.3. Race for energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

7.3.4. Push, push, push the particle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

7.3.5. Particle graffiti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

7.3.6. Particle pool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

7.3.7. Particle Pinball . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

7.3.8. Atom Builder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

7.4. Multimedia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

7.4.1. Modelo atomico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

7.4.2. Aceleradores de partıculas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

7.4.3. Accelerate a particle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

7.4.4. Nuclear Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

7.4.5. ATLAS Collision Event . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

7.4.6. CMS Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

8. Construye una “Cloud Chamber” 137

8.1. Detectando partıculas de verdad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

8.2. Construccion de una camara de niebla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

9. Particle Physics Glossary 141

Capıtulo 1

Estructura y Justificacion del

Trabajo

1.1. Introduccion

Este trabajo se presenta siguiendo la bases de la Orden de 11 de abril de 2006, por la que se

establecen los premios a materiales curriculares relacionados con el fomento del plurilinguismo

en los centros educativos y se convocan los correspondientes al ano 2006 ( BOJA de 15 de

mayo de 2006).

El presente trabajo esta orientado a la creacion de un programa bilingue para la asignatura

de Metodos de la Ciencia en 4ode ESO, dentro del Plan para el Fomento del Plurilinguısmo

de la Junta de Andalucıa.

Pretendemos que al menos un 40 % de la signatura se imparta en idioma ingles, y aquı hemos

de incluir tanto el contenido teorico de la asignatura, como el planteamiento y resolucion de

los problemas propuestos.

No debemos olvidar, que el curso que aquı proponemos no es un curso de ingles, sino de fısica,

explicado parcialmente en ingles. Las caracterısticas del ingles cientıfico que se han expuesto,

con el uso de determinados tiempos y estructuras, hacen que sea facil encontrar una relacion

clara y objetiva con los contenidos curriculares del area de ingles en cuarto curso de la ESO.

Cabrıa hablar por tanto de una estrecha colaboracion entre los departamentos de fısica y de

ingles, en la que este ultimo desarrollarıa los contenidos curriculares previstos, y si acaso la

unica diferencia destacable serıa a la hora de trabajar con el vocabulario, especialmente a la

hora de dotar al alumnado de procesos de razonamiento, para poder deducir el significado

de palabras que conocen aplicadas ahora al campo cientıfico, y como deducir los posibles

cambios de significado cuando se anaden prefijos y sufijos que alteran el significado original.

1

2 Justificacion y Estructura del Trabajo

1.2. Estructura del Trabajo

Hemos decidido iniciar este trabajo con una presentacion en forma de breve curriculum

de los autores y colaboradores que han hecho que el proyecto sea ahora realidad. El trabajo

se estructura en un total de 9 capıtulos:

Capıtulo 1: Estructura y Justificacion del Trabajo. Es el capıtulo en el que nos

encontramos actualmente. En el se presenta la estructura del trabajo y las justificaciones

que lo han inspirado, por que es interesante trabajar el topico de la fısica de partıculas

y por que hacer uso del idioma ingles.

Capıtulo 2: Aproximacion al Estudio de la Fısica de Partıculas en Idioma In-

gles. Se presenta la metodologıa que se ha utilizado para disenar las unidades didacticas

en ingles. Se presentan los objetivos didacticos y los contenidos que en relacion a al

topico de la fısica de partıculas se pretenden desarrollar.

Capıtulo 3: Objetivos y desarrollo de Contenidos. En este capıtulo se desarrollan

los objetivos a conseguir en cada una de las unidades. Los contenidos aparecen desarrol-

lados de una manera muy similar a como podrıamos trabajarlos en el aula. Se ofrecen

una amplia gama de ilustraciones, ejemplos y tablas pensando tanto en el alumno como

en el profesor que no tiene un conocimiento profundo de fısica de partıculas.

Capıtulo 3: Teacher’s Pack. Para cada una de las unidades se exponen los contenidos

y objetivos cientıficos en idioma ingles, ası como los contenidos linguısticos inherentes

a cada una y que van en estrecha correlacion con los contemplados en el currıculo de

ingles para 4ode ESO. Para cada unidad se han elegido una serie de palabras claves,

que iran conformando un habeas lexico vital para la asimilacion de los contenidos,

agrupados genericamente en cuatro grupos morfologicos, a saber: sustantivos, adjetivos

verbos y otros. Al final de cada unidad se incluye un sumario en ingles de los contenidos

abarcados en la misma.

Capıtulo 4: Lehrermaterialien. Para las unidades 1 y 2 se exponen los contenidos y

objetivos cientıficos en idioma aleman, ası como los contenidos linguısticos inherentes

a cada una. Para cada unidad se han elegido una serie de palabras claves, que iran

conformando un habeas lexico vital para la asimilacion de los contenidos, agrupados

genericamente en cuatro grupos morfologicos, a saber: sustantivos, adjetivos verbos y

otros. Al final de cada unidad se incluye un sumario de los contenidos abarcados en la

misma.

Justificacion del Trabajo 3

Capıtulo 5: Classroom Activities. En este capıtulo se proponen actividades a modo

de auto-test (“self-test”) que pueden plantearse en clase a la finalizacion de los bloques

de contenidos. Se ofrece la traduccion de estas actividades como ayuda para el profesor.

Capıtulo 6: Classroom Activities. En este capıtulo se proponen actividades a modo

de auto-test (“self-test”) que pueden plantearse en clase a la finalizacion de los bloques

de contenidos. Se ofrece la traduccion de estas actividades como ayuda para el profesor.

Capıtulo 7: Resources for Teaching: Comics, Games and Interactives. Se

recogen una amplia gama de materiales didacticos sobre fısica de partıculas en ingles y

que estan disponibles en la red.

Capıtulo 8: Construye una “Cloud Chamber”. Se presenta una practica, para

realizar con los alumnos, que nos permite observar partıculas procedentes de rayos

cosmicos. La practica pretende que el alumno se familiarice con los conceptos mas

basicos de los detectores de partıculas.

Capıtulo 9: Particle Physics Glossary. Se recoge un glosario en ingles con los

terminos mas comunes de fısica de partıculas con los que vamos a trabajar.

1.3. Justificacion del Trabajo

1.3.1. La Fısica de Partıculas en la Ensenanza Secundaria

A un nivel internacional, la preocupacion por la ensenanza de la fısica moderna y contem-

poranea en las escuelas de secundaria y en los cursos basicos de la universidad ha empezado

o se ha intensificado con la ((Conferencia sobre la Ensenanza de la fısica moderna)), realizada

en el Fermilab, en Batavia (Illinois), en abril de 1986, en la cual cerca de cien profesores

interactuaron con una decena o mas de fısicos norteamericanos. El objetivo de la conferencia

era el de promover la ensenanza de topicos de investigacion en fısica, en particular fısica de

partıculas y cosmologıa, en las escuelas secundarias y en las asignaturas de fısica general en

las universidades. Sin embargo, son muchas las razones presentadas en la literatura respecto

a la necesidad de actualizar los currıculos de fısica, en particular en secundaria. Entre dichas

razones se destacan:

Despertar la curiosidad de los alumnos y ayudarlos a reconocer la fısica como una

empresa humana y, por lo tanto, cercana a ellos.


Los estudiantes no tienen contacto con el excitante mundo de la fısica actual, pues la

fısica que ven no pasa de 1900. Dicha situacion es inaceptable en un siglo en el cual

ideas revolucionarias han cambiado totalmente la ciencia.

Es necesario motivar a los jovenes para la carrera cientıfica. Son ellos los futuros profe-

sores e investigadores en fısica. La fısica moderna y contemporanea es la que mas puede

influenciar a los estudiantes a elegir fısica como carrera profesional.

Los estudiantes oyen hablar de temas como agujeros negros y big bang en la television

o en pelıculas de ficcion cientıfica, pero jamas en clases de fısica.

La fısica moderna y contemporanea es considerada difıcil y abstracta; no obstante, las

investigaciones en ensenanza de la fısica han mostrado que la fısica clasica tambien es

difıcil y abstracta para los alumnos, que presentan serias dificultades conceptuales para

comprenderla.

La ensenanza de temas actuales de la fısica puede contribuir para transmitir a los

alumnos una vision mas correcta de esa ciencia y de la naturaleza del trabajo cientıfico,

superando la vision lineal, netamente acumulativa del desarrollo cientıfico que impregna

los libros de texto y las clases de fısica hoy utilizados.

Por otro lado, a pesar de todos esos argumentos, no hay mucho en la literatura con respecto

a como enfocar los temas modernos y contemporaneos en la escuela secundaria. Lo que se

puede percibir en la literatura con respecto a como introducir topicos de fısica moderna y

contemporanea en cursos introductorios de fısica es que hay divergencias en relacion con el

camino que se debe seguir y que son pocos los estudios en el area. En particular, el papel de

las analogıas clasicas, el enfasis o no en prerequisitos, el enfoque historico o logico son puntos

en los que hay mucho desacuerdo.

Respecto a que ensenar sobre temas modernos y contemporaneos tampoco es mucho lo que

se encuentra en la literatura, pero se observa una concentracion en los siguientes topicos:

relatividad, partıculas elementales y mecanica cuantica.

En la literatura referida a fısica moderna y contemporanea en el currıculo de fısica, en parti-

cular en secundaria, hay varios argumentos a favor de la inclusion de topicos actuales en ese

currıculo, divergencias metodologicas respecto a como incluirlos, algunas sugerencias relativas

a que topicos incluir y algunas investigaciones sobre experiencias en el aula. Areas impor-

tantes de la fısica moderna y contemporanea no estan contempladas en dicha literatura.

Partiendo de la premisa de que es importante (y urgente) actualizar el currıculo de fısica


en la ensenanza secundaria y de la constatacion de que todavıa hay mucho que hacer para

alcanzar este objetivo, hemos afrontado el reto de elaborar unos materiales que nos permitan

abordar el topico de la fısica de partıculas en la secundaria.

Justificacion del topico

El tema de las partıculas elementales, a su vez, esta vinculado a cuestiones mas basicas

de la fısica y puede remitirnos, quizas, a problemas filosoficos (como el de buscar orden en la

diversidad) que la superconductividad, con su caracter mas tecnico, no presenta. La pregunta

clave de este campo de la fısica, ¿como funciona el universo?, es una pregunta que siempre

ha fascinado al hombre, tanto desde el punto de vista microscopico como del macroscopico.

Por ende, el tema es potencialmente motivador. El estudio de las partıculas elementales es

muy adecuado para ilustrar la interaccion entre el pensar y el hacer en la produccion del

conocimiento cientıfico. Por ejemplo, varias predicciones teoricas con respecto a la existen-

cia de algunas partıculas anticiparon los resultados de la experimentacion, confirmando la

creencia epistemologica contemporanea de la inseparabilidad entre presupuestos teoricos y

experimentacion. La idea de modelizacion y busqueda de simetrıa es otra caracterıstica de

la fısica que el topico partıculas elementales ilustra muy bien. En una cierta epoca lo que

se tenıa era un catalogo de partıculas, pero la busqueda obstinada de simetrıas en la natu-

raleza, la creencia de que ese catalogo podrıa ser explicado a traves de un modelo llevo al

((modelo estandar)). Con el tema partıculas se puede facilmente presentar la fısica como una

ciencia viva, dinamica. El ((modelo estandar)) es el modelo que se tiene hoy para este campo

de la fısica, pero, obviamente, puede cambiar. Sin enfatizar la memorizacion de nombres y

clasificaciones se puede facilitar la construccion por parte del alumno de la idea de la fısica

de partıculas como una empresa humana que busca organizar la comprension del mundo a

traves de los quarks y leptones y de las cuatro interacciones fundamentales. Es notorio el es-

fuerzo internacional que se esta haciendo para introducir este tema en niveles introductorios

de escolarizacion. No es difıcil percibir la potencialidad del tema, tanto para una relectura de

la fısica clasica (en sus leyes de conservacion, por ejemplo) como para una vision cosmologi-

ca actualizada, que permita reconocer la fısica como un cuerpo de conocimientos altamente

estructurado, no como una obra de retazos.

Este topico (ası como muchos otros contemporaneos) requiere el uso de analogıas para la

comprension de algunos de sus aspectos. Por ejemplo, las interacciones, desde el punto de

vista de la fısica moderna y contemporanea son entendidas a traves del intercambio de una


partıcula mediadora. Al proporcionar una vision contemporanea de atomo, estaremos inten-

tando romper con el modelo planetario tan frecuentemente presentado en esas clases.

A pesar de aparentemente denso, lleno de nombres y clasificaciones, el topico ((partıculas))

culmina en una sıntesis que organiza de forma extraordinaria la comprension del universo.

Creemos, entonces, que a traves de topicos como este se puede ayudar a los alumnos a percibir

que es posible estructurar el conocimiento fısico de manera organizada y resumida, utilizando,

por ejemplo, unas pocas leyes de conservacion. La idea de que son solo cuatro las interac-

ciones fundamentales tambien puede ayudar a los alumnos a reconocer la unificacion como un

valor importante para la fısica. Naturalmente es necesario ayudarlos a hacer la reconciliacion

integradora que les permita encajar en solo cuatro tipos todas las fuerzas que conocen.

Otra y no menos importante razon para elegir este topico es que tenıamos el conocimiento

fısico adecuado para preparar estos materiales. Incluso, el primer autor de este trabajo ha

participado en un curso de un mes, en el CERN, sobre partıculas elementales, aceleradores y

detectores.

Pretendemos que estos materiales elaborados sirvan de apoyo y orientacion a otros profesores

para elaborar sus propios materiales.

1.3.2. El idioma ingles en el mundo cientıfico: de la conveniencia a la necesi-

dad

El papel de la lengua inglesa en el mundo cientıfico es vital en la actualidad, ya que,

ademas de los innumerables beneficios que el conocimiento del idioma aporta, pone a su

conocedor en una situacion de verdadero privilegio profesional.

Hoy, el conocimiento del idioma ingles en el campo de la ciencia deja de ser una conveniencia

y se transforma en una verdadera necesidad. En esta afirmacion pueden haber intervenido

una serie de factores de los que destacarıamos tres.

El primero podrıa ser el hecho de que la ciencia se haya visto inmersa en diferentes foros

internacionales, en la esfera polıtica, economica, social y cultural, en los que el idioma ingles

es el oficial de forma prioritaria.

Un segundo factor, mas especıfico, es comprobar que tenemos que leer en ingles los traba-

jos mas recientes de muchas disciplinas o especialidades cientıficas y que, al mismo tiempo,

hemos de escribir y publicar tambien en ingles si queremos que buena parte de la comunidad

internacional nos lea y nos conozca. En las ultimas decadas, se ha producido un cambio en

el significado del artıculo cientıfico, que de ser un medio para la transmision de la verdad

cientıfica, se ha convertido ademas en la llave del curriculum vitae profesional.


Para publicar, hay que hacer una necesaria busqueda bibliografica previa, y la mayor parte

de la informacion esta en lengua inglesa.

El tercer factor es, desde nuestro punto de vista, el mas descorazonador. Hemos constatado a

lo largo de los ultimos anos que muchos de los profesionales en diferentes campos tecnologicos

han tenido verdaderos problemas para actualizar sus conocimientos o para poner al dıa una

bibliografıa especıfica, casi exclusivamente en ingles, con la finalidad de realizar un trabajo de

investigacion determinado. No debemos dejar de citar aquı el valor que Internet, como fuente

de informacion, ha adquirido en los ultimos anos. La inmensa mayorıa de cuanto se publica

en la web esta en ingles, y los traductores automaticos que proporcionan algunos buscadores

resultan en muchas ocasiones, mas un obstaculo que una util herramienta de ayuda. El papel

del ingles es comparable, si no superior, a la experiencia en el uso de las nuevas tecnologıas

de la informacion y comunicacion, pues ¿de que nos vale desenvolvernos con soltura en el

campo de las nuevas tecnologıas si carecemos de la herramienta linguıstica para acceded a

las fuentes de informacion?

¿Y por que el ingles precisamente? Es un hecho que la lengua inglesa esta creciendo en im-

portancia en la comunicacion cientıfica moderna y que se ha convertido en la “lingua franca”

del mundo actual, retomando el papel que el Latın tuvo en la Edad Media como lengua de

cultura.

El conocimiento de idiomas favorece el acceso profesional, permite un nivel cientıfico ade-

cuado, mejora los currıculos y permite el intercambio optimo en congresos y reuniones. Esta

realidad se traduce en la opinion generalizada de que se deberıa incluir el ingles como asig-

natura en los estudios universitarios en el campo de la ciencia. El dominio correcto del ingles

es una necesidad creciente que debe obtenerse desde las etapas iniciales de la educacion.

Con respecto a los conocimientos sobre terminologıa especıfica, una gran parte de los pro-

fesionales no conoce, o conoce muy poco, las raıces comunes latinas y griegas, mayoritarias,

tanto en lengua castellana como en lengua inglesa. En este sentido, poco puede hacerse desde

nuestra posicion docente cuando las lenguas clasicas han sido practicamente eliminadas de

las ensenanzas preuniversitarias.

A modo de conclusion, destacamos la necesidad de poseer un buen nivel en lengua inglesa si

queremos dar a nuestros alumnos y alumnas amplias posibilidades profesionales en un mun-

do globalizado. En este sentido, el Plan para el Fomento del Plurilinguısmo lanzado por la

Junta de Andalucıa viene a llenar este vacıo existente en los currıculos de las ensenanzas no

universitarias, fomentando una formacion en el marco europeo y reforzando el concepto de

una dimension europea del hecho educativo.


1.3.3. El idioma aleman en el mundo cientıfico

Pese a la predominancia del idioma ingles en el mundo cientıfico y como herramienta

de comunicacion esencial, no debemos olvidar la importancia que otras lenguas tienen en el

intercambio y la difusion de ideas. Consciente de ello, el gobierno andaluz en su plan para el

fomento del plurilinguısmo, no solo contempla la creacion de ensenanzas bilıngues en ingles,

sino tambien en otras lenguas como es el caso del aleman. Muestra de esta importancia cre-

ciente del idioma germano, es la inclusion en los dos ultimos cursos academicos, de grupos de

inmersion linguıstica dentro del programa Idiomas y Juventud, en paıses germano hablantes.

Casi 100 millones de personas en Europa hablan aleman como lengua materna, no solo en

Alemania, sino tambien en Austria, amplias zonas de Suiza, Liechtenstein, Luxemburgo, y

zonas del norte de Italia, este de Belgica y este de Francia. Existen comunidades nativas de

aleman en casi todos los paıses del este de Europa, llegando a Ucrania. Es la lengua nativa

con mas hablantes en Europa y se encuentra entre las 10 lenguas nativas mas habladas del

mundo.

Ha sido y es, lengua de cultura en todo el este de Europa, donde cientıficos y escritores no

nativos, como el caso del checo Mendel, la han utilizado como medio de difusion de sus teorıas

y descubrimientos. Es tambien una de las lenguas prioritarias en el mundo editorial, ya que

el 18 % de los libros publicados en el mundo, lo han sido en aleman. Casi 60.000 libros se

publican al ano en aleman y es la tercera lengua en numero de publicaciones anuales. En el

campo cientıfico, solo el ingles la supera, y es la segunda lengua mas usada en Internet. Es

la lengua de algunos de los personajes mas influyentes en la historia de la cultura y de la

ciencia, tales como Goethe, Nietzsche, Kafka, Mozart, Bach, Beethoven, Freud and Einstein.

Alemanıa es la segunda nacion en l mundo en volumen de exportacion tras EE.UU. y la

tercera potencia economica a nivel mundial.

La importancia del aleman a nivel cientıfico se ve claramente al revisar la lista de los permios

Nobel a nivel de ciencias, en la que cientıficos de paıses germano hablantes han ganado 21

premios Nobel en fısica, 30 en quımica y 25 en medicina, por no citar que le han sido concedi-

dos 9 en literatura y 7 al Nobel de la Paz. Mas datos: el 50% de la produccion farmaceutica a

nivel mundial se produce en laboratorios alemanes o suizos y el aleman es la segunda lengua

a nivel de publicaciones cientıficas. Algunas de las instituciones mas importantes del mun-

do a nivel cientıfico, se encuentran en paıses de habla alemana, como es el caso del CERN

(Laboratorio Europeo de Fısica de Partıculas) en Suiza y de la Agencia Internacional de la

Energıa Atomica en Viena.

Capıtulo 2

Una Aproximacion al Estudio de la

Fısica de Partıculas en Idioma

Ingles

2.1. La Importancia del Ingles en el Campo Cientıfico

El uso del ingles se ha visto incrementado en los ultimos cincuenta anos, no solo por el

interes por la lengua en sı, sino por el uso del mismo como “lingua franca” a nivel interna-

cional y como herramienta de comunicacion entre investigadores. Todo esto ha dado origen

a un denominado ingles cientıfico, con una serie de caracterısticas propias a nivel lexico y

morfologico. Este ingles cientıfico no cuenta con una sintaxis especıfica, pero cabrıa hablar de

una serie de caracterısticas propias que le son comunes: uso de la voz pasiva, present simple

para describir secuencias, past simple y present perfect para hacer referencia a investigaciones

previas, verbos modales, afijos griegos y latinos y generacion de lexico nuevo partiendo de la

union de palabras existentes.

Otra caracterıstica del ingles cientıfico, serıa el uso de instrucciones, que cabrıa dividir en dos

tipos:

a) Instrucciones directas: Que se expresan sobre todo en imperativo.

b) Instrucciones indirectas: Que funcionan mas como sugerencias que como mandatos, y que

aunque siguen la estructura de una oracion en imperativo, hacen uso de los verbos modales.

Lexico

El lexico cientıfico podrıa agruparse en cinco subcategorıas:

9

10 Una Aproximacion al Estudio de la Fısica de Partıculas en Idioma Ingles

1. Terminos con una gran carga lexica y un significado puramente tecnico, que se usan solo

en contextos cientıficos o tecnologicos y cuyo significado puede variar segun el campo

de la ciencia a que se aplique.

2. El llamado vocabulario subtecnico, que son terminos del ingles qeneral, pero que cam-

bian su significado cuando se aplican al campo tecnologico.

3. Palabras comunes del ingles, que no cambian su significado pero que se usan para definir

conceptos tecnicos.

4. Palabras comunes que en ingles tecnico se encuentran asociadas con terminos especıficos,

formando sustantivos compuestos que se usan para designar conceptos tecnicos.

5. Palabras del ingles general con una funcion procedimental, tales como terminos pura-

mente gramaticales: artıculos, adverbios, pronombres, etc.

Prefijos y Sufijos

Mucho de este vocabulario tecnico o semitecnico al que hemos hecho referencia, se forma

con una raız + un prefijo o sufijo derivado del latın o el griego: mono-, neo-, hyper-, -logy,

-meter, etc. Serıa util para los alumnos el deducir el significado de una palabra a partir de

saber el significado del sufijo o prefijo.

Nombres Compuestos

En ingles se forman con dos o mas nombres + un adjetivo, y menos a menudo con verbos

y adverbios, que unidos, forman un solo concepto. Es esta una caracterıstica de las lenguas

germanicas que no se puede aplicar a otras lenguas, donde la composicion de sustantivos no

es usual y puede derivar en problemas de comprension y/o traduccion, ya que en ocasiones

solo es posible la traduccion de nombres compuestos generando largas frases.

Gramatica:

La gramatica de los textos cientıficos se caracteriza por el uso de las formas impersonales

y de un lenguaje conciso. Algunas de las estructuras mas usadas son el present simple para

describir leyes universales y situaciones permanentes, y la voz pasiva par dar mas importancia

a la accion en sı que a quien la realiza, y conseguir ası un punto de vista mas objetivo.

La Metodologıa 11

2.2. La Metodologıa

Para cada una de las ocho unidades que compondrıan el curso, se exponen los contenidos

y objetivos cientıficos en idioma ingles, ası como los contenidos linguısticos inherentes a cada

unidad y que van en estrecha correlacion con los contemplados en el currıculo de ingles

para 4ode ESO, por lo que la colaboracion y el trabajo conjunto con el departamento de

ingles ha de ser constante. Para cada unidad se han elegido una serie de palabras claves,

que iran conformando un habeas lexico vital para la asimilacion de los contenidos, agrupados

genericamente en cuatro grupos morfologicos, a saber:

adjetivos

sustantivos

verbos

otros

Al final de cada unidad se incluye un sumario en ingles de los contenidos abarcados en la

misma.

El metodo que proponemos es claro:

1. Introduccion al tema y a los conceptos fundamentales en lengua inglesa.

2. Adecuacion del contenido a nivel estructural y gramatical, con los contenidos que se

abarcan en el currıculo de 4ode la ESO para el area de ingles.

3. Key words, o palabras claves para cada uno de los temas desarrollados, agrupando el

vocabulario en cuatro bloques fundamentales:

a) Sustantivos.

b) Adjetivos.

c) Verbos.

d) Otros (adverbios, preposiciones, conjunciones, etc)

4. Sumario en ingles de la teorıa de cada unidad.

5. Desarrollo del currıculo de la asignatura y ejercicios en ingles y espanol.


A modo de introduccion, y dada la falta de tiempo para cumplir con los plazos de la con-

vocatoria, presentamos un esquema de dos unidades en idioma aleman. En caso de que este

trabajo resulte de interes los autores se comprometen a seguir trabajando en su elaboracion.

De las experiencias aquı desarrolladas se podrıa plantear una visita al CERN (Laboratorio

Europeo de Fısica de Partıculas) en Suiza, visita que podrıa encuadrarse dentro de cualquiera

de las acciones del programa Comenius, en el marco de un proyecto escolar con otros centros

europeos, o bien encuadrarse en alguna de las acciones de inmersion linguıstica que sin dudar

la Junta de Andalucıa ha de poner en marcha para el fomento del Plurilinguısmo. El apoyo

financiero podrıa venir tambien de entidades locales o provinciales, y sin duda tal proyecto

recibirıa apoyo financiero del sector privado e industrial.

Una Aproximacion a la Fısica de Partıculas 13

2.3. Una Aproximacion a la Fısica de Partıculas

A pesar de su importancia crucial en la Ciencia contemporanea, la Fısica de Partıculas

Elementales, no recibe un tratamiento proporcionado en nuestra Ensenanza Secundaria (con-

siderando que su mision es la de descubrir los ingredientes basicos del Universo y las leyes

que rigen su comportamiento).

Aunque queda recogida bajo el tıtulo “Estructura de la materia” tanto en ESO como en

Bachillerato, no llega a ser introducida como tal, al menos en los Reales Decretos de Ensenan-

zas Mınimas, aunque sı en los currıculos de algunas Comunidades Autonomas.

Parece razonable afirmar que entre las razones principales de la situacion anterior este el

relativo desconocimiento de esta disciplina entre los profesores, muchos de las cuales nunca

la han estudiado formalmente y a los que podrıa intimidar por su fama de ser algo esoterico

y alejado de la Fısica que ensenamos en los Institutos. Su no inclusion (explıcita aunque

sı implıcita) en ciertos currıculos explica otro de los motivos principales: ¿Como permitirse

el “lujo” de introducirla cuando a veces ya es difıcil cubrir todo lo demas?

Sin embargo, desde el punto de vista de la cultura cientıfica basica, no parece razonable

el descuido de la Fısica de Partıculas, especialmente teniendo en cuenta que, como se in-

tentara mostrar, puede tratarse de forma accesible para alumnos y profesores sin salirse

sustancialmente los contenidos de las Ensenanzas Mınimas y contribuyendo a la consecucion

de un gran numero de objetivos generales.

En efecto, es posible (como constatan experiencias en algunos centros espanoles) partir de

muy breves introducciones especıficas, para ir estudiando a lo largo de la Educacion Secun-

daria Obligatoria y el Bachillerato los puntos fundamentales de la Fısica de Altas Energıas

(como tambien se llama) ligados a otros contenidos mas convencionales y presentes en todos

los currıculos tales como:

Modelos atomicos y estructura atomica.

Movimiento de partıculas cargadas en campos magneticos.

Las fuerzas como interacciones.

El campo electrico.

Leyes de conservacion de la carga electrica, la energıa y el momento lineal.

Fısica Nuclear. Radiaciones ionizantes. Radioactividad.


Al hacerlo ası, lejos de desviarse de esos temas solo por introducir algo nuevo, se consigue

realzarlos mediante ejemplos reales y relevantes para la fısica contemporanea que ademas

sustituyen a algunos problemas academicos gastados y poco significativos.

2.3.1. Objetivos educativos

El objetivo general de esta aproximacion a la fısica de partıculas es el de introducir pro-

gresivamente en la Educacion Secundaria este topico como parte de las culturas cientıfica

y tecnica basicas y contribuir con ella al afianzamiento de otras ramas de la Ciencia (es-

pecialmente la Fısica) y sus interrelaciones con la Tecnologıa y la Sociedad, ası como al

conocimiento del metodo cientıfico en accion.

A continuacion se presentan algunos de los objetivos educativos que se pretenden, si se llevan

los contenidos de este curso a las programaciones de nuestras asignaturas. Se indican aquellos

que pertenecen al Bachillerato pero que se podrıan trabajar de forma sencilla con alumnos

de ESO tal y como mostraremos mas adelante.

1. Comprender los aspectos mas basicos sobre las propiedades de las partıculas y sus inter-

acciones fundamentales en el modelo estandar ,ası como algunos de los procedimientos

que siguen los cientıficos en sus investigaciones.

2. Deducir en simulaciones de ordenador o mecanicas la forma de un objeto oculto en-

viando proyectiles contra el y viendo el resultado. Relacionar este metodo con el que

emplean los fısicos de partıculas.

3. Deducir en simulaciones de ordenador o mecanicas la forma de un objeto oculto en-

viando proyectiles contra el y viendo el resultado. Relacionar este metodo con el que

emplean los fısicos de partıculas.

4. Citar ejemplos de fenomenos fısicos naturales o propios de la tecnica (medicina, TV,...)

que demuestren que las partıculas tienen una existencia tan real como la de cualquier

otro objeto y no estan especialmente alejadas de la vida cotidiana, lo mismo que ocurre

con muchas de las tecnicas de la Fısica de Altas Energıas.

5. Analizar noticias recogidas de los medios de comunicacion para senalar algunas de las

relaciones entre la Fısica de Partıculas, la Tecnologıa y la Sociedad.

6. Utilizar los recursos que ofrece Internet para seleccionar y obtener informacion com-

plementaria sobre algunos temas seleccionados de Fısica de Partıculas y los campos

relacionados.

Una Aproximacion a la Fısica de Partıculas 15

7. Utilizar las posibilidades que ofrecen los Applets de Java y simulaciones Flash para la

realizacion de practicas de laboratorio virtuales relacionadas con la Fısica de Partıculas.

8. Aplicar, cualitativa y cuantitativamente, las leyes de conservacion de la carga electri-

ca y el momento lineal en el analisis de sucesos sencillos de colision entre partıculas.

(Bachillerato).

9. Utilizar, cualitativa y cuantitativamente, las leyes del movimiento de partıculas en cam-

pos electromagneticos para el analisis de imagenes de sucesos sencillos de colision.

10. Senalar los motivos por los que el analisis de algunos de los sucesos del punto anterior

muestran la inadecuacion de la mecanica clasica. (Bachillerato).

11. Emplear la ley de la desintegracion radiactiva para resolver problemas de desintegracion

de partıculas elementales.

2.3.2. Contenidos

Los contenidos que se pretenden desarrollar en esta aproximacion a la fısica de partıculas

se plantean

1. La materia en los principios del Siglo XX.

a) La experiencia de Rutherford.

b) Modelo del nucleo.

c) La radiacion.

d) Algunas leyes de conservacion (carga, energıa, momento).

e) Neutrinos.

2. Fuerzas e interacciones.

a) Fuerzas fundamentales.

b) Las partıculas virtuales y el principio de incertidumbre.

c) Interacciones y diagramas de Feynman.

3. Un vistazo al mundo de las partıculas

a) El positron.

b) Otras antipartıculas.

c) Propiedades de la antimateria.


d) Nuevas partıculas (piones, muones, neutrinos).

e) Clasificacion de las partıculas.

4. Mas partıculas y leyes de conservacion.

a) Reglas para las reacciones (revision de las leyes de conservacion).

5. QUARKS

a) El modelo de quarks.

b) Evidencia experimental del modelo de quarks.

6. El modelo Estandard.

a) Revision de la interaccion fuerte y debil.

7. Los aceleradores de partıculas.

a) Principios de los aceleradores de partıculas.

b) Aceleradores lineales.

c) Colisionadores.

d) Sincrotrones.

8. Detectores de partıculas.

a) Interaccion entre las partıculas de alta energıa y la materia.

b) Las camaras de niebla (The cloud chambers).

c) Contadores de centelleo.

d) Wire, Drift, and Bubble Chambers.

e) Analisis de las trazas de las partıculas.

Capıtulo 3

Objetivos y desarrollo de

Contenidos

En este capıtulo se proponen los objetivos a conseguir en cada una de las unidades. Los

contenidos aparecen desarrollados de una manera muy similar a como podrıamos trabajarlos

en el aula.

3.1. Unidad 1: La Materia a Principios del Siglo XX

3.1.1. Objetivos

Conocer que son los protones, neutrones,electrones y neutrinos.

Conocer los constituyentes del atomo y del nucleo.

Ser capaz de nombrar los tres tipos de radiacion.

Introducir las reglas de conservacion de la energıa, carga electrica y momento.

3.1.2. Partes del atomo

El hombre se ha preguntado durante largo tiempo, “¿de que esta hecho el mundo?” y

“¿que lo mantiene unido?”. ¿Por que tantas cosas en este mundo comparten las mismas ca-

racterısticas?.

El hombre llego a comprender que la materia de la que esta hecho el mundo, es realmente un

conglomerado de unos pocos bloques constructivos fundamentales. Aquı la palabra “funda-

mental” es una palabra clave. Cuando decimos bloques constructivos fundamentales queremos

significar objetos que son simples y sin estructura (no estan hechos con otros objetos mas

17

18 Objetivos y esarrollo de Contenidos

chicos).

En la antiguedad el hombre pensaba que el mundo estaba compuesto por los cuatro elemen-

tos: aire, fuego, tierra y agua. Hoy en dıa sabemos que existe algo mas fundamental que tierra,

agua, aire, y fuego....“EL ATOMO”. Pero el atomo, ¿es realmente fundamental?.

Alrededor de 1900, la gente pensaba que los atomos eran pequenas bolitas. Sin embargo, el

hecho que los atomos puedan ser categorizados de acuerdo a las similitudes en sus propiedades

quımicas (como se hace en una tabla periodica), sugiere que los atomos no son fundamentales.

Mas aun, experimentos realizados usando partıculas como sondas, que “miraron” dentro del

atomo, indicaron que los atomos tienen estructura y no son solo bolitas permeables. Estos ex-

perimentos ayudaron a los cientıficos a determinar que los atomos tenıan un nucleo positivo,

denso y una nube de electrones (e). Muchos anos mas tarde, los cientıficos descubrieron que

el nucleo esta compuesto de protones (p) y neutrones (n). Resulta que incluso los protones

y los neutrones no son fundamentales (estan compuestos por partıculas mas fundamentales

llamadas quarks).

Figura 3.1: Dibujo extraido del comic “The World of Particles” (CERN).

El experimento de Rutherford

Comenzaremos viendo como un antiguo experimento, realizado por Rutherford, Geiger,

y Marsden demostro que los atomos tienen un nucleo pequeno, cargado. Este experimento

es un ejemplo de la manera en que fısicos recogen y analizan datos, evaluan sus hipotesis, y

desarrollan nuevas teorıas.

Alrededor del 1900, la gente pensaba que los atomos eran esferas permeables. En 1909, Ruther-

ford, supervisando a Geiger y Marsden, examino la validez de esta teorıa en su ahora famoso

experimento de la lamina de oro.

El experimento era realmente simple: una fuente radioactiva disparaba un chorro de partıculas

alfa hacia una lamina de oro muy delgada (las partıculas alfa tienen una masa muy pequena

comparada con la de los atomo de oro.) Rodeando la hoja de oro habıa una pantalla cubierta

con sulfuro de zinc, de modo que las partıculas alfa, al chocar contra la pantalla, dejaban

Unidad 1: La Materia a Principios del Siglo XX 19

manchas microscopicas en el sulfuro de zinc. El objetivo de este experimento era justificar

Figura 3.2: Experimento de Rutherford y el Modelo de “pudding de pasas” de Thomson.

la teorıa segun la cual, los atomos eran bolas neutras permeables (modelo de “pudding de

pasas” de Thomson) . Se esperaba que las partıculas alfa, cargadas, y de alta energıa, no

tendrıan problema para atravesar unos pocos atomos. Las partıculas alfa deberıan continuar

su trayectoria en lınea recta, a traves de la lamina de oro, y dejar una pequena region de la

pantalla posterior, cubierta de puntos.

De hecho, la pantalla mostro que la mayorıa de los impactos se produjeron cerca del centro;

sin embargo, para la sorpresa de muchos, aparecieron unos pocos puntos dispersados cerca

del frente de la pantalla.

El razonamiento que hizo Rutherford fue, que la mayorıa de las partıculas alfa, habıan pasado

facilmente a traves de las partes exteriores de los atomos, en tanto que unas pocas partıculas

habıan rebotado contra un objeto en el interior del atomo, denso, pequeno y cargado positi-

vamente. A pesar de haber tenido que descartar su hipotesis inicial acerca de que los atomos

Figura 3.3: Resultado del experimento de Rutherford y nuevo modelo atomico (el nucleo al

descubierto).

eran bolas permeables, este experimento le permitio efectuar la nueva hipotesis de que los

atomos tienen nucleo. Este nuevo modelo explico los resultados de sus experimentos, y fue

una piedra fundamental en el desarrollo de la moderna teorıa atomica.

Las mismas tecnicas experimentales que uso Rutherford, para llevar a cabo sus clasicos ex-

perimentos, mediante los que exploro la estructura atomica, son aun usadas hoy en dıa:


Un haz (las partıculas alfa).

Un blanco (los atomos de las laminas de oro).

Un detector (la pantalla de sulfuro de zinc).

Nadie puede realmente “ver” los atomos o las partıculas subatomicas, porque son demasiado

pequenos. Sin embargo, los fısicos, como lo hizo Rutherford, pueden bombardear objetos

pequenos, tales como atomos, con haces de partıculas, y registrar lo que les sucede a estos

haces, por medio de un detector.

Modelos para el nucleo: protones y neutrones

Para tener un mayor conocimiento del nucleo del atomo Rutherford y James Chadwick

continuaron sus experimentos usando partıculas alfa. Uno de los experimentos que realizaron

consistio en bombardear con partıculas alfa nucleos de nitrogeno. Un resultado no espera-

do fue la aparicion de nucleos de hidrogeno ademas de las partıculas alfa. Si los nucleos de

hidrogeno eran arrancados de los nucleos de nitrogeno, entonces los nucleos de nitrogeno

deberıan estar compuestos de nucleos de hidrogeno. Este experimento condujo a pensar que

los nucleos tenıan extrutura interna.

A los nucleos de hidrogeno se les denomina protones. El proton tiene carga electrica +1, igual

pero de signo contrario a la del electron. Sin embargo los protones son mucho mas masivos

que el electron. Si tomamos como referencia la masa del proton (masa 1), la masa del electron

es 1/1800 veces la del proton.

En la figura 3.4 aparece descrito un modelo primitivo de nucleo de nitrogeno coherente con

las experiencias de Rutherford y Chadwick. Este modelo permite justificar la masa del nucleo147 N , sin embargo contempla la presencia de electrones en el interior del nucleo de una manera

un tanto artificial. Pero hay un problema con este modelo dado que la asignacion del spin

al nucleo no es correcta. El spin es una propiedad que tienen las partıculas, justo igual que

la carga o la masa. La analogıa clasica del spin imaginarselo representando a las partıculas

como pequenas peonzas.

Sin embargo, esto puede inducir a error, porque la mecanica cuantica nos dice que las partıcu-

las no tienen ningun eje bien definido. Lo que nos dice realmente el espın de una partıcula

es como se muestra la partıcula desde distintas direcciones. Una partıcula de espın 0 es como

un punto: parece la misma desde todas las direcciones (figura 3.5). Por el contrario, una

partıcula de espın 1 es como una flecha: parece diferente desde direcciones distintas (figura

3.5). Solo si uno la gira una vuelta completa (360 grados) la partıcula parece la misma. Una


Figura 3.4: Modelo primitivo de nucleo con protones en el interior.

partıcula de espın 2 es como una flecha con dos cabezas (figura 3.5): parece la misma si se

gira media vuelta (180 grados). De forma similar, partıculas de espines mas altos parecen las

mismas si son giradas una fraccion mas pequena de una vuelta completa. Todo esto parece

bastante simple, pero el hecho notable es que existen partıculas que no parecen las mismas

si uno las gira justo una vuelta: ¡hay que girarlas dos vueltas completas! Se dice que tales

partıculas poseen espın 1/2. Con el electron ocurre exactamente esto , si se lo gira 360o, solo

ha recorrido la mitad de su camino (por eso el spin=1/2), o sea para dar la vuelta completa

debe girar 720o. Esto que contradice la comprension que nuestro sentido comun nos ofrece de

los objetos y la realidad, aunque esta contradiccion aparece al intentar dar una explicacion

clasica a una propiedad cuantica.

Figura 3.5: Analogıas para interpretar el spin (citadas en “Historia del Tiempo” de Stephen

Hawking).


Experimentalmente el spin del nucleo de nitrogeno se ha medido con un valor +1. Como

nuestro modelo contiene 21 partıculas en el nucleo (ver figura 3.6 con combinaciones de

numeros impares de partıculas con spin 1/2), cada una de las cuales posee spin 1/2, es

imposible obtener un spin entero igual a +1.

Figura 3.6: Ejemplo de combinaciones de spin

El problema queda solucionado cuando Chadwick en 1932 descubre la existencia de una nueva

partıcula en el nucleo, en neutron. Los neutrones eran partıculas de la misma masa que el

proton pero de carga electrica 0.

Figura 3.7: Experiencia de Chadwick para el descubrimiento del neutron.

3.1.3. Radiacion

A fines de 1800 el fısico aleman Wilhelm Rontgen descubrio un rayo nuevo y extrano,

producido por el choque de un electron contra un trozo de vidrio. Como eran rayos de natu-

raleza desconocida, los llamo “rayos x”.Dos meses despues de este descubrimiento, el fısico

frances Henri Becquerel estaba realizando un experimento en el que cubrıa diferentes elemen-

tos con placas fotograficas revestidas en negro, para medir si estos elementos podıan emitir

rayos. Si un elemento emitiera un rayo, penetrarıa el revestimiento negro y expondrıa la pla-

ca fotografica. Para su sorpresa, Becquerel encontro que unos cuantos elementos, incluıdo el

uranio, emitıan rayos energeticos sin recibir ningun aporte externo de energıa.

La importancia de los experimentos de Becquerel fue el descubrimiento que existen procesos

naturales responsables de que ciertos elementos liberen rayos x energeticos. Esto sugiere que

esos elementos son intrınsecamente inestables, porque liberan espontaneamente diferentes


formas de energıa. Esta liberacion de partıculas energeticas (en la forma de rayos x), prove-

nientes del decaimiento de atomos inestables, se llama radioactividad.

Los fısicos franceses Pierre y Marie Curie llevaron a cabo gran parte de las investigaciones

basicas que abrieron una brecha en el conocimiento de la radioactividad. Despues de muchos

anos de estudio, estos cientıficos identificaron varios tipos de partıculas, resultantes de proce-

sos radioactivos (radiacion). Los tres tipos distintos de radiacion fueron llamados, utilizando

las tres primeras letras del alfabeto griego: α (alfa), β (beta), y γ (gama). Estas tres formas

de radiacion pueden ser separadas por medio de un campo magnetico, ya que las partıculas

alfa, cargadas positivamente, se desvıan en una direccion, las partıculas beta, negativas, en

la direccion opuesta, y la radiacion gama, electricamente neutra, no se desvıan en absoluto.

Figura 3.8: Comportamiento de las radiaciones en un campo magnetico.

Las partıculas alfa son nucleos de helio (2 p, 2 n), las partıculas beta son electrones rapidos,

la radiacion gama es un haz de fotones. Los “rayos X”, la “luz visible”, las “ondas de radio”,

etc., son fotones de diferente energıa. La radiacion gama corresponde a fotones de alta en-

ergıa.

Las partıculas alfa pueden ser detenidas por medio de una hoja de papel; las partıculas beta

por aluminio; y la radiacion gama con un bloque de plomo. Ya que la radiacion gama puede

penetrar muy profundamente dentro de un material, y tiene la propiedad de romper enlaces

quımicos, se la considera como la mas peligrosa, cuando se trabaja con materiales radioac-

tivos (lamentablemente, a los cientıficos les tomo muchos anos determinar los peligros de la

radiactividad....).

¿Como puede explicarse la desintegracion alfa?

Consideremos la siguiente secuencia de ideas (figura 3.9):

a) Los protones y los neutrones pueden migrar por todo el interior de un nucleo.

b) Por lo tanto, podemos considerar la probabilidad de que un proton o neutron dado, se


encuentre en una cierta region.

c) Hay una probabilidad minuscula de que un compuesto formado por dos protones y dos

neutrones (una partıcula alfa) pueda emigrar hacia el exterior del nucleo. Hay mayor

probabilidad de que esto ocurra en un nucleo grande que en uno pequeno.

d) Esta partıcula alfa estara libre de la fuerza fuerte residual que la mantenıa atrapada en el

interior del nucleo y, del mismo modo que un resorte, liberado repentinamente, la partıcula

alfa cargada se “lanzara” fuera del nucleo.

Figura 3.9: Desintegracion alfa: una cuestion de probabilidad.

Esa idea de que “si puede suceder, ¡sucedera!” es fundamental para la mecanica cuantica, la

rama de la fısica que explica el comportamiento de las partıculas, en terminos de probabili-

dades. Para algunos atomos hay una probabilidad cierta de sufrir decaimientos radiactivos,

a causa de la posibilidad de que el nucleo (por un instante) pueda existir en un estado que le

permita volar en pedazos.

Figura 3.10: Desintegracion alfa de un nucleo de 226Ra.

¿Como puede explicarse que se emitan electrones del nucleo en la desintegracion beta?

Sabemos que no hay electrones en el interior del nucleo, ası que la emision beta solo puede

explicarse si ese electron se crea en el nucleo. Efectivamente, en un proceso de emision beta

un neutron se transforma en un protran y un electron (que es el que sale fuera):

n → p+ + e−


Figura 3.11: Desintegracion beta de un nucleo de 14C.

3.1.4. Algunas leyes de conservacion: carga, energıa y cantidad de movimien-

to

Los principios de conservacion son de una gran importancia en la fısica ya que pueden

ayudarnos a explicar por que unos procesos ocurren y otros no. Hay tres leyes de conservacion

que deben de obedecerse en todos los procesos fısicos:

Conservacion de la carga electrica.

Conservacion de la energıa total.

Conservacion del momento.

Estas leyes de conservacion son igualmente aplicables en la fısica clasica, en la cuantica o en

la relativista y cuesta trabajo imaginar una teorıa en la que pudieran fallar.

Conservacion de la carga

La carga total de un sistema de partıculas permanece siempre la misma. Por ejemplo las

siguientes reacciones cumplen el principio de conservacion de la carga:

+positiveparticle

−negativeparticle ⇒

0neutralparticle

0neutralparticle

+positiveparticle

−negativeparticle ⇒

+positiveparticle

−negativeparticle

0neutralparticle

Conservacion de la energıa

Cuando hablamos de la energıa total debemos distinguir dos formas:

Energıa cinetica, o energıa de movimiento que depende de la velocidad de la partıcula.

Energıa debido a la masa: E = mc2.


Por ejemplo si tenemos una reaccion del tipo A → B + C, ¿que significa que tenga

que conservarse la energıa total?. Significara que:

mA = mB + Ec B+ mC + Ec C

y dado que todas las energıas son positivas:

mA > mB + mC

E = mc2 y la creacion de nuevas partıculas

Veamos una aclaracion que puede sernos util para explicar la relacion de Einstein entre

masa y energıa.

Cuando un fısico desea usar partıculas con poca masa para producir partıculas de mayor

masa, todo lo que debe hacer es introducir las partıculas de poca masa en un acelerador,

darles mucha energıa cinetica (velocidad), y luego hacerlas colisionar entre sı. Durante esta

colision, la energıa cinetica de las partıculas es utilizada en la formacion de nuevas partıculas

masivas. Es a traves de este proceso como podemos crear partıculas masivas inestables y

estudiar sus propiedades.

Todo ocurre como si usted produjera una colision frontal entre dos fresas y obtuviera varias

fresas nuevas, montones de bellotas diminutas, una banana, unas pocas peras, una manzana,

una nuez, y una ciruela (figura 3.12).

En la figura 3.12 (derecha) podemos ver un evento de colision entre un electron y un positron

en el detector ALEPH del acelerador LEP (CERN). Podrıamos hacernos la pregunta: ¿El

choque ha liberado algunas piezas del interior del electron y el positron?. Todavıa no hemos

presentado al positron, ni hemos dicho que ambas partıculas son fundamentales, pero podemos

ofrecer algo de luz comentando el resultado experimental de esta colision. Sorprendentemente,

la masa calculada de cualquiera de las partıculas resultantes ¡es mayor (o igual, pues algunas

son electrones) que la de las partıculas iniciales!. Sı la energıa se conserva, parece que no queda

mas remedio que aceptar que la energıa de las partıculas puede “convertirse en materia”.


Figura 3.12: Las analogıas frutales son muy utilizadas desde antano en el aula. A la derecha

colision entre un electron y un positron en el detector ALEPH del acelerador LEP (CERN).

Conservacion del momento

Para velocidades que no son comparables a la velocidad de la luz el momento de una

partıcula lo definiremos como el producto de la masa de la partıcula por su velocidad. Si en

una reaccion de partıculas el momento inicial total es cero (suma de los momentos de las

partıculas individuales) el momento final total tambien es cero. Esto se ilustra en la figura

3.13.

Figura 3.13: Conservacion del momento.

3.1.5. Neutrinos

Una reaccion de partıculas que viole las reglas anteriores no podra ocurrir. Sin embargo

en 1920 se observa experimentalmente que no conserva la energıa en la desintegracion beta.

Llegados a este punto los fısicos se niegaron a abandonar el principio de conservacion de la


energıa y Wolfgang Pauli postula la existencia de una nueva partıcula que estarıa implicada

en la desintegracion beta. A esta partıcula se le llamo “neutrino”. De esta forma el neutron

decae formando un proton, un electron, y un “neutrino”. Los neutrinos no tendrıan carga

electrica, el mismo spin que los protones y electrones, y su masa deberıa ser muy pequena.

Pasados 1950 se observa que tampoco el momento se conserva en la desintegracion. Si el

neutron se desintegrara solo en dos partıculas el esquema que se observarıa serıa el que

aparece en la figura 3.14 (izquierda) , pero los fısicos observaron el esquema que aparece en

la figura 3.14 (derecha). En 1965, aproximadamente 25 anos despues los neutrinos fueron

Figura 3.14: Posibles desintegraciones de un neutron.

descubiertos en un reactor nuclear. Por sus caracterısticas (no tienen carga y su masa puede

considerarse practicamente nula) casi nunca interactuan con otras partıculas. La mayor parte

de los neutrinos atraviesan la Tierra en lınea recta, sin interactuar ni una sola vez.

Unidad 2: Fuerzas e interacciones 29

3.2. Unidad 2: Fuerzas e interacciones

3.2.1. Objetivos

Comprender el concepto de interaccion.

Conocer las cuatro fuerzas fundamentales, ası como las partıculas “mediadoras” de estas

fuerzas.

Saber el rango de actuacion de las 4 fuerzas fundamentales.

Representar las interacciones mediante diagramas de Feynman.

Comprender que los procesos de interaccion no violan la conservacion de la energıa.

Principio de Incertidumbre de Eisemberg.

3.2.2. Fuerzas fundamentales: gravitatoria, electromagnetica, fuerte y debil

Ya hemos dado una contestacion a las preguntas iniciales sobre “¿De que esta hecho el

mundo?”, pero ahora pensemos, ¿Que lo mantiene unido?.

El universo que conocemos existe debido a que las partıculas fundamentales interactuan,

ya sea porque decaen o se aniquilan, o bien porque responden a una fuerza debida a la

presencia de otra partıcula (por ejemplo, durante una colision). Hay cuatro interacciones

entre partıculas:

Gravitatoria.

Electromagnetica.

Fuerte.

Debil.

Para aclarar las cosas, damos a continuacion dos definiciones:

Fuerza: El efecto que aparece sobre una partıcula debido a la presencia de otra partıcula.

Interaccion: Las fuerzas y los decaimientos que afectan a una partıcula dada.

Una Interaccion no es lo mismo que una fuerza dado que a la palabra “interaccion” se le

asigna un significado mas amplio. A pesar que los dos terminos son usados a menudo como

si fueran intercambiables, los fısicos prefieren la palabra “interacciones”.


Una pregunta difıcil, que importuno a los fısicos durante muchos anos, es: “¿como interactuan

entre sı las partıculas de materia?”. Si tomamos dos imanes y acercamos los polos norte de

ambos, uno hacia el otro, los imanes se repelen mutuamente (¡sin tocarse entre sı!). ¿Como

es posible ejercer una fuerza sobre una cosa sin tocarla? Es facil de decir que, “los imanes

tienen un campo de fuerza electromagnetica”, pero esto aun no contesta la pregunta, ¿cual

es la fuerza que los imanes se ejercen uno al otro?.

Una pista importante acerca de la verdadera naturaleza de las fuerzas, provino de un cuida-

doso estudio de las interacciones entre partıculas materiales. Para hacer una analogıa, imag-

inemos que lo siguiente: Una persona repentinamente toma alguna cosa invisible (figura 3.16),

Figura 3.15: Una persona tomando un objeto invisible.

y es empujada hacia atras por el impacto. De esto, podemos inferir que atrapo una pelota de

basquet invisible. Aunque no puedamos ver la pelota, podemos facilmente ver el efecto de la

pelota sobre el jugador (figura 3.16).

Sucede que todas las interacciones (fuerzas), que afectan a las partıculas materiales, son pro-

ducidas por un intercambio de partıculas portadoras de fuerza. En la analogıa del basquet,

los jugadores son las partıculas materiales, que se lanzan, una a la otra, una pelota, que es la


Figura 3.16: La persona atrapo una pelota de basquet invisible.

partıcula portadora de fuerza. Lo que nosotros comunmente llamamos “fuerzas” son los efectos

causados por las partıculas portadoras de fuerzas sobre las partıculas materiales.

Ası que una fuerza es algo que cambia el momento lineal de un objeto. No es raro que nuestros

alumnos solo conozcan la segunda ley de Newton en la forma ~F = m~a. Sin embargo, no es

esa la forma mas profunda o general de escribirla, sino mas bien esta:

~F =d~P

dt

Para alumnos de cuarto de E. S. O., por ejemplo, podemos emplearla en su forma simplificada

(valida en problemas unidimensionales y para fuerzas constantes):

F =∆P

∆tSegun esto, las fuerzas entre partıculas (o entre una pelota y la pared,· · · ) pueden interpre-

tarse como debidas al intercambio de momento lineal. Por ejemplo, en la figura 3.17 vemos

que la variacion de momento lineal que experimenta la pelota se debe a la fuerza que sobre

ella ha ejercido la raqueta. Lo mismo podrıamos hacer para la colision entre dos pelotas o

para el retroceso que sufre alguien que arroja un objeto muy pesado · · ·

La luz se puede ver (entre otras maneras) como formada por partıculas sin masa1, lla-

madas “fotones”. Es un hecho experimental que los fotones tienen momento lineal, pueden

ejercer fuerzas mediante su “impacto”, por ejemplo, hay “velas solares” que pueden propulsar1Sin embargo, los fotones no tienen masa, ası que ya podemos sospechar que algo no funciona con estas

expresiones de la energıa cinetica y el momento p = mv. Este problema se soluciona si tenemos en cuenta la

teorıa de la relatividad.


Figura 3.17: Intercambio de momento lineal.

vehıculos ligeros en el espacio mediante la “presion de la radiacion” y uno de los metodos

posibles para mantener un atomo mas o menos quieto en una posicion es darle “golpecitos”

con fotones desde tres direcciones perpendiculares.

La fuerza gravitatoria

La fuerza gravitacional es quizas la fuerza mas familiar para nosotros. Aun cuando la

gravedad actua sobre todas las cosas, es una fuerza muy debil, a menos que haya grandes

masas involucradas. Mientras que los fısicos todavıa hoy no han descubierto la partıcula

portadora de la gravedad, predicen la existencia de esta partıcula y la llaman el “graviton”.

La fuerza gravitatoria es la fuerza que enlaza las masas en el sistema solar y la galaxias. Pero

en fısica de partıculas esta fuerza es poco importante, ya que las masas de las partıculas son

muy pequenas. No obstante, todas las partıculas con masa sienten la fuerza gravitatoria.

Figura 3.18: La fuerza gravitatoria.


La fuerza electromagnetica

Muchas fuerzas de todos los dıas, tales como la que ejerce el piso sobre nuestros pies, se

deben en realidad a fuerzas electromagneticas dentro de los materiales, que se oponen a que

los atomos se desplacen de sus posiciones de equilibrio dentro del material.

Es importante entender que la carga electrica (positiva/negativa) y el magnetismo (norte/sur)

son diferentes aspectos de una misma fuerza (electromagnetismo). Dos objetos cargados con

cargas de signo opuesto, como ocurre por ejemplo con un proton y un electron, se atraen entre

sı, mientras que dos partıculas con carga de igual signo se repelen entre sı. Las partıculas

portadoras de la fuerza electromagnetica son los fotones (γ). De acuerdo a cual sea su energıa,

se los denomina rayos gama, luz, microondas, ondas de radio, etc.

La fuerza electromagnetica es la reponsable de enlazar a los electrones de los atomos con los

nucleos.

Figura 3.19: La fuerza electromagnetica.

La fuerza fuerte

Hasta aquı, hemos discutido las fuerzas gravitacionales y las fuerzas electromagneticas,

las dos fuerzas que tienen un mayor impacto en nuestras vidas cotidianas. Existen otras dos

interacciones, que nosotros no notamos, ya que su alcance no es mucho mayor que el tamano

del nucleo de un atomo. Sin embargo nosotros dependemos de estas dos fuerzas para la exis-

tencia de la materia de la que esta hecho el mundo, y para los procesos de decaimiento que

hacen inestable cierto tipo de materia. Tienen impacto sobre los objetos mas pequenos del

universo pero tambien sobre los mas grandes.

Pensemos en esto: ¿que mantiene unido al nucleo?.

Deberıamos esperar que el nucleo de un atomo explotara, debido a la repulsion electro-

magnetica entre las cargas de los protones, que tienen el mismo signo. Sin embargo, los


nucleos de la mayorıa de los atomos son muy estables. ¿Que mecanismo provee la energıa re-

querida para contrarrestar la repulsion electromagnetica?.

La fuerza fuerte es una fuerza atractiva y actua entre los nucleones (protones y neutrones).

Se trata de una fuerza atractiva para todas las combinaciones de protones y neutrones:

Protones atraen a protones.

Protones atraen a neutrones.

Neutrones atraen a neutrones.

Las partıculas mediadoras de esta interaccion se denominan gluones.

Figura 3.20: La fuerza fuerte.

La fuerza debil

La fuerza debil, llamada ası por ser mucho menos intensa que la fuerza fuerte, es la

responsable de que ocurran los procesos de desintegracion beta. Esta implicada en aquellos

procesos en los que un neutron se transforma en un proton, un electron y un neutrino. La

fuerza debil afecta a todas las partıculas, pero es la unica que afecta a los neutrinos. En

cualquier reaccion de partıculas que aparezcan neutrinos estara implicada la fuerza debil. Por

ahora no entraremos en grandes detalles ya que se abordaran mas adelante. Veremos que en

este caso sera mas adecuado en uso del termino “interaccion para referirnos a la fuerza debil.

Las partıculas mediadoras de la interaccion debil son las W+, W− y Z0. Estas partıculas

mediadoras son muy masivas. En contraste con los otros mediadores de interacciones, que

tienen masas nulas, las masas de las partıculas mediadoras de la interaccion debil son cerca

de 100 veces superior a la masa del proton.


Figura 3.21: La fuerza debil

3.2.3. Interacciones y diagramas de Feynman

En teorıa cuantica de campos la interaccion entre partıculas se interpreta como debida

al intercambio de otra partıcula. Por ejemplo, en la interaccion electromagnetica entre dos

electrones, un electron emite un foton que viaja libremente hasta ser absorbido por otro

electron. Tanto el primer electron como el segundo cambian su trayectoria a raız de la emision

o absorcion del foton.

Figura 3.22: Diagrama de Feynman para la interaccion electromagnetica entre dos electrones

y analogıa.

El caracter de las partıculas virtuales

Las partıculas mediadoras de las interacciones se suelen denominar partıculas “virtuales”.

Las partıculas “virtuales” son intercambiadas entre las “reales” dando lugar a las interac-

ciones. El problema es que estas partıculas mediadoras parecen no respetar el sagrado prin-

cipio de conservacion de la energıa.

La energıa de las partıculas no esta definida mas que dentro de un intervalo ∆E ligado a su

duracion τ por la relacion de incertidumbre Heisenberg.

∆E · τ ≥ ~


Si la reabsorcion es por parte de otra partıcula real, entonces ha tenido lugar una interaccion.

El alcance de la interaccion estara relacionado con la distancia maxima que pueda alcanzar

en este tiempo la partıcula virtual 2.

τ ≥ ~∆E

=~

mc2

alcance ≈ c · τ ≈ ~mc

Para la interaccion debil un alcance, 10−15m, la energıa (o masa) de la partıcula mediadora

es el orden de los 100MeV. Por tanto el alcance de la interaccion es mayor cuanto menor sea

la masa de la partıcula mediadora e infinito si m = 0.

Diagramas de Feynman

Los diagramas de Feynman son muy utiles en fısica de altas energıas para la simplificacion

de calculos muy complejos (complejısimas integrales), pero podemos utilizarlos en el aula para

visualizar procesos entre partıculas.

Para nosotros las reglas de construccion son muy simples:

Dibujar todas las partıculas, entrando y saliendo, con lineas continuas.

Dibujar los mediadores de las fuerzas (partıculas virtuales intercambiadas) como una

lınea ondulada.

Dibujar flechas para indicar el sentido del tiempo.

Pero unos ejemplos valen mas que 3 reglas:

Figura 3.23: Diagrama de Feynman para la interaccion debil entre un electron y un neutrino

(izquierda). Diagrama de Feynman para la interaccion debil responsable de la desintegracion

beta (derecha).

2La energıa mınima de una partıcula es su energıa en reposo E = mc2.

Unidad 3: Un Vistazo al Mundo de las Partıculas 37

3.3. Unidad 3: Un Vistazo al Mundo de las Partıculas

3.3.1. Objetivos

Introducir algunas propiedades de las antipartıculas.

Conocer la primera aproximacion a la interaccion fuerte.

Conocer nuevas partıculas.

Aplicar leyes de conservacion para discriminar procesos no posibles.

Realizar una primera clasificacion en de las partıculas en leptones y hadrones.

3.3.2. Antimateria: el positron y propiedades de la antimateria

Igual que explicamos a nuestros alumnos que una ecuacion del tipo x2 = 4 puede tener

dos soluciones (x=2 o x=-2), cuando Dirac ıntrodujo la teorıa de la relatividad en las ecua-

ciones mecanico cuanticas que gobiernan el comportamiento de los electrones en el seno de

en campo electromagnetico, Dirac tambien obtuvo dos soluciones. La ecuacion planteada por

Dirac tenıa dos soluciones, una para un electron con energia positiva, y otra para un electron

con energıa negativa.

Dirac interpreto este hecho diciendo que para cada partıcula existe una antipartıcula, exacta-

mente igual que la partıcula pero de carga opuesta. Para el electron, por ejemplo, deberıa de

existir un antielectron (llamado “positron”) con las mismas propiedades (masa y spin) pero

con carga positiva. En 1928, Dirac postula la existencia de una companera para el electron, el

positron. El positron no fue descubierto hasta 1932. El antiproton y el antineutron no fueron

descubiertos hasta 1954.

El antiproton tendra la misma masa y spin que el proton pero carga negativa. Entonces,

¿que diferencia hay entre un neutron y un antineutron si el neutron no posee carga electrica?. La

respuesta a esta pregunta la daremos en la unidad 5.

3.3.3. Propiedades de la antimateria

Existen cuatro importantes propiedades de la materia y de la antimateria:

Cuando una propiedad tiene un valor opuesto, la antipartıcula tendra el valor opuesto

de la propiedad. Por ejemplo la carga electrica (+ y -).

Cuando una propiedad no presenta un valor opuesto, la partıcula y la antipartıcula

tendran el mismo valor de la propiedad. Por ejmplo, la masa, el spin o la carga neutra.


La materia y la antimateria se aniquilan para producir energıa (E = mc2).

De la energıa pueden obtenerse pares de partıculas materia/antimateria (proceso inverso

al anterior)(E = mc2).

Veamos algunos ejemplos:

Aniquilacion proton/antiproton

p + p ⇒ energy (γ)

Produccion de pares electron/positron.

energy (γ) ⇒ e− + e+

Un par electron/positron pueden transformase en un par proton/antiproton. Para que

esto ocurra es necesario que el electron y el positron colisiones con suficiente energıa

cinetica para generar las masas del protron y del antiproton.

e− + e+ ⇒ p + p

Pero siempre deben ser pares materia/antimateria, ya que por ejemplo el siguiente proceso

jmas podrıa ocurrir:

e+ + p ⇒ e− + p

La combinacion del positron y el antiproton es muy interesante. A esta combinacion se le

llama antihidrogeno y fueron generados por primera vez en un experimento del CERN en

1996 (¡estamos explicando a nuestros alumnos fısica moderna!).

3.3.4. Nuevas partıculas: piones, muones y tres tipos de neutrinos

Piones

En 1935 el fısico japones Hidekei Yukawa introdujo la idea de campo nuclear. Acabamos

de ver que a teorıa de campo introduce la idea de interaccion a distancia a traves del inter-

cambio de algun tipo de partıcula intermedia. En el caso del campo electromagnetico vimos

que esta partıcula es el foton. Al buscar un sımil con estas ideas, Yukawa se dio cuenta de que

existia una relacion inversa entre el alcance de la fuerza a describir y la masa de la partıcula

intermedia. Por ejemplo, el campo electromagnetico es de alcance infinito, por lo que la masa

del foton resulta ser cero. Siendo la fuerza nuclear de corto alcance, Yukawa dedujo que la

partıcula intermedia deberıa tener una cierta masa. Yukawa propuso la existencia de un nuevo


tipo de partıculas responsables de transmitir la fuerza nuclear, cuya masa deberıa ser aprox-

imadamente doscientas veces mayor que la del electron. Originalmente, Yukawa se refirio a

estas partıculas como pesadas. Poco tiempo despues se propuso el nombre de mesones (por

poseer una masa intermedia entre la del electron y el proton).

En 1935 se encontro una nueva partıcula al analizar la radiacion cosmica. Su masa resulto ser

cerca de 200 veces la del electron, y se le llamo el meson µ. Estas partıculas tenıan carga

electrica positiva o negativa. El jubilo de los fısicos fue grande al conocer la existencia de

una partıcula de masa intermedia que confirmaba las ideas de Yukawa. No obstante, el gozo

se vino al pozo, pues pronto se mostro que esa partıcula µ podıa chocar libremente con los

nucleos sin que estos la atraparan. En tal condicion, no podrıa ser un efectivo mensajero de

la interaccion nuclear. La partıcula µ, no es, pues, el meson predicho por Yukawa.

En 1947, los fısicos Lattes, Occhialini y Powell (brasileno el primero, italiano el segundo e in-

gles el ultimo) encontraron en los rayos cosmicos detectados en el observatorio de Chacaltaya,

en Bolivia, otra partıcula de masa intermedia que sı interactuaba fuertemente con los nucleos.

Ası fue descubierto el meson π o pion, como ahora se le conoce y cuya masa es cercana a 300

veces la del electron. Yukawa y los teoricos del campo cuantico pudieron dormir tranquilos.

Poco tiempo despues, cuando el ciclotron de Berkeley entro en operacion en 1948, fue posible

producir piones en el laboratorio. Se les encontro cargados, y se les llamo π+ y π− , y tambien

neutros, los π0 que decaen en dos fotones muy energeticos.

Hoy sabemos que los portadores de la interaccion fuerte que mantiene unidos a los nucleones

no son los piones predichos por Yukawa.

symbol charge mass lifetime (s) decay mode

π+ +1 1/7 10−8 π+ ⇒ µ+ + ν

π− -1 1/7 10−8 π− ⇒ µ− + ν

π0 0 1/7 10−16 π0 ⇒ γ + γ

Tabla 3.1: Propiedades de los mesones π (masa referida al proton).

Piones

Los mesones π tienen una vida bastante efımera y se desintegra en unas partıculas unas

200 veces mas masivas que los electrones, llamadas muones. Tenemos dos tipos de muones,

los µ+ y los µ−. ¿Que paso mientras tanto con el meson µ? Pues lo primero que se descubrio,

en 1961, es que no es un meson, sino mas bien un electron gordo. En todas sus caracterısticas,


symbol charge mass lifetime (s) decay mode

µ+ +1 1/9 10−6 µ+ ⇒ e+ + ν + ν

µ− -1 1/9 10−6 µ− ⇒ e− + ν + ν

Tabla 3.2: Propiedades de los muones (masa referida al proton).

salvo la masa, parecerıa una replica pesada del electron. Por ello ahora se le conoce como muon

y ya no como meson µ. Dos anos despues, en 1963, se descubrio tambien que los neutrinos

emitidos por el muon al decaer no eran identicos a aquellos que acompanan al electron en

la desintegracion beta. Existen, pues, dos clases de neutrinos, νe y νµ, que acompanan al

electron y al muon, respectivamente.

Como vemos, el zoologico subnuclear se empieza a llenar de personajes.

Tres tipos de neutrinos

Actualmente, no todas las desintegraciones de partıculas, que hemos visto hasta ahora,

son correctas en sentido estricto. Normalmente un pion positivo se desintegra segun hemos

visto:

π+ ⇒ µ+ + ν

pero tambien se desintegra de la siguiente forma:

π+ ⇒ e+ + ν

El problema es que los neutrinos implicados en estas reacciones son diferentes. En un caso

se produce un neutrino muonico que expresaremos como νµ, y en otro caso se produce un

neutrino electronico que expresaremos como νe. Esto es:

π+ ⇒ µ+ + νµ

π+ ⇒ e+ + νe

Pero si los neutrinos νµ y νe no tienen ni carga ni masa, ¿como podemos realmente direfen-

ciar estas partıculas?. Pues, por ejemplo, cuando el neutrino νµ interactua con un neutron,

tendra lugar la reaccion:

n + νµ ⇒ µ− + p

pero esta otra no ocurrira:

n + νµ ⇒ e− + p


Esto es, jamas encontratemos a un neutrino muonico interactuando con un neutron y pro-

duciendo un proton mas un electron.

De la misma forma, cuando el neutrino electronico interactua con un neutron, lo que ocur-

rira es:

n + νe ⇒ e− + p

pero no ocurrira:

n + νe ⇒ µ− + p

Esto es, jamas encontratemos a un neutrino electronico interactuando con un neutron y

produciendo un proton mas un muon.

En 1975 se descubre una tercera companera del electron y el muon, se le denomino partıcula

tau (τ). La partıcula tau puede ser de carga electrica positiva o negativa y su masa es ¡dos

veces la del proton!. Acompanando a la partıcula tau encontramos su correspondiente neutrino

y antineutrino.

3.3.5. Clasificacion de las partıculas

LEPTONS HADRONS

electron (e−) BARYONS MESONS

muon (µ−) proton (p) pion(π+ π− π0)

tau(τ−) neutron (n)

electron neutrino (νe)

muon neutrino (νµ)

tau neutrino (ντ )

positron (e+)

positive muon (µ+)

positive tau (τ+)

electron antineutrino (νe)

muon antineutrino (νµ)

tau antineutrino (ντ )

Tabla 3.3: Primera clasificacion de las partıculas en leptones y hadrones (usando la termi-

nologıa en ingles).

Tenemos que poner un poco de orden en este zoo. El electron, el muon, la tau, sus

correspondientes antipartıculas, neutrinos y antineutrinos se conocen como LEPTONES. Los


leptones son partıculas de spin=1/2 y no experimentan la interaccion fuerte.

Las partıculas que experimentan la interaccion fuerte se denominan HADRONES. Hay dos

tipos de hadrones: BARIONES y MESONES. Los bariones tienen spin semi-entero, mientras

que los mesones poseen spin entero. Hasta ahora los unicos bariones que hemos visto son los

protones y los neutrones, y los unicos mesones vistos son los piones.

Unidad 4: Mas Partıculas y Reglas de Conservacion 43

3.4. Unidad 4: Mas Partıculas y Reglas de Conservacion

3.4.1. Objetivos

Conocer nuevas partıculas “extranas”.

Aplicar nuevas reglas que gobiernan las interacciones entre partıculas.

Conocer el numero leptonico, barionico y la extraneza.

Aplicar leyes de conservacion para discriminar procesos no posibles, ası como identificar

interacciones presentes.

3.4.2. Particulas extranas

En la decada de 1950, los aceleradores de partıculas son usados en gran cantidad de

experimentos y se descubren todo tipo de nuevas partıculas. Estas partıculas se originaban

en reacciones entre protones, neutrones y piones; estas eran creadas durante las colisiones

entre estas partıculas.

Estas partıculas se denominaron “extranas” (ver figura 3.24)porque todas ellas se producıan

y se desintegraban de una forma especial:

Siempre se producıan en pares.

Todas eran inestables.

Todas se creaban por interaccion fuerte y decaıan vıa interaccion debil.

3.4.3. Reglas de conservacion

Comprender como se producen estas partıculas “extranas” y como interactuan con otra

partıculas fueron dos objetivos de vital importancia durante esta decada. En el intento de

elaborar teorıas que pudieran explicar por que ciertas reacciones tienen lugar y otras no, los

fısicos descubrieron nuevas propiedades de las partıculas y se definieron reglas de conservacion

para estas propiedades. En un principio, estas propiedades eran meros artificios matematicos,

pero luego pudo comprobarse que eran propiedades con significado fısico como por ejemplo

la carga, la masa o el spin.


Figura 3.24: Algunas partıculas extranas y propiedades.

Regla del neutrino/antineutrino. Conservacion del numero leptonico

Para ilustrar esta regla racordaremos la reaccion de la desintegracion beta del neutron:

n ⇒ p + e− + ν

Bueno, esta reaccion no es exactamente correcta. Primeramente, el ν debe ser un νe (el

neutrino debe ser del mismo tipo que el lepton), y ademas es un antineutrino. Puede ser

difıcil comprender por que se trata de un antineutrino en lugar de un neutrino, pero las

razones son muy complejas para ser expuestas aquı. Podemos dar unas reglas basicas para

una reaccion que da lugar a la produccion de neutrinos:

Los electrones van acompanados por antineutrinos.

Los positrones van acompanados por neutrinos.

Los muones negativos van acompanados por antineutrinos.

Los muones positivos van acompanados por neutrinos.

Si la reaccion es inversa, es decir, los neutrinos interaccionan dando lugar a leptones:

Los electrones van acompanados por neutrinos.

Los positrones van acompanados por antineutrinos.

Los muones negativos van acompanados por neutrinos.


Los muones positivos van acompanados por antineutrinos.

Este tipo de liosas instrucciones suelen ser sintetizadas por los fısiscos en la conservacion de

cierta cantidad. En este caso hablaremos del numero leptonico. Existen tres tipos de numeros

leptonicos (tabla 3.4): electronico, muonico y tau. Estas tres propiedades deben de conservarse

por separado para que una reaccion tenga lugar.

ELECTRON MUON TAU

PARTICLE LEPTON NUMBER

electron (e−) +1 0 0

positron (e+) -1 0 0

electron neutrino (νe) +1 0 0

electron antineutrino (νe) -1 0 0

negative muon (µ−) 0 +1 0

positive muon (µ+) 0 -1 0

muon neutrino (νµ) 0 +1 0

muon antineutrino (νµ) 0 -1 0

negative tau(τ−) 0 0 +1

positive tau (τ+) 0 0 -1

tau neutrino (ντ ) 0 0 +1

tau antineutrino (ντ ) 0 0 -1

Tabla 3.4: Valores del numero leptonico.

Figura 3.25: Ejemplos de aplicacion de la conservacion del numero leptonico.


Conservacion del numero barionico

La siguiente regla implica que al numero de protones, neutrones y cualquier otra partıcula

que este clasificada como barion. La conservacion del numero barionico implica que el numero

total de bariones debe de permanecer contante. Para simplificar esta regla a los bariones se

les asigna el numero B=1 y a sus antipartıculas B=-1. A los no bariones (leptones y mesones)

se les asigna el numero barionico B=0.

Para determinar si un proceso tiene o no lugar, comparamos que el numero barionico total de

las partıculas interactuantes es igual al numero barionico total de las partıculas generadas.

De la partıculas vistas hasta ahora son bariones y por lo tantos se les asigna B=1: p, n, Λ,

Σ y Ξ. De la partıculas vistas hasta ahora son bariones y por lo tantos se les asigna B=1: p,

n, Λ, Σ y Ξ. De la partıculas vistas hasta ahora no son bariones y por lo tantos se les asigna

B=0: π, K, e, µ, ν y τ .

Figura 3.26: Ejemplos de aplicacion de la conservacion del numero barionico.

Conservacion de la extraneza

Sin embargo algunos procesos como el siguiente, que cumple la conservacion de los numeros

leptonicos y barionicos, jamas han sido observados: ¿Por que el proceso π− + p ⇒ π− + Σ+

jamas ocurre?. Sin embargo el proceso π− + p ⇒ K+ + Σ− si tiene lugar aun sin ser

tan favorable energeticamente como el anterior. Es mucho mas facil, desde el punto de vista

energetico, crear un pion y una sigma que un pion y un kaon, debido a la diferencia de masa

entre el pion y el kaon (el kaon es casi tres veces mas masivo que el pion).

Para los fısicos la solucion es sencilla. En el proceso π− + p ⇒ π− + Σ+ se esta violando al-

guna regla de conservacion hasta ahora desconocida. Para solucionar este problema los fısicos


Figura 3.27: Aun conservandose el numero leptonico y el numero barionico el proceso no tiene

lugar.

introdujeron una propiedad de una manera un tanto artificiosa (tabla 3.5), puesto que esta

propiedad de momento carecıa de sentido fısico. Esta propiedad se denomino EXTRANEZA.

NAME MASS STRANGENESS

p 1 0

n 1 0

Λ 1.1 -1

Σ 1.2 -1

Ξ 1.3 -2

π 1/7 0

K+ K0 1/2 +1

Tabla 3.5: Valores para la estraneza.

Llegados a este punto hay cosas que conviene que sepamos:

Toda interaccion con neutrinos es debil.

Toda interaccion con fotones es electromagnetica.

Si la extraneza se conserva, la reaccion ocurre vıa interaccion fuerte.

Si la extraneza no se conserva, la reaccion observada podrıa ocurrir mediante interaccion

debil.


3.5. Unidad 5: QUARKS

3.5.1. Objetivos

Enumerar los distintos quarks.

Combinar pares de quarks y antiquarks para formar mesones.

Combinar tres quarks para formar bariones.

Explicar los primeros experimentos en los que se basa la teorıa de los quarks.

3.5.2. El modelo de quarks

¿Todas las partıculas que hemos visto hasta ahora son realmente fundamentales o estan com-

puestas de mas partes?

En 1964 Murray Gell-Mann y George Zweig postulan independientemente una teorıa en la

que los hadrones estarıan compuestos de partıcula elementales.Sugirieron que cientos de las

partıculas conocidas hasta el momento, podrıan ser explicadas como una combinacion de solo

3 partıculas fundamentales. Estas partıculas fueron denominadas quarks.

Los quarks son partıculas de spin 1/2, pero tienen la inusual caracterıstica de tener carga

electrica fraccionaria, de valor 2/3 o -1/3, a diferencia de la carga -1 del electron, o de la

carga +1 del proton. Los quarks tambien transportan otro tipo de carga llamada carga de

color , que discutiremos mas adelante.

La parte revolucionaria de la idea era que ellos debieron asignarle a los quarks cargas electri-

cas de 2/3 y -1/3 (en unidades de la carga del proton): nunca habıan sido observadas cargas

como esas. Inicialmente esta teorıa de los quarks fue considerada como un truco matematico,

pero los experimentos han convencido a los fısicos de que los quarks existen.

Los quarks individuales tienen cargas electricas fraccionarias. Sin embargo, estas cargas frac-

cionarias nunca son observadas directamente porque los quarks nunca estan solos; por el

contrario, los quarks forman partıculas compuestas llamadas hadrones. La suma de las car-

gas electricas de los quarks, que constituyen un hadron, es siempre un numero entero.

Sabemos que hay dos clases de hadrones: los bariones y los mesones. Para Gell-Mann y Zweig

los bariones estaban formados por combinaciones de tres quarks, mientras que los mesones

estaban formados por dos quarks (un par quark/antiquark).

Los tres quarks (y sus correspondientes antipartıculas) propuestos por Gell-Mann y Zweig se

denominaron: up, donw y strange.

Unidad 5: QUARKS 49

NAME SYMBOL CHARGE STRANGENESS

up u +2/3 0

down d -1/3 0

strange s -1/3 -1

antiup u -2/3 0

antidown d +1/3 0

antistrange s +1/3 +1

Tabla 3.6: Propiedades de los quarks.

Combinaciones de tres quarks: bariones

Los bariones son los hadrones constituidos por tres quarks (qqq). Por ejemplo, los protones

son 2 quarks up y 1 quark down (uud) y los neutrones son 1 up y 2 down (udd).

COMBINATION CHARGE STRANGENESS PARTICLE

uud 1 0 p ∆+

udd 0 0 n ∆0

uuu 2 0 ∆++

ddd -1 0 ∆−

uus 1 -1 Σ+ Σ+∗

uds 0 -1 Λ, Σ0 Σ0∗

dds -1 -1 Σ− Σ−∗

uss 0 -2 Ξ0 Ξ0∗

dss -1 -2 Ξ− Ξ−∗

sss -1 -3 Ω−

Tabla 3.7: Combinaciones de tres quarks (Fundamental building block of baryons.


Combinaciones quark/antiquark: mesones

Los mesones contienen un quark (q) y un antiquark (q). Por ejemplo, un pion negativo

(π−) es (ud).

COMBINATION CHARGE STRANGENESS PARTICLE

uu 0 0 π0, η0

dd 0 0 π0, η0

ud -1 0 π−

ud +1 0 π+

us +1 +1 K+

us -1 -1 K−

ds 0 +1 K0

ds 0 -1 K0

ss 0 0 η0′

Tabla 3.8: Combinaciones quark/antiquark (Fundamental building block of baryons mesons).

3.5.3. Antipartıculas y consideraciones de spin

Una antipartıcula contiene los antiquarks de la partıcula correspondiente:

El proton p=uud y el antiproton p= uud.

El neutron n=udd y el antineutron n= udd.

El pion positivo π+ =ud y el pion negativo π−= ud.

El pion neutro π0 =uu o π0 =dd y su antipartıcula anti(π0)= uu o anti(π0)= dd

Pero, ¿Que diferencia existe entre Λ y Σ0 si ambas estan compuestas de los mismos quarks?

La diferencia se encuentra en la configuracion de sus spines. Ademas de los diferentes sa-

bores (u, d, s) los quarks possen carga de color. Pero, ¿que significado tiene la carga de color?.

La respuesta es bastante compleja pues son complejos conceptos de una teorıa llamada cro-

modinamica cuantica. Intentaremos dar una justificacion simple.

La partıcula Ω esta formada por tres quarks strange, con identica masa, carga y orientacion

de spin. Esta situacion esta prohibida por el principio de exclusion de Pauli y sin embargo se

da. La unica posibilidad es qu exista otra propiedad que distinga a unos quarks de los otros.

Ha esta propiedad de le denomino “COLOR”.

Unidad 5: QUARKS 51

Figura 3.28: Diferentes configuraciones de spin entre Λ y Σ0.

Figura 3.29: Misma configuracion de spin y distinta carga de color.

3.5.4. Evidencia experimental de los quarks

La evidencia de la existencia de los quarks se tuvo en 1970, en acelerador Linear de

Standford de 2 millas. En una especie de version moderna del experimento de Rutherford

se hicieron colisionar electrones contra protones. Del estudio de estas colisiones a muy altas

energıas se pudo evidenciar que el proton tenıa una estructura interna de carga fraccionaria.

Figura 3.30: Colision electron-proton.


3.5.5. Nuevas visiones didacticas del atomo

Dado que ya sabemos que los nucleones estan compuestos por quarks y estos estan liga-

dos mediante partıculas portadoras de la interaccion fuerte llamadas gluones, nuestra vision

didactica del atomo debe actualizarse.

Figura 3.31: Visiones didacticas del atomo. “Alice and the Soup of quarks and gluons”, comic

editado por el CERN.

Figura 3.32: Visiones didacticas del atomo. “The Dawn of Physics beyond the Standard

Model”, Scientific American, June 2003.

Unidad 5: QUARKS 53

Figura 3.33: Visiones didacticas del atomo. El atomo de hidrogeno. Los quarks del proton

permanecen ligados mediante el intercambio de gluones (interaccion fuerte). El electron in-

tercambia fotones con el proton (interaccion electromagnetica)

Figura 3.34: La partıcula llamada K− (kaon negativo) esta formada por un quark strange y

un antiquark up. Ambos intercambian gluones (interaccion fuerte).


3.6. Unidad 6: El Modelo Estandard

3.6.1. Objetivos

Comprender las principales diferencias entre la interaccion fuerte y debil.

Completar el modelo de quarks para la materia (modelo estandard), consistente en 6

quarks y 6 leptones.

3.6.2. Revision de la interaccion fuerte

Veamos algunas claves para comprender aquellos procesos que tienen lugar por interaccion

fuerte:

En los procesos que ocurren por interaccion fuerte podemos tener una reordenacion de

quarks.

En los procesos que ocurren por interaccion fuerte podemos tener una creacion de pares

quarks-antiquarks.

En los procesos que ocurren por interaccion fuerte no puede cambiar un tipo de quark

en otro

Veamos unos ejemplos:

Figura 3.35: Reordenacion de quarks en un proceso de interaccion fuerte.

Figura 3.36: Reordenacion de quarks y produccion de pares en un proceso de interaccion

fuerte.

Unidad 6: El Modelo Estandard 55

3.6.3. Revision de la interaccion debil

En un proceso que discurre por interaccion debil un quark puede cambiar a otro tipo de

quark. Veamos un ejemplo:

Figura 3.37: Transformacion de quarks por interaccion debil.

Esta interaccion que hace cambiar la identidad de las partıculas ¿podrıa llamarse fuerza?. ¿Inter-

accion o transformacion?.

Figura 3.38: La desintegracion beta ocurre por interaccion debil.

3.6.4. El modelo estandard

Los fısicos han desarrollado una teorıa llamada el Modelo Estandard, que intenta describir

toda la materia y todas las fuerzas existentes en el universo (excepto la gravedad). Su elegancia

radica en la capacidad de justificar la existencia de cientos de partıculas e interacciones

complejas, sobre la base de solo unas pocas partıculas e interacciones fundamentales.

Las ideas basicas del Modelo Estandard son:


Figura 3.39: Diagramas de Feynman de procesos que ocurren por interaccion debil. Las

partıculas portadoras de la interaccion son las W+, W− y Z0. (En los diagramas las flechas

correspondientes a las antipartıculas se dibujan indicando un sentido en el tiempo contrario

al de las partıculas).

Partıculas portadoras de fuerza: Cada tipo de fuerza fundamental es “transportada” por

una partıcula portadora de fuerza (el foton es un ejemplo).

Partıculas materiales: El Modelo Estandard establece que la mayorıa de las partıculas

de las cuales tenemos conocimiento estan compuestas en realidad de partıculas mas

fundamentales llamadas quarks. Hay otra clase de partıculas fundamentales llamadas

leptones (el electron es un ejemplo).

Lo que hace que el Modelo Estandard sea tan amplio es el hecho que todas las partıculas

observadas pueden ser explicadas con:

6 tipos de leptones.

6 tipos de quarks, y · · ·

partıculas portadoras de fuerza.

Ademas de los quarks up, down y strange, posteriormente se descubrieron tres nuevos tipos

de quarks que permitieron cerrar el Modelo Estandard. Estos quarks de denominan: CHARM

(c), BOTTON (b), TOP (t).

Como ya vimos anteriormente hay seis leptones; tres de ellos tienen carga electrica y los otros

tres no. El mas conocido de los leptones cargados es el electron (e). Los otros dos leptones


cargados son el muon (µ) y la partıcula tau (τ), que son esencialmente electrones, pero de

masa mucho mayor. Los leptones cargados son todos negativos. Los otros tres leptones son

los huidizos neutrinos (ν). No tienen carga electrica y su masa es muy pequena (si la tienen).

Existe un tipo de neutrino para cada tipo de lepton cargado electricamente. Para cada uno

de los seis leptones hay un lepton de antimateria (antilepton), de igual masa pero de carga

opuesta. Los leptones, al igual que los solitarios e independientes felinos, pueden existir sin

necesidad de la companıa de otras partıculas. Los quarks, en cambio, solo se encuentran en

grupos. Hasta este momento no hay evidencias de que los leptones tengan alguna estructura

interna o tamano.

Los quarks up y down junto con el electron y el neutrıno electronico forman un grupo lla-

mado primera generacion de partıculas fundamentales. Los quarks charm y strange junto con

el muon y el neutrino muonico forman la segunda generacion de partıculas fundamentales. La

tercera generacion de partıculas fundamentales la forman los quarks bottom y top, junto con la

partıcula tau y su neutrino. Estas tres generaciones de partıculas se denominan FERMIONES

por tratarse de partiıculas con SPIN=1/2.

Figura 3.40: Cuadro de fermiones: tres generaciones de quarks y leptones.

Toda la materia visible en el universo esta formada por partıculas de materia de la primera

generacion. Las partıculas de la segunda y tercera generaciones son inestables y decaen hacia

partıculas de la primera generacion. Esta es la razon por la cual toda la materia estable


en el universo esta constituida por partıculas de la primera generacion. Surge la pregunta:

si nosotros casi nunca observamos las generaciones mas pesadas de las partıculas materiales en

nuestro universo, ¿por que existen?. Si no entendemos por que existen la segunda y tercera

generaciones de partıculas, tampoco podemos desechar la posibilidad de que existan aun mas

quarks y leptones, con masas aun mayores. Posiblemente, la respuesta podrıa ser que los

quarks y los leptones no son fundamentales, sino que esten constituidos por partıculas aun

mas elementales cuyas interacciones se manifiestan en la forma de las diferentes generaciones

de materia. La pregunta: ¿Por que el mundo que nos rodea esta compuesto solo por los tipos

de partıculas menos masivas? , sigue aun sin tener contestacion.

El Modelo Estandard se completa con las partıculas portadoras de la interaccion: el foton, 8

gluones y las partıculas W+, W− y Z0. El graviton, partıcula no descubierta hasta ahora no se

encuentra incluida dentro del Modelo Estandard. Las partıculas portadoras de la interaccion

poseen spin entero y se denominan BOSONES.

Cuando las partıculas interactuan, cediendo o absorbiendo un portador de interaccion, estas

Figura 3.41: Las reglas del juego. Diagramas de Feynman de interacciones.

pueden cambiar de identidad o destruirse, dando lugar a nuevas partıculas de materia. Como

ya dijimos anteriormente los diagramas de Feynman (ver diagramas a-g de la figura 3.41 son

muy utiles para describir las interacciones en teorıa cuantica de campos. Las lıneas continuas

representan las trayectorias de las partıculas de materia; y las lıneas onduladas representan

a las partıculas portadoras de la interaccion (bosones). La interaccion electromagnetica de

produce por emision absorcon de fotones por una partıcula cargada, tales como electrones y

quarks. En la figura 3.41a, el electron incidente emite un foton y desvia su trayectoria. La

interaccion fuerte implica la emision de gluones por quarks (figura 3.41b). La interaccion debil

implica a las partıculas W y Z (figura 3.41c-d), las cuales pueden ser emitidas o absorbidas


por quaks y leptones (electrones, muones, taus y neutrinos). Recalcar que la emision de W

cambia la identidad del electron. Los gluones (figura 3.41e) y W y Z (figura 3.41f) pueden

interactuar consigo mismo, pero los fotones no. Los diagramas como el de la figura 3.41f se

llaman vertices de interaccion. Las fuerzas se producen por combinacion de dos o mas vertices.

Por ejemplo, la interaccion electromagnetica entre un electron y un quark es producida por

la transferencia de un foton (figura 3.41g).

3.6.5. La carga de color

Los quarks y los gluones son partıculas con carga de color. Del mismo modo que las

partıculas electricamente cargadas interactuan intercambiando fotones, las partıculas con

carga de color intercambian gluones en las interacciones fuertes. Al hacerlo, estas partıculas

con carga de color quedan a menudo “pegadas” entre sı.

La diferencia principal entre las interacciones fuerte y electromagnetica es el hecho que los

portadores de la fuerza fuerte (los gluones) poseen ellos mismas carga de color. Los fotones,

en cambio, no tienen carga de color (ni carga electrica).

Dos o mas quarks, cercanos entre sı, intercambian rapidamente gluones, creando un “campo

de fuerza de color” muy fuerte que liga entre sı los quarks. Existen tres cargas de color,

y las correspondientes tres cargas de anticolor (color complementario). Los quarks cambian

constantemente su carga de color mientras intercambian gluones con otros quarks.

Cada quark tiene una de las tres cargas de color; y cada antiquark tiene una de las tres

cargas de color complementarias. Los gluones transportan pares color/anticolor (no es nece-

sario que sea el mismo color; por ejemplo gluones rojo/antiazul son legıtimos). Si bien hay

9 combinaciones posibles de pares color/anticolor, debido a consideraciones de simetrıa es

eliminada una de estas combinaciones. Un gluon puede transportar efectivamente una de las

ocho posibles combinaciones color/anticolor.

Las partıculas cargadas con color no pueden ser encontradas individualmente. Por esta razon,

los quarks con carga de color estan confinados en grupos (hadrones) con otros quarks. Estos

compuestos son de color neutro.

Antes del desarrollo de la teorıa del Modelo Standard de las interacciones fuertes, los fısicos

no podıan explicar porque los quarks solo se combinan en bariones (objetos de tres quarks),

y en mesones (objetos quark-antiquark), pero no, por ejemplo, en objetos de cuatro quarks.

Ahora entendemos que solo estas combinaciones son de color neutro. Partıculas tales como

ud o dd que no pueden ser combinadas en estados de color neutro nunca son observadas

experimentalmente.


¿Como trabaja la carga de color?

La carga de color se conserva siempre. Por lo tanto, cuando un quark emite o absorbe un

gluon, el color del quark debe cambiar de tal modo que se conserve la carga de color. Por

ejemplo, supongamos que un quark “rojo” se transforma en un quark “azul” emitiendo un

gluon “rojo/antiazul”. El color neto sigue siendo “rojo”.

Dentro de un hadron los quarks emiten y absorben gluones muy frecuentemente, de modo que

no es posible observar el color de un quark individual. En un hadron, por lo tanto, el color

de los dos quarks que intercambian un gluon cambiara de forma tal que el sistema ligado se

mantenga en un estado color neutro, y ası permanezca observable.

Campo de fuerza de color

Los quarks dentro de un hadron intercambian gluones furiosamente. Por esta razon, los

fısicos hablan del campo de fuerza de color, que esta formado por los gluones que mantienen

unido el grupo de quarks.

Si uno de los quarks en un hadron dado es alejado de sus vecinos, el campo de fuerza de

color entre el quark que escapa y sus vecinos se “estira”. De esta manera, se adiciona mas y

mas energıa al campo de fuerza de color a medida que los quarks son obligados a apartarse.

Llega un momento en que es energeticamente mas favorable que el campo de fuerza de color

se “rompa” formando dos nuevos quarks. De esta manera, la energıa se conserva porque la

energıa del campo de fuerza de color se convierte en masa de los nuevos quarks, y el campo

de fuerza de color puede “descansar” en un estado de menos esfuerzo. Los quarks no pueden

existir individualmente porque deben mantener un campo de fuerza de color con otros quarks.

Figura 3.42: Campo de fuerza de color.

Unidad 7: Aceleradores de Partıculas 61

3.7. Unidad 7: Aceleradores de Partıculas

3.7.1. Objetivos

Comprender como los campos electricos y magneticos pueden utilizarse para acelerar

partıculas.

Conocer los distintos tipos de aceleradores.

Reconocer las ventajas y desventajas de los distintos tipos de aceleradores.

3.7.2. Aceleracion de partıculas cargadas

Si una partıcula cargada pasa atraves de una region donde hay un campo elactrico, esta

experimenta una fuerza. Las partıculas positivamente, como los protones, son aceleradas en

la mismas direccion del campo electrico. Las partıculas cargadas negativamente , como los

electrones , son aceleradas en la direccion opuesta del campo electrico y su velocidad incre-

mentara. Este incremento en la velocidad de las partıculas se traduce en un incremento de su

energıa cinetica, que es el aspecto principal de los aceleradores de partıcullas. Este aumento

en la energıa nos permitira estudiar interesante reacciones de partıculas.

Las partıculas que son aceleradas en fısica de altas energıas son antiprotones, protones, elec-

trones y positrones (p, p, e− y e+), por la simple razon de que son estables.

Figura 3.43: Movimiento de cargas en el seno de un campo electrico.

Los aceleradores aceleran las partıculas cargadas, mediante grandes campos electricos que

atraen o repelen las partıculas. Este campo es luego desplazado hacia la salida del acelerador,

“empujando” las partıculas a lo largo de el.


Figura 3.44: En un acelerador lineal el campo se debe a ondas electromagneticas viajeras

(E-M). Cuando una E-M choca con un grupo de partıculas, las de atras reciben un impulso

mas grande, mientras que las de adelante reciben menos impulso. De este modo, las partıculas

“cabalgan” sobre la onda E-M, como un grupo de surfistas.

3.7.3. Aceleradores lineales y colisionadores lineales

En los aceleradores lineales (LINACS) la partıcula arranca en un extremo y sale por el

otro. Uno de los mas importantes es el LINAC SLAC (Stanford Linear Accelerator Center).

El SLAC es un “linac” de 2 millas que puede acelerar electrones y protones hasta 50GeV

Protones y antiprotones tambien pueden acelerarse pero mas complejo y caro. En un “linac”

los electrones pueden emerger a velocidades muy proximas a la de la luz.

El GeV es la unidad de masa o energıa utilizada en fısica de altas energıas. Por tener una

perspectiva del significado de esta unidad, podemos decir que 1 GeV es aproximadamente

igual a la masa de un proton (E = mc2).

Mientras que en los aceleradores lineales se realizan experimentos de blanco fijo, en los coli-

sionadores lineales se hacen colisionar dos haces de partıculas (estan formados por dos acel-

eradores lineales). Un ejemplo es el SLC (Stanford Linear Collider-1989), donde se han con-

seguido colisionar haces de electrones y positrones a energıas de 100 GeV.


Colisiones con blanco fijo y entre haces

Los aceleradores pueden ser disenados para producir colisiones de dos tipos:

Blanco fijo: Disparan una partıcula contra un blanco fijo.

Colisionadores: Dos haces de partıculas se hacen colisionar entre sı.

Ventajas e inconvenientes:

En los experimentos con blanco fijo (solidos o lıquidos) suelen tener densidades de

partıculas mas altas y por tanto mayor cantidad de sucesos de interes.

Experimentos con haces colisionantes permiten disponer de mayor energıa para la

creacion de partıculas.La ventaja de este arreglo es que los dos haces tienen energıa

cinetica significativa (energıa de la velocidad), y es mas probable que una colision entre

ellos produzca una partıcula de mayor masa que si se tratara de una colision con blanco

fijo a la misma energıa.

Figura 3.45: En un experimento de haces colisionantes la energıa disponible para la creacion

de nueva partıculas en mayor.

3.7.4. Sincrotrones

En un sincrotron las partıculas son aceleradas utilizando un campo electrico y obligadas

a seguir una trayectoria circular. Para obligar a las partıculas a seguir estas trayactorias

circulares se utilizan potentısimos campos magneticos. La ventaja de un acelerador circu-

lar sobre un acelerador lineal es que en un acelerador circular (sincrotron) las partıculas


dan muchas vueltas, y reciben multiples impulsos de energıa en cada vuelta. Por eso, los

sincrotrones pueden proporcionar partıculas de muy alta energıa sin necesidad de tener di-

mensiones tremendas. Por otra parte, el hecho que las partıculas den vuelta muchas veces

implica que habra muchas probabilidades de que se produzcan colisiones en los lugares donde

se hace que los haces de partıculas se crucen.

Por otro lado, los aceleradores lineales son mucho mas faciles de construir que los aceleradores

circulares, porque no necesitan los grandes imanes requeridos para forzar a las partıculas a

moverse en un cırculo. Ademas los aceleradores circulares necesitan tener un radio enorme

para elevar la energıas de las partıculas a valores suficientemente altos, de modo que son

costosos de construir.

El modo de funcionamiento de estos aceleradores puede dividirse en tres etapas:

Los protones se introducen en el anillo mediante un LINAC.

En el anillo son acelerados hasta la energıa deseada (recibiendo varios pequenos impulsos

a lo largo de cada vuelta).

Se extrae el haz del anillo y se hace colisionar con un blanco fijo.

Figura 3.46: Sincrotron de protones colisionando con un blano fijo.


Figura 3.47: En un acelerador circular (sincrotron) pueden extraerse multiples haces secun-

darios para multiples experimentos.

3.7.5. Colisionadores (“Colliders”)

Otro tipo de aceleradores circulares usado en fısica de altas energıas son los colisionadores

(“Colliders”). En este tipo de maquinas, dos haces de partıculas son acelerados en sentidos

opuestos. Cuando tienen la energıa adecuada son obligados a cruzarse y colisionar. Normal-

mente las colisiones que se estudian son e+ e−, p p, e− p o p p.

El mayor colisionador de electrones y positrones era el LEP (“Large Electron-Positron collid-

er”) del CERN (actualmente desmantelado). Entro en funcionamiento en el verano de 1989.

Era un acelerador-colisionador e+e− circular de unos 27 km de longitud, situado a 100 m bajo

tierra en la frontera entre Francia y Suiza. Actualmente esta siendo reemplazado por el LHC.

En el los electrones y positrones eran inyectados y acelerados hasta la energıa final de colision

mediante el uso de cavidades de radiofrecuencia. Un sistema de imanes dipolares curvaba los

haces de electrones y positrones obligandoles a seguir una trayectoria circular. Aunque origi-

nalmente fue disenado para la produccion de bosones Z0 (cuya masa es de 91.2 GeV/c22), con

energıas por haz previstas para su primera fase en torno a los 45 GeV, las distintas mejoras

que en los ultimos anos se introdujeron en el (incluyendo la instalacion de cavidades super-

conductoras) permitieron alcanzar energıas por haz de hasta 104.5 GeV. Se denomino LEP

2 a la segunda fase del acelerador de partıculas LEP, en la cual se ha incremento la energıa

de colision en el centro de masas por encima de los 130 GeV. Este incremento permitio la

produccion de pares de bosones W± y Z0.

En el 2007 entrara en operacion el LHC (“Large Hadron Collider”) en el CERN. En el LHC

colisionaran haces de protones de 7 TeV lo que dara lugar a disponer de casi ¡14 TeV para la

creacion de nuevas partıculas!. Un tera electron-voltio es aproximadamente la energıa cinetica

de un mosquito volando. Aunque parezca una energıa pequena, lo extraordinario es que las


partıculas que concentran esa energıa en el LHC tienen un volumen un billon de veces menor

que el de un mosquito ( en el caso de un proton esa energıa esta concentrada en un espacio

de 10−15 cm). Y si los protones tienen la misma energıa que los mosquitos, ¿Por que no nos

dedicamos a estrellar mosquitos? Bueno, el problema no es la energia en sı, sino la energıa que

tienes por unidad de volumen. Para poder llevar a los protones a tales energıas se utilizaran

27 Km de imanes con un campo de 8.4 Tesla enfriados con helio superfluido a 1.9 K. Sera la

estructura superconductora mas grande del mundo.

Figura 3.48: “Large Hadron Collider” CERN.

Figura 3.49: Uno de los autores de este trabajo junto a una de las unidades superconductoras

por donde viajaran los haces de protones.


name type energy location yrs

Cosmotron p synchrotron 3 GeV Brookhaven, NY 1952 - 67

Bevatron p synchrotron 6.4 GeV UC Berkeley 1954 - 85

AGS p synchrotron 28 GeV Brookhaven, NY 1961-

SLAC e− linac 50 GeV Stanford, Calif. 1961 -

Fermilab p synchrotron 400 GeV Batavia, Illinois 1972 -

CERN S p, p S p,p collider 900 GeV Geneva, Switzerland 1981 - 90

Tevatron p, p collider 2.000 GeV Batavia, Illinois 1987 -

SLC e−, e+ linear collider 100 GeV Stanford, Calif. 1989 -

LEP e−, e+ collider 180 GeV Geneva, Switzerland 1989 -

HERA e−, p collider 30-820 GeV Hamburg, Germany 1992 -

DAPNE e−, e+ collider 1 GeV Frascati, Italy 1997

LHC p, p collider 14,000 GeV Geneva, Switzerland 2004 ?

Tabla 3.9: Some past, present, and future accelaretors.


3.8. Unidad 8: Detectores de Partıculas

3.8.1. Objetivos

Comprender el funcionamiento de algunos de los detectores utilizados en fısica de altas

energıas: contadores de centelleo, camaras de burbujas y cristales de plomo.

3.8.2. Detectores

Rutherford utilizo el sulfuro de zinc para detectar la presencia de partıculas alfa invisi-

bles, y mediante este conocimiento pudo determinar las trayectorias de las partıculas alfa; del

mismo modo los fısicos modernos deben observar los productos, resultantes del decaimiento

de las partıculas, y deducir ası la existencia de partıculas.

Para detectar las distintas partıculas y los productos de decaimiento, los fısicos han disenado

detectores multicomponentes que examinan diferentes aspectos de un evento. Cada compo-

nente de un detector moderno se emplea para medir la energıa y el ımpetu de una partıcula,

y/o para distinguir entre sı partıculas de diferentes tipos. Cuando todos los componentes tra-

bajan juntos para detectar un evento, se pueden identificar partıculas individuales de entre

la multitud a analizar.

Al seguir la evolucion de cada evento, las computadoras recolectan e interpretan la masa de

datos provenientes de los detectores y le presentan al fısico los resultados extrapolados.

Los fısicos sienten curiosidad por conocer los que ocurre durante y despues de una colision

entre partıculas. Por esta razon, colocan detectores en las regiones que van a recibir la lluvia

de partıculas que sigue a un evento. Los detectores estan construıdos de diferentes maneras,

de acuerdo al tipo de colision que van analizar.

En un experimento de blanco fijo las partıculas producidas, generalmente vuelan en la direc-

cion hacia adelante; por eso los detectores tienen forma conica y estan ubicados “corriente

abajo”.

Durante un experimento de colision de haces, las partıculas se irradian en todas direcciones;

por eso el detector es esferico o, mas comunmente, cilındrico.

Los detectores modernos constan de muchas piezas diferentes de equipamiento, que evaluan

diferentes aspectos de un evento. Estos numerosos componentes son dispuestos de tal modo

que los fısicos puedan obtener el mayor numero de datos, acerca de las partıculas producidas

en un evento.

Unidad 8: Detectores de Partıculas 69

Figura 3.50: Detector para experimentos de blanco fijo (izquierda) y para experimentos de

haces colisionantes.

Figura 3.51: Diseno esquematico de un detector moderno tıpico

La razon por la cual los detectores estan divididos en muchos componentes es que cada

componente evalua un grupo especial de propiedades de las partıculas. Estos componentes

estan apilados de tal manera que todas las partıculas pasaran por las diferentes capas secuen-

cialmente. Una partıcula no sera evidenciada hasta que no interactue con el detector en un

modo medible, o bien decaiga en partıculas detectables.

Viendo la figura 3.52 hay algunas cosas importantes a tener en cuenta:

Las partıculas cargadas, tales como los electrones y los protones, son detectadas tanto

en la camara de rastreo como en el calorımetro electromagnetico.

Las partıculas neutras, como los neutrones y fotones, no son detectables en la camara

de rastreo; solo quedan en evidencia cuando interactuan con el detector. Los fotones son

detectados por el calorımetro electromagnetico, mientras que los neutrones se evidencian

por la energıa que depositan en el calorımetro de hadrones.

Las partıcula tiene su propia “firma” en el detector. Por ejemplo, si un fısico detecta

una partıcula solo en el calorımetro electromagnetico, entonces sera un foton.


Figura 3.52: Interaccion de varias partıculas con los diferentes componentes de un detector.

Una funcion importante del detector es medir la carga y la cantidad de movimiento de

una partıcula. Por esta razon, las partes internas del detector, especialmente el dispositivo

de rastreo, estan dentro de un fuerte campo magnetico. Las senas de las partıculas cargadas

pueden ser leıdas facilmente, a partir de sus rastros ya que, en un mismo campo magnetico,

las partıculas positivas y negativas doblan en direcciones opuestas.

Se pueden calcular las cantidades de movimiento de las partıculas, dado que las trayectorias de

las partıculas que tienen mayor cantidad de movimiento se curvan menos que las de aquellas

con menor cantidad de movimiento. Esto es ası porque una partıcula con mayor cantidad de

movimiento permanece menos tiempo en el campo magnetico o bien tiene mayor inercia que

la partıcula con menor cantidad de movimiento; y por lo tanto se curva menos en el campo

magnetico.

En resumen, los detectores nos permiten averiguar propiedades de las partıculas: velocidad,

momento, energıa, masa, carga, tipo.

3.8.3. Contadores de centelleo

Los contadores de centelleo son unos de losdetectores mas simples y mas antiguos. Se

utilizan pra conocer la posicion de partıculas cargadas. La ventaja de estos detectores es que

la informacion es obtenida muy rapidamente, pero en desventaja tenemos que la informacion

sobre la posicion es muy grosera. Cuando una partıcula cargada pasa a traves del contador

de centelleo se estimula la produccion de fotones que se captan en un tubo fotomultiplicador.


Figura 3.53: Una vista en corte de un detector; la vista esta tomada desde una posicion en

la que el haz viene hacia nosotros. Observar los diferentes lugares en que se detectan algunas

de las distintas partıculas mostradas.

Figura 3.54: Contador de centelleo.

3.8.4. Camaras de hilo

Para determinar la posicon de una partıcula con mas precision se usan las camaras de hilos

o “wire chambers”. Solo funcionan con partıculas cargadas. Miles de finos hilos, separados

distancias de milımetros se encuentran en un volumen cerrado con una mezcla de gases.

Cuando una partıcula cargada pasa a traves de la camara ioniza el gas y los electrones son

atrapados por los hilos que se encuentran sometidos a un alto voltaje (2000-3000 voltios). De

esta manera la posicion la partıcula puede conocerse con mucha precision. La informacion

de la posicion puede permitirnos calcular el momento de la partıcula. Para ello se inserta

un campo magnetico en la camara, de manera que las partıculas cargadas positivamente

se desvıan en un sentido y las cargadas negativamente en sentido contrario. Analizando la

curvatura de las trayectorias podemos obtener informacion sobre la cantidad de movimiento.


Figura 3.55: Esquema de una “wire chambers”

3.8.5. Cloud Chambers y Bubble Chambers

El pion, el positron y el muon fueron descubiertos mediantes las “cloud chambers”. Una

“cloud chambers” consiste en un gas supersaturado (justo a punto de condensar). Cuando

una partıcula cargada pasa a traves del gas se forman pequenas gotitas al paso de esta. El

rastro de gotitas puede fotografiarse permitiendo estudiar la trayectoria de la partıcula. Me-

diante estas fotografias podemos determinar la carga, la masa y el momento de la partıcula.

En la decada de los 50, las “cloud chambers” fueron sustituidas por las “bubble chambers”.

Las “bubble chambers” usan hidrogemo lıquido, por lo cual es aparato debe de enfriarse a

una temperatura de 20 K. El hidrogeno se lleva a una situacion de sobrecalentamiento con-

trolando la presion mediante un piston. Cuando la partıcula atraviesa el hidrogeno lıquido

deja una traza que puede ser fotografiada.

Este aparato consta de un cilindro cerrado lleno del en el cual la irrupcion de un partıcula

cargada provoca una “ebullicion” local, que se manifiesta en un rosario de pequenas burbujas

a lo largo de la trayectoria de la partıcula, a la que puede fotografiarse. La camara de bur-

bujas puede alcanzar dimensiones importantes, las hay de hasta 2 m de largo. Supongamos

que colocamos imanes en este dispositivo, una partıcula cargada que entre no recorrera su

trayectoria en lınea recta sino que seguira un arco de circunferencia. de allı que la estela

formada nos indicara, por su curvatura y sentido, el momento y el signo de la carga de la

partıcula.


Una de las mas famosas es “Gargamelle”, utilizada en el CERN durante los anos 70. Era

Figura 3.56: Esquema de funcionamiento de una “bubble chambers”

un cilindro de dos por cinco metros relleno de 18 toneladas de lıquido (freon). El problema

que planteaban las “bubble chambers” era el proceso de calentar el fluido cerca del punto de

ebullicion, tomar una foto y posteriormente alejarse del punto de ebullicion. Sin embargo, las

fotografıas que se obtenıan eran muy precisas y permitıan obtener una gran cantidad de infor-

macion. Para saber mas sobre “bubble chambers” recomendamos visitar el Bubble Chambers

Website del CERN (http://teachers.web.cern.ch/teachers/archiv/HST2005/ bubble chambers/

BCwebsite/index.htm) En la figura 3.59 podemos ver la trazas de un evento en una “bubble

Figura 3.57: Bubble chamber “Gargamelle”. Ahora desmantelada y expuesta en los jardines

del CERN (puede verse el detalle del piston que se utilizaba para modificar la presion en el

lıquido).

chambers”. En esta fotografıa podemos ver como un kaon K− penetra por la parte inferior de

la fotografia y golpea a un proton. En la colision el proton se desvia y el K− se transforma en

el par K0 y π−. Puede observarse que el K0 al no tener carga electrica no deja traza alguna.

Ademas es una partıcula inestable, y al final se desintegra en dos piones π− y π+. Los dos

piones dejan trazas con curvaturas en distinto sentido. Esto es debido la existencia de un

campo magnetico aplicado (en la foto las aspas indican el sentido del campo magnetico).


Figura 3.58: Trazas en una “bubble chambers” de un proceso de colision del un kaon K− con

un proton.

3.8.6. Detectores de cristales de plomo

La mayorıa de los calorımetros electromagneticos estan hechos de cristales de plomo. La

funcion es determinar la energıa y posicion de fotones, electrones y positrones.

El detector CMS del LHC llevara en su calorımetro electromagnetico 80000 cristales de

PbWO4, cuya mision es detectar fotones, electrones y positrones. Estos cristales absorben las

partıculas y producen luz. La cantidad de luz producida es proporcional a la energıa de la

partıcula absorbida.

Figura 3.59: Cristales de PbWO4 del detector CMS. Cada cristal pesa 1.5 Kg, contienen un

98 % de metal y ¡es absolutamente transparente!.

Capıtulo 4

Teacher’s Pack

Para cada una de las unidades se exponen los contenidos y objetivos cientıficos en idioma

ingles, ası como los contenidos linguısticos inherentes a cada una y que van en estrecha

correlacion con los contemplados en el currıculo de ingles para 4ode ESO. Para cada unidad

se han elegido una serie de palabras claves, que iran conformando un habeas lexico vital para

la asimilacion de los contenidos, agrupados genericamente en cuatro grupos morfologicos, a

saber: sustantivos, adjetivos verbos y otros.

Al final de cada unidad se incluye un sumario en ingles de los contenidos abarcados en la

misma.

4.1. Unit 1: Views on Matter at the Beginning of the 20th

Century

4.1.1. Contents

A review of the different approaches to matter at the beginning of the past century, when

the early results of experiments were difficult to be explained using the existing theories and

when new theories are then formulated. These new theories made us change the idea we had

of the world around us. In this first unit, studying these experiments, students will learn

about particles well known for the scientific community and about some which are not so

known.

4.1.2. Aims

1. Get to know what protons, neutrons, electrons and neutrinos are.

2. Get to know the constituents of the atom and the nucleus.

75

76 Teacher’s Pack

3. Be able to quote the names of at least 3 kinds of radiation.

4. Get to know the conservation rules for energy, electric charge and momentum.

4.1.3. Linguistic aims

Grammar points:

Present and past simple tenses.

Use of infinitive.

Key words:

Nouns Adjectives Verbs Others

Atom Alpha Bombard

Chamber Neutral

Charge Radioactive

Electron

Energy

Experiment

Law

Mass

Matter

Neutron

Nucleus (plural “nuclei”)

Particle

Proton

Radiation

Radioactivity

Target

Theory

4.1.4. Summary on Unit 1

1. The model of the atom: a dense nucleus containing most of the mass and all the positive

charge with electrons somewhere outside the nucleus.

2. The model of the nucleus: with protons with positive electric charge and neutrons having

none.

Unit 1: Views on matter at the beginning of the 20th century 77

3. The discovery of the neutron.

4. Three types of radiation (alpha, beta and gamme) and how the study of beta radiation

led to the theory of the neutrino.

5. Three conservation rules for:

a) Charge.

b) Momentum.

c) Energy

78 Teacher’s Pack

4.2. Unit 2: Forces and Interactions

4.2.1. Contents

We will study in this unit the role of forces in the subatomic world of particles, and how

forces are transmitted by the exchange of intermediary particles or force carriers. Students

will learn about the four fundamental forces and their carriers.

4.2.2. Aims

1. To get to know the four fundamental forces:

a) Gravitational force.

b) Electromagnetic force.

c) Strong force.

d) Weak force.

2. To learn how the particles processes (interactions) are represented as Feynman diagrams

and how to use these diagrams to understand the different kinds of reactions that could

take place.


Grammar points:

Use of Adjectives.

Expressing the future.

Key words:


Carrier Electromagnetic Act

Diagram Gravitational Draw

Force Repulsive Increase

Gluon Weak

Manner

Unit 2: Forces and Interactions 79


1. Concept of force to subatomic particles.

2. Gravitational force.

3. Electromagnetic force.

4. Strong force.

5. Weak force.

6. How to understand and draw a simple Feynman diagram.

80 Teacher’s Pack

4.3. Unit 3: A Look at the World of Particles

4.3.1. Contents

Experiments done in the 30’s, 40’s and 50’s and the theories from them developed. At

that time, scientists knew that the atom was composed of electrons and a nucleus, which

contained protons and neutrons.

4.3.2. Aims

To be able to understand what the following are:

a) Protons.

b) Antiprotons.

c) Antineutrons.

d) Pions.

e) Muons.

f) More neutrinos.

g) Antineutrinos.


Grammar points:

Passive voice.

Past participle.

Use of some prefixes.

Key words:


Antimatter Kinetic Discover

Energy Opposite Manifests

Positron

Property

Value

Unit 3: A Look at the World of Particles 81


1. In this unit we have studied the experiments and theories which led to the discovery of

new particles.

2. We have learnt about the antiparticles of the electron, proton and neutron. That’s to

say the positron, antiproton and antineutron.

3. We have also learnt about the discovery of an unstable particle, the pion. New particles:

a) Muons.

b) Two kinds of neutrinos.

4. Classification of particles according to common properties:

a) Leptons

b) Hadrons.

82 Teacher’s Pack

4.4. Unit 4: More Particles and more Conservation Rules

4.4.1. Contents

Development of particle accelerators and discovery of new particles.

Understanding how these particles interact with other particles.

Discovery of new particle properties and conservation rules for these properties.

4.4.2. Aims

1. To learn about strange particles.

2. To learn the rules governing the way particles interact.

3. Additional particle properties:

a) Lepton number.

b) Baryon number.

c) Strangeness.

4. More about neutrinos.


Grammar points:

Prepositions.

Suffixes.

Lexical families.

Key words:


Accelerator Mathematical Govern Merely

Concept Unstable Observe

Interaction Occur

Number Propose

Reaction Show

Rule

Unit 4: More Particles and more Conservation Rules 83


1. In this unit students have learnt about new types of particles.

a) Kaons, mesons (mass 0.5)

b) Lambda, baryon (mass 1.1)

c) Sigmas, baryons (mass 1.2)

d) Cascades, baryons (mass 1.3)

2. Students have reviewed rules seen before and have learnt new ones, fixing whether or

not reactions take place. These are:

a) Change conservation.

b) Baryon number conservation.

c) Strangeness conservation.

d) Lepton and neutrino (antineutrino) matching.

e) The mass of the decaying particle must be greater than the mass of the final product.

3. Some tips to remember:

a) Any interaction with a neutrino in it must be weak.

b) Any interaction with a proton in it must be electromagnetic.

c) In case of strangeness conservation, the reaction will happen via the strong force.

d) In case of not strangeness conservation, the reaction still could happen through the

weak force.

84 Teacher’s Pack

4.5. Unit 5: Quarks

4.5.1. Contents

By the 1950’s, physicists had retaken the three particle modelo of protons, neutrons and

electrons, and had enlarged it to include a big number of fundamental entities.

Theories are launched to develop the world of subatomic particles. One of these theories

proposes that the proton and neutron composing the nucleus are made of a more basic

particle. This new particle was called quark. Experimental eveidence was launched to support

the quark theory.

4.5.2. Aims

1. To get to know if all these particles are fundamental or composed of parts.

2. To get to know, in case these parts exist, how many they are and what are they like.

3. To find out where is the underlying simplicity of nature.

4. To be able to list six quarks.

5. To be able to combine quarks and antiquarks in pairs to form mesons.

6. To combine three quarks to form baryons.

7. To explain the first experiments to prove the quark theory.


Grammar points:

Present perfect vs. Past simple.

Modal verbs expressing possibility.

Unit 5: Quarks 85

Key words:


Arrangement Basic Contain By

Mesons (plural) Tough Discuss Down

Hadrons (plural) List Indeed

Quark Make up Subsequently

Pattern

Strangeness


1. Students have learnt about three quarks:

a) Up: with electric charge +2/3.

b) Down: with electric charge −1/3.

c) Strange: with electric charge −1/3.

2. Students have seen how mesons can be formed from the combination of a quark and an

antiquark.

3. Students have seen how baryons can be made from combinations of three quarks.

4. There has been a discussion on the evidence which supports the existence of quarks.

86 Teacher’s Pack

4.6. Unit 6: The Standard Model

4.6.1. Contents

The model of the quark theory of the 1960’s is only a beginning, and in the 1970’s and

1980’s it leads to the Standard model of quarks and leptons.

4.6.2. Aims

1. To see the difference between weak and strong forces.

2. Complete the quark model, consisting of six quarks to go with six leptons.


Grammar points:

Linking words.

Relative pronouns.

Key words:


Beginning Deep Lead And

Concept Standard Learn Because

Discovery Strike Commonly

Example So

Gravity


1. In this unit students got a deeper understanding of:

The strong force

• Rearranging quarks.

• Producing quark /antiquark pairs.

• As quark and antiquark annihilate.

The weak force

• As it changes a single quark into another flavour of quark.

Unit 6: The Standard Model 87

2. Students have studied the theoretical motivation for and the experimental verification

of:

The standard model of fundamental particles

• Six quarks.

• Six leptons.

88 Teacher’s Pack

4.7. Unit 7: Particle Accelerators

4.7.1. Contents

In this unit we will study the importance of particle accelerators as a basic tool for high-

energy physics, as most of the theories and discoveries we have dealt with in previous units

would have not been possible without them and the detectors designed to go with them.

4.7.2. Aims

To learnt about:

a) Linear.

b) Linear collider.

c) Fixed target.

d) Colliders.


Grammar points:

Complex sentence.

Personal pronouns (object and subject).

Key words:


Collider Advantageous Accelerate Accurately

Field Charged Allow Beyond

Goal Electric Emerge

Speed Increase

Table Measure

Store


Students have learnt about four types of accelerators: how they work, their disadvantages

and an example of each of them.

Linear accelerator.

Unit 7: Particle Acelerators 89

Linear Collider.

Fixed Target.

Collider.

90 Teacher’s Pack

4.8. Unit 8: Particle Detectors

4.8.1. Contents

Students will study the particle reactions produced by accelerators. A variety of detectors

is needed. Particles are not seen in a literal way, but many of their properties are determined,

including:

Velocity

Momentum

Energy

Mass

Charge

Identity

4.8.2. Aims

1. To get to know different types of detectors, as not all of them can determine all prop-

erties for particles.

2. To get to know the following:

Scintillation counters

Wire of drift chambers.

Cloud and Bubble chambers.

Lead glass.


Grammar points:

Comparative and superlative of English adjectives.

The interrogative sentence: Types.

Unit 8: Particle Detectors 91

Key words:


Advantage Available Aim Few

Centimetre Easy Contain Perhaps

Counter Old Know Therefore

Gas Primary Pass

Size Simple Track

Tube Single

Wire


In this unit students have learnt about some of the detectors used in high-energy physics

and their primary uses:

a) Scintillation counters.

b) Wire of drift chambers.

c) Cloud and Bubble chambers.

d) Lead glass.

92 Teacher’s Pack

4.9. Open Questions

4.9.1. Contents

In the previous 8 units students have studied one hundred years of theories and experi-

ments leading to the present standard model of the entities forming the world around us.

The most recent one is the discovery in 1995 of the top quark.

Even now some theories are leading to the existence of some kind of substructure for quarks,

and the standard model will continue being tested in the future looking for accuracy.

4.9.2. Aims

To open minds to the questions still to be answered in the future:

a) What is the origin of mass?

b) How many generations of quarks and leptons are there?

c) What about observing free quarks?

d) Are quarks and leptons composed of parts?


Grammar points:

To get to know the importance of English in the world of sciences.

To deduce some rules and structures for technical English.

Key words:


Annihilation Massless Decay Foremost

Generation Sigma Print

Spin

Tau

Capıtulo 5

Lehrermaterialien

Para las unidades 1 y 2 se exponen los contenidos y objetivos cientıficos en idioma aleman,

ası como los contenidos linguısticos inherentes a cada una. Para cada unidad se han elegido

una serie de palabras claves, que iran conformando un habeas lexico vital para la asimilacion

de los contenidos, agrupados genericamente en cuatro grupos morfologicos, a saber: sustan-

tivos, adjetivos verbos y otros.

Al final de cada unidad se incluye un sumario de los contenidos abarcados en la misma.

5.1. 1. Einheit: 1. Einheit: Der Begriff der Materie zu Beginn

des 20. Jahrhunderts.

5.1.1. Inhalt

Eine Ubersicht uber die verschiedenen Auffassungen von Materie zu Beginn des vergan-

genen Jahrhunderts, als die Resultate der ersten Experimente sich schwer mit den bestehen-

den Theorien erklaren ließen und in weiterer Folge neue Theorien formuliert wurden. Diese

Theorien veranderten unser Weltbild. In dieser ersten Einheit werden die Schuler durch das

Studium dieser Experimente Teilchen kennen lernen, die in der Wissenschaft gut bekannt

sind, und solche, die weniger gut bekannt sind.

5.1.2. Ziele

1. Wissen, was Protonen, Neutronen, Elektronen und Neutrinos sind.

2. Die Bestandteile des Atoms und des Atomkerns kennen lernen.

3. Die Namen von mindestens 3 Arten von Strahlung nennen konnen.

93

94 Lehrermaterialien

4. Die Regeln fur Energie, elektrische Ladung und Impuls kennen lernen.

5.1.3. Sprachliche Ziele

Grammatik:

Prasens und Prateritum.

Gebrauch des Infinitivs.

Wichtige Vokabel:

Nomen Adjektive Verben Andere

Alfa neutral bombardieren

Atom radioaktiv

Kammer

Ladung

Elektron

Energie

Experiment

Gesetz

Impuls

Masse

Materie

Neutron

Kern

Teilchen

Proton

Strahlung

Radioaktivitat

Ziel

Theorie

5.1.4. Zusammenfassung der 1. Einheit

1. Das Atommodell: Ein dichter Kern, der die meiste Masse enthalt und samtliche positive

Ladung, mit Elektronen irgendwo ausserhalb des Kerns

2. Das Kernmodell: Mit Protonen mit positiver Ladung und Neutronen ohne Ladung.

1. Einheit: Der Begriff der Materie zu Beginn des 20. Jahrhunderts. 95

3. Die Entdeckung des Neutrons.

4. Drei Arten von Strahlung (Alfa, Beta and Gamma) und wie die Erforschung der Beta-

Strahlung zur Theorie des Neutrinos fuhrte.

5. Drei Erhaltungssatze:

a) Ladung

b) Impuls (Impulserhaltungssatz)

c) Energie (Energieerhaltungssatz)


5.2. 2. Einheit: Krafte und Wechselwirkungen

5.2.1. Inhalt

In dieser Einheit werden wir lernen, welche Rolle die Krafte in der subatomaren Welt der

Teilchen spielen, und wie Krafte durch den Austausch von Mittlerteilchen oder Kraftetrager

ubertragen werden. Die Schuler werden die vier Grundkrafte und ihre Trager kennenlernen.

5.2.2. Ziele

1. Kennenlernen der vier Grundkrafte

a) Gravitations- oder Schwerkraft.

b) Elektromagnetische Kraft.

c) Starke Kraft.

d) Schwache Kraft.

2. Lernen, wie die Teilchenprozesse (Interaktionen) als Feynman -Diagramme dargestellt

werden und wie man diese Diagramme verwendet, um die verschiedenen Arten von

Reaktionen zu verstehen, die stattfinden konnen.

5.2.3. Sprachliche Ziele

Grammatik:

Gebrauch der Adjektive.

Ausdrucken von zukunftigen Handlungen.

Wichtige Vokabel:

Nomen Adjektive Verben Andere

Trager elektromagnetisch agieren

Diagramm abstossend ziehen

Kraft schwach zunehmen

Gluon

Art und Weise

Schwerkraft

Gravitationskraft

2. Einheit: Krafte und Wechselwirkungen 97

5.2.4. Zusammenfassung der 2. Einheit

1. Begriff/Konzeption der Kraft auf subatomare Teilchen.

2. Gravitationskraft/Schwerkraft.

3. Elektromagnetische Kraft.

4. Starke Kraft.

5. Schwache Kraft.

6. Wie man ein einfaches Feynman - Diagramm liest und zeichnet.


Capıtulo 6

Classroom Activities

En este capıtulo se proponen actividades a modo de auto-test (“self-test”) que pueden

plantearse en clase a la finalizacion de los bloques de contenidos. Se ofrece la traduccion de

estas actividades como ayuda para el profesor.

6.1. Unit 1: Views on Matter at the Beginning of the 20th

Century

1. What kind of radiation did Rutherford use to study atomic and nuclear structure?

a) alpha

b) beta

c) gamma

2. Match the items in the left column with those in the right.

alpha a neutron changes into a proton

beta high-energy electromagnetic radiation

gamma a helium nucleus

3. Neutrinos were proposed by Pauli:

a) because they were seen at a nuclear reactor.

b) because of missing energy in beta decay.

c) to guarantee charge conservation in beta decay.

4. Name the three conserved quantities you have learned about so far.

99

100 Classroom Activities

5. Fill in the chart

object symbol mass charge spin

proton

neutron

electron

neutrino

6. Test each reaction for charge conservation and conclude whether it passes or fails:

e− + p ⇒ n + n

e− + p ⇒ ν + n

e− + n ⇒ p + n

7. Draw a picture of a helium atoms as seen by a physicist in 1932.

Unidad 1: La Materia a Principios del Siglo XX

1. ¿Que tipo de radiacion usa Rutherford para estudiar la estructura atomica y nuclear?

a) alfa

b) beta

c) gamma

2. Une con flecha los items de cada columna:

alfa un neutron se transforma en un proton

beta radiacion electromagnetica de alta energıa

gamma nucleos de helio

3. Los neutrinos fueron propuestos por Pauli:

a) porque fueron vistos en reactores nucleares.

b) porque no encontraba la energıa perdida en la desintegracion beta.

c) por no garantizar la conservacion de la carga en la desintegracion beta.

4. Nombra tres magnitudes que se conserven en una reaccion de partıculas.

Unit 1: Views on matter at the beginning of the 20th century 101

5. Completa el cuadro siguiente:

objeto simbolo masa carga spin

proton

neutron

electron

neutrino

6. Comprueba la conservacion de la carga en las siguientes reacciones e indica cuales son

posibles:

e− + p ⇒ n + n

e− + p ⇒ ν + n

e− + n ⇒ p + n

7. Realiza un dibujo del atomo de Helio tal como lo imaginaban los fısicos en 1932.


6.2. Unit 2: Forces and Interactions

1. The gravitational force is

a) always repulsive.

b) always attractive.

c) sometimes attractive and sometimes repulsive.

2. The electromagnetic force:

a) acts on electrically charged particles.

b) is always attractive.

c) is always repulsive.

3. The strong force

a) attracts neutrons to protons.

b) attracts electrons to protons.

c) attracts protons to protons.

4. The weak force is

a) responsible for stability of the nucleus.

b) responsible for radioactive decay.

c) the only force that affects neutrinos.

d) the only force that affects neutrons.

5. Match the force carrier in the left column with the force in the right.

gluon weak

graviton strong

W,Z electromagnetic

foton gravitational

Unit 2: Forces and Interactions 103

6. Fill in the missing force carriers.

Unidad 2: Fuerzas e interacciones

1. La fuerza gravitacional es:

a) siempre repulsiva.

b) siempre atractiva.

c) algunas veces atractiva y otras veces repulsiva.

2. La fuerza electromagnetica:

a) actua en partıculas cargadas electricamente.

b) es siempre atractiva.

c) es siempre repulsiva.

3. La fuerza fuerte:

a) une a protones con neutrones.

b) une a eletrones con protones.

c) une a protones con protones.


4. La fuerza debil es:

a) responsable de la estabilidad del nucleo.

b) resonsable de la desintegracion beta.

c) es la unica fuerza que afecta a los neutrinos.

d) es la unica fuerza que afecta a los neutrones.

5. Une con flecha los items de cada columna:

gluon debil

graviton fuerte

W,Z electromagnetica

foton gravitatoria

6. Completa en cada diagrama de Feynman la partıcula portadora de la interaccion:


6.3. Unit 3: A Look at the World of Particles

1. The positron has the same spin and charge as

a) an electron.

b) a proton.

c) a neutrino.

2. The antiproton as

a) a positive charge.

b) a negative charge.

c) no charge.

3. The neutron and antineutron have

a) the same mass.

b) little or no mass.

c) the same spin.

4. The pion

a) was predicted from theory before it was observed.

b) is stable.

c) can decay to a muon and a neutrino.

d) is a lepton.

5. The muon

a) was predicted from theory before it was observed.

b) is stable.

c) cannot decay to pions.

d) is a lepton.

6. Using the rules that you have learned so far, indicate whether each of these particle

processes can or cannot occur.

a) e− + e− ⇒ e− + e−

b) e− + e+ ⇒ e+ + e−


c) µ− + e+ ⇒ µ− + e+

d) e+ + e− ⇒ energy

e) µ+ + e− ⇒ energy

f) p + n ⇒ energy

g) energy ⇒ n + n

7. Fill in the particle review chart. Remember, all masses are approximate and should be

quoted in terms of the proton mass.

Particle charge mass lifetime feels strong force

electron 1/1800 stable no

neutrino

muon +1/-1 10−6s no

proton 1

neutron 930 s

pion +1/-1 yes

pion 0 yes

8. Fill in the review chart on antimatter

object symbol mass charge spin

antiproton

antineutron

antielectron


9. Review the 12 leptons by filling in the chart.

object symbol mass charge matter - antimatter

electron 1/1800 matter

positron 1/1800

muon 1/9 -1

muon 1/9 +1

tau 2 -1

tau 2 +1 antimatter

νe

νe

νµ

νµ

ντ

ντ

Unidad 3: Un Vistazo al Mundo de las Partıculas

1. El positron tiene el mismo spin que y carga que:

a) un electron.

b) un proton.

c) un neutrino.

2. El antiproton tiene:

a) carga positiva.

b) carga negativa.

c) no posee carga.

3. El neutron y el antineutron tienen:

a) la misma masa.

b) masa muy pequena o despreciable.

c) el mismo spin.


4. El pion:

a) fue predicho teoricamente y despues fue observado.

b) es estable.

c) decae en un muon y un neutrino.

d) es un lepton.

5. El muon:

a) fue predicho teoricamente y despues fue observado.

b) es estable.

c) no decae a piones.

d) es un lepton.

6. Usando las reglas de conservacion que has aprendido indica de los siguientes procesos

cuales pueden ocurrir o no:

a) e− + e− ⇒ e− + e−

b) e− + e+ ⇒ e+ + e−

c) µ− + e+ ⇒ µ− + e+

d) e+ + e− ⇒ energia

e) µ+ + e− ⇒ energia

f) p + n ⇒ energia

g) energia ⇒ n + n

7. Completa la siguiente tabla. Recuerda que todas las masas estan aproximadas y expre-

sadas en terminos de la masa del proton:

Partıcula carga masa tiempo de vida siente la interaccion fuerte

electron 1/1800 estable no

neutrino

muon +1/-1 10−6s no

proton 1

neutron 930 s

pion +1/-1 si

pion 0 si


8. Completa la siguiente tabla:

Partıcula sımbolo masa carga spin

antiproton

antineutron

antielectron

9. Repasa las propiedades de la familia de 12 leptones y completa la siguiente tabla:

Partıcula sımbolo masa carga materia o antimateria

electron 1/1800 materia

positron 1/1800

muon 1/9 -1

muon 1/9 +1

tau 2 -1

tau 2 +1 antimateria

νe

νe

νµ

νµ

ντ

ντ


6.4. Unit 4: More Particles and more Conservation Rules

1. If the baryon number of a proton is 1, the baryon number of the antiproton is

a) 1

b) 0

c) -1

2. The baryon number of an electron is

a) 1

b) 0

c) -1

3. Strangeness must be conserved in

a) weak interactions.

b) strong interactions.

c) electromagnetic interactions.

4. Strange particles

a) do not decay.

b) decay very quickly.

c) are leptons.

5. Indicate whether or not the following reactions can take place. If they can occur, then

indicate the force responsible. You may need to look back to the chapter summary or

even previous lessons for some of the property values. Remember, just as antiparticles

have electric charge equal but opposite to their corresponding particles, they have equal

but opposite strangeness and baryon number.

a) p p ⇒ π+ π− π− π+ π0

b) p K− ⇒ Σ+ π− π− π+ π0

c) p π− ⇒ Λ Σ0

d) p νµ ⇒ µ+ n

e) p νµ ⇒ e+ n

Unit 4: More Particles and more Conservation Rules 111

f) p νe ⇒ e+ Λ K0

g) p νe ⇒ e− Σ+ K+

h) e+ ⇒ µ+ νe νµ

i) K+ ⇒ π+ π0

j) Λ ⇒ p K−

Unidad 4: Mas Partıculas y Reglas de Conservacion

1. Si el numero barionico del proton es 1, l numero barionico del antiproton es:

a) 1

b) 0

c) -1

2. El numero barionico del electron es:

a) 1

b) 0

c) -1

3. La estraneza debe conservarse en:

a) interacciones debiles.

b) interacciones fuertes.

c) interacciones electromagneticas.

4. Las partıculas estranas:

a) no decaen.

b) decaen muy rapido.

c) son leptones

5. Indica cuales de las siguientes reacciones son posibles. Si puede ocurrir indica la fuerza

responsable. Recuerda que las antipartıculas tienen igual carga pero signo contrario que

su correspondiente partıcula y tienen igual estraneza y numero barionico pero de signo

opuesto.

a) p p ⇒ π+ π− π− π+ π0


b) p K− ⇒ Σ+ π− π− π+ π0

c) p π− ⇒ Λ Σ0

d) p νµ ⇒ µ+ n

e) p νµ ⇒ e+ n

f) p νe ⇒ e+ Λ K0

g) p νe ⇒ e− Σ+ K+

h) e+ ⇒ µ+ νe νµ

i) K+ ⇒ π+ π0

j) Λ ⇒ p K−

Unit 5: Quarks 113

6.5. Unit 5: Quarks

1. The quark theory was proposed to

a) simplify our view of matter.

b) explain all the new particles that were discovered in the 70s.

c) explain spin.

2. Quarks y antiquarks have

a) no spin.

b) integer spin.

c) spin of 1/2.

3. The following quarks have non-zero strangeness

a) up.

b) down.

c) strange.

d) antistrange.

4. Which particle has the same exact quarks as a neutron?

a) the proton

b) the antineutron.

c) the neutral pions.

d) none of above.

5. There is

a) no experimental evidence that quarks exist.

b) experimental evidence for free quarks.

c) experimental evidence that quarks exist inside particles.

6. Give the quark content of the following: π+, π−, K+, K−, Λ, Σ0.

7. Write down the equation for neutron beta decay. Explain this decay in terms of quarks

and draw the Feynman diagram.

8. Draw a picture of the helium atom as seen by a physicist in 1970.


Unidad 5: QUARKS

1. La teorıa de quarks fue propuesta para:

a) Simplificar nuestra vision de la materia.

b) Explicar todas las nuevas partıculas descubiertas en la decada de los 70.

c) Explicar el spin.

2. Quarks y antiquarks:

a) no tienen spin.

b) tienen spin entero.

c) tienen spin fraccionario.

3. Los siguientes quarks tienen estraneza distinta de cero:

a) up.

b) down.

c) strange.

d) antistrange.

4. ¿Que partıculas tienen exactamente los mismos quarks que un neutron?

a) el proton.

b) el antineutron.

c) los piones neutros.

d) ninguno de los anteriores.

5. Senala si es verdadero o falso:

a) no hay evidencia experimental de que los quarks existan.

b) hay evidencia experimental de quarks libres.

c) hay evidencia experimental de quarks en el interior de partıculas.

6. Indica los quarks que componen las siguientes partıculas: π+, π−, K+, K−, Λ, Σ0.

7. Escribe la ecuacion del decaimiento del neutron. Explica esta desintegracion en terminos

del modelo de quarks y dibuja el correpondiente diagrama de Feynman.

8. Dibuja el atomo de helio tal y como lo concibieron los fısicos de la decada de los 70.

Unit 6: The Standard Model 115

6.6. Unit 6: The Standard Model

1. The strong force

a) can change an up quark into a down quark.

b) can rearrange quarks.

c) can make an up/antiup pair from energy.

2. The weak force

a) cannot rearrange quarks.

b) can turn a strange quark into an up quark.

c) can rearrange quarks.

3. The quark charm

a) was discovered in a free state.

b) has no electric charge.

c) was discovered in an accelerator experiment.

4. The quark bottom

a) has never been seen.

b) has spin of 1/2.

c) was discovered in a accelerator experiment.

5. The quark top

a) is less massive than the proton.

b) is almost 200 times as massive as the proton.

c) was discovered in the 60s

6. Show the quark model, draw a Feynman diagram, and give the force responsible for

this process:

π+ + n ⇒ Σ+ + K0


Unit 6: El Modelo Estandard

1. La fuerza fuerte:

a) puede cambiar un quark up en un quark down.

b) puede reorganizar quarks.

c) puede crear un par quark/antiquark a partir de energıa.

2. La fuerza debil:

a) no puede reorganizar quarks.

b) puede transformar un quark strange en un quark up.

c) puede reorganizar quarks.

3. El quark charm:

a) fue descubierto en estado libre.

b) no tiene carga electrica.

c) fue descubierto en un experimento con aceleradores.

4. El quark bottom:

a) nunca ha sido visto.

b) tiene spin 1/2.

c) fue descubierto en un experimento con aceleradores.

5. El quark top:

a) es menos masivo que un proton.

b) tiene unas 200 veces mas masa que el proton.

c) fue descubierto en la decada de los 60.

6. Explica el siguiente proceso desde la teorıa de quarks. Dibuja su diagrama de Feynman

e indica la fuerza responsable de este.

π+ + n ⇒ Σ+ + K0

Unit 7: Particle Accelerators 117

6.7. Unit 7: Particle Accelerators

1. An electric field can be used to accelerate

a) protons.

b) neutrons

c) positrons.

d) neutrinos.

2. If a magnetic field bends electrons to the left it will bend

a) protons to the right.

b) neutrons to the left.

c) positrons to the left.

d) neutrinos either right or left.

3. A linear accelerator

a) can only accelerate protons.

b) must be very long to get high energies.

c) uses magnetic fields to bend particles.

4. A collider accelerator

a) uses electric and magnetic fields.

b) can only accelerate protons.

c) can accelerate antimatter.

Unidad 7: Aceleradores de Partıculas

1. Un campo electrico puede usarse para acelerar un campo electrico:

a) protones.

b) neutrones.

c) positrones.

d) neutrinos.


2. Si un campo magnetico desvia electrones hacia la izquierda, entonces desviara:

a) protones hacia la derecha.

b) neutrones hacia la izquierda.

c) positrones hacia la derecha.

d) neutrinos hacia la derecha y la izquierda.

3. Un acelerador lineal:

a) solo puede acelerar protones.

b) debe ser muy largo para conseguir altas energıas.

c) usa campos magneticos para desviar partıculas.

d) neutrinos hacia la derecha y la izquierda.

4. Los aceleradores en anillo:

a) usa campos electricos y magneticos.

b) solo puede acelerar protones.

c) puede acelerara antimateria.

Unit 8: Particle Detectors 119

6.8. Unit 8: Particle Detectors

1. Scintillation counters can be used to

a) measure momentum.

b) measure position crudely.

c) measure position precisely.

2. Lead glass can be used to

a) measure photon energies.

b) measure positron energies.

c) measure proton energies.

3. Wire chambers can

a) be used to measure charged particle position.

b) be used to help determine the momentum of a particle.

c) directly measure electron energy.

4. Draw a bubble chamber picture representing the decay.

K+ ⇒ π+ π0

with the π0 decaying into two photons, which both pair-produce and electron and a

positron.

Unidad 8: Detectores de Partıculas

1. Los contadores de centelleo pueden usarse para:

a) medir momentos.

b) medir posiciones de forma tosca.

c) medir posiciones con precision.

2. Cristales de plomo pueden usarse para:

a) medir energıa de fotones.

b) medir energıa de positrones.

c) medir energıa de protones.


3. Las camaras de hilo:

a) pueden usarse para medir posiciones de partıcula cargadas.

b) pueden ayudarnos a determinar el momento de una partıcula.

c) miden directamente la energıa del electron.

4. La velocidad de una partıcula puede determinarse mediante:

a) un contador Cerenkov.

b) una camara de hilos.

c) cristales de plomo.

5. Dibuja la traza de la siguiente reaccion en una bubble chamber:

K+ ⇒ π+ π0

en la cual π0 se desintegra en dos fotones y ambos originan a su vez pares electron

positron.

Capıtulo 7

Resources for Teaching: Comics,

Games and Interactives

7.1. Comics

The World of Particles

“The world of Particles” es un comic de Brian Southworth y Jordi Boixader publicado

por el CERN (European Laboratory for Particle Physics). Con un formato de comic y una

didactica extraordinaria se plantea el mundo de la fısica de partıculas.

What is our Universe made of?

Where does it come from?

Why does it behave as it does?

No tenemos todas las respuestas a esas preguntas, pero en los ultimos anos hemos descubierto

una gran cantidad de informacion sobre el Universo que nos rodea. La busqueda ha revelado

que, mas alla de la evidencia visible, hay un hirviente mundo de partıculas minusculas y

mensajeros que viajan entre ellas, cambiando constantemente en el espacio, el tiempo y la

energıa. Este comic presenta el fascinante mundo de las partıculas y parte de su asombroso

comportamiento.

Uno de los laboratorios en los que se lleva a cabo la busqueda es el CERN, el Laboratorio

Europeo de Fısica de Partıculas. Se aquı a las poderosas maquinas del CERN: los aceleradores

y los detectores en los que se crean y estudian las partıculas.

El primer capıtulo de esta obra comienza explicando las formas mas simples de partıculas y

sus interacciones fundamentales. Para ello hace un recorrido desde las primeras ideas de los

filosofos griegos sobre la materia hasta los quarks del modelo estandar, dando un gran enfasis

121

122 Resources for Teaching: Games and Interactives

Figura 7.1: The world of Particles. CERN Desktop Publishing.(Portada)

Figura 7.2: The world of Particles. Explicando el concepto de carga y de spin.

en el trabajo de laboratorio desarrollado por los cientıficos. Se insiste en la importancia de

clasificar las partıculas en base a sus propiedades.

En el segundo capıtulo se habla sobre los aceleradores de partıculas, refiriendose a los casi

mas de 7 mil cientıficos de centros de investigacion de todo el mundo que participan en los

experimentos de CERN. Los aceleradores son grandes maquinas donde las partıculas son

aceleradas hasta altas energıas. Los cientıficos deben conseguir que estas partıculas colisiones

y estudiar el resultado de estas colisiones en grandes detectores de partıculas. Y todo esto

para descubrir partıculas mas pequenas y saber de su comportamiento. La segunda parte

de este capıtulo explica los principios basicos de los detectores de partıculas. Algunos de los

detectores del LHC (Large Hadron Collider) son tan grandes como una casa de 6 plantas.

Del estudio de las colisiones proton-proton los cientıficos pretenden conocer cuales eran las

condiciones que existıan cuando surgio el universo. Finalmente, en el tercer capıtulo, se aborda

la organizacion del CERN.

Esta publicacion puede convertirse en un texto de cabecera que nos permita introducir

nuestras explicaciones de una manera atractiva para el alumno.

Comics 123

El comic del CERN “The World of Particle” fue transformado en una presentacion de Power

Point durante la Escuela de Verano del CERN para profesores de Instituto HST 2001, y

esta disponible en la direccion web:

http://teachers.web.cern.ch/teachers/hst/2001/work/index.htm

Este comic podemos encontrarlo ransformado en presentacion de PowerPoint por Josef Be-

nuzska y traducido al castellano por Francisco Barradas.

La presentacion y el comic se pueden utilizar libremente con las unicas condiciones de no

modificar ni el texto ni los dibujos y citar siempre al CERN como fuente.

Alice and the Soup of Quarks and Gluons

En ALICE es uno de los detectores del LHC (Large Hadron Collider) que actualmente

estan siendo construidos actualmente en el CERN. El LHC entrara en funcionamiento en el

2007, y en el experimento ALICE detectara el resultado de las colisiones de atomos de plomo.

Figura 7.3: Curva de enfriamiento del universo despues del Big-Bang. Al enfriarse la sopa de quarks y

gluones tiene lugar la etapa de hadronizacion (por ejemplo la formacion de los protones y los neutrones).

La enorme energıa disponible en el centro de masas (100 mil veces la energıa presente en las

colisiones en el centro del Sol) permitira la creacion de un plasma de quarks y gluones de

cuyo comportamiento se podra aprender como evoluciono el universo en sus primeras etapas.

Estas condiciones en las cuales la materia puede desconfinarse pueden existir en el corazon

de los quasares (estrellas de neutrones extremadamente densas). Se generara una situacion


extremadamente densa y caliente en la cual los quarks y gluones se muestran libres durante un

corto espacio de tiempo, una situacion similar a la que se produjo instantes despues del big-

bang. El comic “Alice and the Soup of Quarks and Gluons” sigue la misma lınea del Mundo

Figura 7.4: Alice and the Soup of Quarks and Gluons. Portada.

de las Partıculas anteriormente comentado. Con una extraordinaria claridad y simpatıa, en

tan solo 12 paginas, logra transmitir el objetivo del experimento ALICE. Se insiste en que los

quarks no existen ordinariamente en estado libre y como el experimento pretende conseguir

unas temperaturas similares a las del big-bang en las cuales los quarks existieron en estado

libre.

El comic esta disponible para ser descargado y utilizado libremente en el sitio web del CERN

perteneciente al experimento ALICE:

http://aliceinfo.cern.ch/Public/panorama/Children/index.html

7.2. Movies

CERN in 2 minutes

El video “CERN in 2 minutes” esta disponible en ingles en la direccion web:

http://public.web.cern.ch/Public/Content/Chapters/Education/OnlineResources/ MoviesPictures-

en.html

La visualizacion “CERN in 2 minutes” puede servirnos para trabajar las siguientes cuestiones:

What is CERN?

Who works there?

Movies 125

Why do physicists want to study particles?

How do physicists study particles?

What are CERN’s greatest achievements?

Is particle research useful?

What’s next at CERN?

Como ayuda es aconsejable visitar la pagina web de presentacion del CERN:

http://public.web.cern.ch/public/Content/Chapters/AboutCERN/AboutCERN-en.html

Hace casi 50 anos, el 29 de septiembre de 1954, nacio formalmente el CERN (siglas de Consejo

Europeo para la Investigacion Nuclear, llamado ası aun hoy por motivos historicos).

Cuando se fundo el laboratorio europeo para la fısica de partıculas tenıa doce miembros

y desde 1999 tiene veinte: Alemania, Belgica, Dinamarca, Francia, Grecia, Italia, Noruega,

Holanda, el Reino Unido, Suecia, Suiza, Austria, Espana, Portugal, Finlandia, Polonia, Hun-

grıa, la Republica Checa, Eslovaquia y Bulgaria.

Es un modelo de cooperacion europea que no solo funciona, sino que lo hace, al menos, tan

bien como cualquier otro. laboratorio del mundo.

Las instalaciones del CERN estan cerca de Ginebra, a caballo de la frontera franco suiza, al

pie del macizo del Jura y a unas decenas de kilometros de los Alpes.

En el CERN trabajan de forma permanente algo mas de 2500 personas, de las cuales menos

de cien son fısicos dedicados a la investigacion (¡y solo hay una docena de teoricos!); el resto

son ingenieros y otros cientıficos (unos mil), tecnicos (otros mil mas), operarios, personal de

oficina, · · ·

Hay tambien unos 6000 usuarios; fısicos experimentales de todos 80 paıses distintos (aunque

cerca las tres cuartas partes son de los estados miembros) que pasan en el CERN temporadas

mas o menos largas.

El proyecto principal al que se dedica ahora el CERN es el nuevo acelerador LHC (Large

Hadron Collider, el gran colisionador de hadrones) y sus cuatro principales experimentos, los

detectores Alice, Atlas, CMS y LHCb.

Su puesta en marcha esta prevista para 2007, utilizara el tunel de 27 km de circunferencia del

antiguo LEP (Large Electron Positron collider) para acelerar protones en sentidos opuestos

hasta la energıa de 7 TeV1 por haz y hacerlos chocar frontalmente en cuatro detectores

principales:11 TeV no es una energıa muy grande; mas o menos la energıa cinetica de un mosquito en vuelo, pero

concentrada en un volumen aproximadamente un billon de veces menor. El LHC alcanzara una energıa un


Atlas y CMS, detectores no especializados cuya mision principal es la de encontrar el

boson de Higgs una pieza no descubierta del modelo estandar que ayudarıa a resolver,

parcialmente, el misterio de por que las partıculas tienen masas (y estas valen lo que

valen).

Tambien se buscaran en estos detectores signos de “nueva fısica”, es decir, algo que

vaya contra o mas alla del modelo estandar, como “companeras supersimetricas” de

las partıculas conocidas o nuevas partıculas que puedan formar parte de la “materia

oscura”, que constituye como un 90 % del Universo y es, hasta ahora, desconocida.

Alice se dedicara al estudio de las colisiones entre iones pesados. Su principal objetivo

sera el estudio del plasma de quarks y gluones, un estado solo posible en las altısimas

temperaturas que se suponen para los primeros instantes del Universo en el que es-

tas partıculas tendrıan energıas demasiado altas como para encontrarse atrapadas en

partıculas como protones, neutrones, · · ·

LHCb es un detector especial para el estudio de la asimetrıa entre materia y antimateria

(¿por que el Universo esta hecho de lo que llamamos materia en lugar de tener un 50 %

de antimateria cuya creacion en el Big Bang serıa igualmente probable?). Este problema

podrıa estar ligado con el de por que hay tres “generaciones” de partıculas.

The ATLAS Experiment movie

Disponible en espanol e ingles en la direccion web:

http://atlas.ch/movie/index.html

La visualizacion “The ATLAS Experiment” puede servirnos para trabajar las siguientes cues-

tiones:

Why are so many physicists anxious to build this apparatus?

Will they be able to answer fundamental questions such as: Where does mass come

from?

Why does the universe have so little antimatter?

Are there extra dimensions of space that are hidden from our view?

Is there an underlying theory to find?

orden de magnitud mayor que la del Tevatron (en Fermilab, cerca de Chicago), el mas potente acelerador

actual.

Games 127

The history of antimatter

Es un pequeno clip de 3 minutos de duracion que hace un recorrido historico por los

momentos claves en el descubrimiento de la antimateria. Este pequeno clip se complementa

con otro denominado The mystery of antimatter (de 1:39 minutos de duracion) que plantea

el misterio de que en el universo este solo formado por materia. Disponible en ingles en la

direccion web:

http://public.web.cern.ch/Public/Content/Chapters/Education/OnlineResources/ MoviesPictures-

en.html

7.3. Games

7.3.1. Baryon bonanza

“Baryon bonanza” es un juego creado en Macromedia Flash. Esta disenado por la di-

vision de educacion del Fermilab. El juego plantea que el alumno construya bariones a partir

de combinaciones de tres quarks. Nos permite afianzar los aspectos mas fundamentales del

modelo estandard.

Figura 7.5: “Baryon bonanza” game. http://ed.fnal.gov/projects/labyrinth/games/index1.html

7.3.2. Four forces

“Four forces” es un juego creado en Macromedia Flash. Esta disenado por la division de

educacion del Fermilab. El juego se inicia con la pregunta: What are the Basic Forces between

Particles?. En el juego se propone la construccion de una torre en un mundo imaginario. Si

fallas te penalizan perdiendo una de las cuatro interacciones, ¿puedes seguir construyendo en

ese mundo imaginario si pierdes una interaccion?.


Figura 7.6: “Four forces” game. http://ed.fnal.gov/projects/labyrinth/games/index1.html

Figura 7.7: “Four forces” game. http://ed.fnal.gov/projects/labyrinth/games/index1.html

7.3.3. Race for energy

“Race for energy” es un juego creado en Macromedia Flash. Esta disenado por la division

de educacion del Fermilab. Es un juego muy simple para introducirnos en el concepto de

acelerar partıculas. Se hace un planteamiento energetico de los movimientos uniformes y

uniformente acelerado mediante un plano inclinado.

7.3.4. Push, push, push the particle

“Push, push, push the particle” es un juego creado en Macromedia Flash. Esta disenado

por la division de educacion del Fermilab. Ideal para comprender los principios de fun-

cionamiento de los aceleradores lineales de partıculas (LINAC). El objetivo es controlar

campos electricos para optimizar la velocidad final de la partıcula del mismo modo a co-

mo lo hacen las cavidades resonantes utilizadas en los aceleradores. Nota: ¡hace falta mucha

habilidad!.

Games 129

Figura 7.8: “Race for energy” game. http://ed.fnal.gov/projects/labyrinth/games/index1.html

Figura 7.9: “Push, push, push the particle” game. http://ed.fnal.gov/projects/labyrinth/games/index1.html

7.3.5. Particle graffiti

“Particle graffiti” es un juego creado en Macromedia Flash. Esta disenado por la di-

vision de educacion del Fermilab. En este juego debemos convertirnos en fısicos e identificar

partıculas W, Z, corrientes Yet (formadas por electrones y hadrones). El juego no muestra

registros de los eventos reales que permitieron descubrir el quark top. Hay que seguir leer

las instrucciones (en ingles y muy buenas) para sacar el maximo partido a esta actividad.

Permite que el alumno conozca como la informacion que ofrecen los detectores de partıcu-

las es traducida a graficos de facil comprension. Es muy interesante completar la actividad

buscando informacion en la red sobre el descubrimiento del quark top.

Figura 7.10: “Particle graffiti” game. http://ed.fnal.gov/projects/labyrinth/games/index1.html


7.3.6. Particle pool

“Particle graffiti” es un juego creado en Macromedia Flash. Esta disenado por la division

de educacion del Fermilab. Un juego muy simple que permite ilustrar el significado de la

trazas de las partıculas en un detector del tipo “cloud o bubble chamber”.

Figura 7.11: “Particle pool” game. http://ed.fnal.gov/projects/labyrinth/games/index1.html

7.3.7. Particle Pinball

“Particle Pinball” es un juego creado en Macromedia Flash. Esta disenado por la division

de educacion del Fermilab. Permite comprender como colisionando partıculas se descubren

los secretos de la estructura de la materia. Reproduce la filosofıa de experiencias como la

de Rutherford. El objetivo es desvelar una forma geometrica oculta colisionando pequenas

bolitas contra ella.

Figura 7.12: “Particle Pinball” game. http://ed.fnal.gov/projects/labyrinth/games/index1.html

Figura 7.13: “Particle Pinball” game. Formas geometricas que tenemos que descubrir.

Games 131

7.3.8. Atom Builder

Applet disenado en Macromedia Flash. En esta actividad se pretende que el alumno

construya un atomo de carbono-12. Hay que comenzar construyendo un atomo de hidrogeno

que contiene un proton y un electron. Tendremos que ir anadiendo protones, neutrones y

electrones. Pero tambien tendremos que construir los protone y neutrones que necesitemos.

Para ello dispondremos de los ya conocidos quarks up y down. En todo momento debemos

controlar el balance de cargas electricas. Es un applet realmente didactico, sobre todo a nivel

introductorio. Nos permite repasar los siguientes aspectos:

Los atomos se construyen con dos tipos de partıculas fundamentales: electrones y

quarks.

Los electrones se encuentran alrededor del nucleo y poseen carga electrica -1.

Cada proton y cada neutron esta compuesto por tres quarks. Los protones y neutrones

estan formados por quarks quarks upoy down.

Cada quark up tiene una carga +2/3 y cada quark down una carga -1/3. La suma de

las cargas de los quarks determina la carga del nucleon formado. Por ejemplo:

a) Los protones contienen dos quarks up y uno down: +2/3 +2/3 -1/3 = +1.

b) Los neutrones contienen un quark up y uno down: +2/3 -1/3 -1/3 = 0.

Protones y neutrones permanecen unidos mediante la interaccion fuerte.

Figura 7.14: “Atom Builder”. http://www.pbs.org/wgbh/aso/tryit/atom/builder.html


7.4. Multimedia

7.4.1. Modelo atomico

Animacion en macromedia flash que presenta un modelo atomico actualizado. La ani-

macion esta disponible en la pagina del detector CMS del CERN.

Figura 7.15: http://cmsinfo.cern.ch/outreach/CMSdocuments/Flash/AtomModel.swf

7.4.2. Aceleradores de partıculas

Estas animaciones en macromedia flash ilustran la diferencia entre experimentos de haces

colisionantes (figura 7.16) y de blanco fijo (figura 7.17) en sincrotrones. Se muestra una re-

presentacion artıstica de las colisiones. La animacion esta disponible en la pagina del detector

CMS del CERN.

Figura 7.16: Experimento de haces colisionates o “Colliding-beam experiments”.

http://cmsinfo.cern.ch/outreach/CMSdocuments/Flash/SynchrotronCB.swf

Multimedia 133

Figura 7.17: Experimento de haces colisionates o “Fixed target”

http://cmsinfo.cern.ch/outreach/CMSdocuments/Flash/SynchrotronFT.swf

7.4.3. Accelerate a particle

En este applet de java las baterias representan una cavidad de radifrecuencia en un acel-

erador de particulas. El alumno debera ir cambiando la polaridad de las baterias para simular

un campo electrico oscilatorio. La partıcula esta cargada positivamente y sera atraida por el

polo negativo de la baterıa.

Figura 7.18: “Accelerate a particle”. http://microcosm.web.cern.ch/microcosm/Content/Balade/Balade-

en.html

7.4.4. Nuclear Scattering

Simula un experimento de colisiones de partıculas contra un nucleo (pequenas bolitas

golpean a una bola mas grande que es el blanco). Descargable desde la web del Departamento

de Fısica de la Universidad de Toronto.


Figura 7.19: “Nuclear Scattering”. http://faraday.physics.utoronto.ca/PVB/Harrison/Flash/Nuclear/

Scattering/Scattering.html

7.4.5. ATLAS Collision Event

Animacion de la deteccion en ATLAS (uno de los detectores del LHC) de un evento de

colision proton-proton en el futuro LHC (Large Hadron Collider) del CERN. Pueden verse

las distintas capas que componen el detector y las partıculas que son detectadas en cada una

de estas.

Figura 7.20: “ATLAS Collision Event”. http://atlas.ch/multimedia/endview.html

Multimedia 135

7.4.6. CMS Detector

Animacion que muestra las distintas capas del detector CMS (Compat Muon Solenoid)

en el futuro LHC (Large Hadron Collider) del CERN. Pueden verse las distintas capas que

componen el detector y las partıculas que son detectadas en cada una de estas.

Figura 7.21: “CMS Detector”. http://cmsinfo.cern.ch/outreach/CMSdocuments/ DetectorDraw-

ings/Slice/CMS Slice.swf


Capıtulo 8

Construye una “Cloud Chamber”

¡Existen partıculas elementales que los alumnos, que no son fısicos, puedan detectar en la

escuela!

A continuacion se presenta una practica, para realizar con los alumnos, que nos permite

observar partıculas procedentes de rayos cosmicos. La practica pretende que el alumno se

familiarice con los conceptos mas basicos de los detectores de partıculas. Construiremos una

camara de niebla que nos permitira detectar los muones que forman parte de la radiacion

cosmica. Se animara a los alumnos a que elaboren una detallada memoria tanto de la construc-

cion de la camara como de los resultados. Estas memorias podrıan presentarse en formato de

video, presentaciones de powerpoint o posters.

8.1. Detectando partıculas de verdad

El dispositivo que vamos a emplear (y describir en detalle mas tarde) no es mas que una

caja transparente en cuyo interior hay una atmosfera de vapor de alcohol sobreenfriado (en

equilibrio inestable a una temperatura inferior a la de condensacion). De vez en cuando, algo

perturba el equilibrio y el vapor se condensa como las estelas de los aviones a reaccion.

Estas estelas son el rastro de gotitas de alcohol que dejan una partıcula cargada (de energıa

relativamente alta) al ir ionizando atomos y moleculas a lo largo de su trayectoria. Estos

iones son los nucleos de condensacion sobre los que crecen las gotas de lıquido.

En una camara de niebla, como la que construiremos, en ausencia de radiaciones ionizantes

ambientales de cierta intensidad la mayorıa de las partıculas detectadas son muones, des-

cubiertas en 1936, al estudiar (en globos y cuevas profundas, en la superficie y en altas

montanas) los rayos cosmicos.

Los rayos cosmicos son partıculas de origen extraterrestre, principalmente protones y nucleos

137

138 Construye una “Cloud Chamber”

atomicos de muy altas energıas (a veces mucho mayores que las alcanzadas en cualquier acel-

erador) que viajan por el espacio a velocidades cercanas a las de la luz y al entrar en la

atmosfera terrestre chocan con atomos y moleculas dando lugar a lluvias de partıculas que a

su vez vuelven a chocar o se desintegran... Se establecio el origen de estas partıculas haciendo

medidas con detectores a distintas altitudes.

Las partıculas que llegan a la superficie son, sobre todo neutrinos (que nosotros no podemos

detectar) y muones, tanto positivos como negativos. Recordemos que estas curiosas partıculas

son copias mas pesadas de los electrones y los positrones y no parecen servir para nada, ya

que para explicar toda la materia ordinaria y los procesos fısicos mas importantes, basta la

primera generacion de partıculas materiales (franja roja en la tabla de partıculas: los quarks

u y d, el electron y el neutrino electronico).

8.2. Construccion de una camara de niebla

Hay que construir una especie de pecera invertida de metacrilato de pocos mm de grosor.

El tamano preciso no es importante, pero unas buenas medidas son 15 x 30 cm de base y

30 cm de altura. Se cierra por debajo apoyandola sobre una chapa metalica, por ejemplo de

aluminio (ası se asegura el buen contacto termico con el CO2 solido que se encarga de enfriar

la atmosfera interior). La parte visible de la chapa debe pintarse de negro mate o cubrirse

Figura 8.1: Esquema de la camara de niebla.

con cinta aislante para que las trazas destaquen y, para que aun sean mas visibles, conviene

Construccion de una camara de niebla 139

iluminarla intensamente de forma lateral.

El CO2 solido1 (que se vende a una temperatura aproximada de -80 oC) se puede colocar

simplemente en una bandeja de horno o en una de material aislante (corcho blanco) construida

al efecto.

La tira de burlete de goma sirve para que el cierre sea hermetico cuando se coloque algun

objeto pesado sobre la camara (o podrıan emplearse gomas).

La tira de fieltro (de unos 2 cm de ancho) pegada en el interior se debe empapar, sin que

chorree, de isopropanol (tambien llamado alcohol isopropılico o 2 propanol, que funciona

mucho mejor que el normal porque se ioniza mas facilmente) puro que va evaporandose y

habra que reponer cada cierto tiempo. Despues se cierra la camara, se espera unos minutos a

que el vapor mas cercano al fondo de la camara este sobreenfriado y listo para condensarse al

paso de las partıculas. Normalmente se observaran varias trazas blancas de niebla por minuto.

Los problemas que pueden presentarse (no se ve nada) suelen deberse a que el cierre no es

hermetico, a que el vapor no esta suficientemente frıo (hay que esperar o mejorar el contacto

con el hielo seco) o a que falta alcohol.

1El hielo seco podemos encargarlo a PRAXAIR, con delegaciones comerciales en Malaga y Sevilla. Es

suministrado al cliente en cajas aislantes de poliestireno expandido. Tambien es distribuido por Air Liquide o

Carburos Metalicos.

140 Construye una “Cloud Chamber”

Capıtulo 9

Particle Physics Glossary

annihilation: When a matter/antimatter pair of particles meets and turns into energy.

antiparticle: An antiparticle has the opposite properties of its particle (like charge and

strangeness, for example) when there is an opposite, and the same value of properties

that do not have possible opposites (like mass).

baryon: A hadron with half-integer spin. All baryons are composed of three quarks.

beta decay: When a neutron decays into a proton, an electron, and an antineutrino. The

underlying process is a down quark changing into an up quark, an electron, and an

antineutrino. The weak interaction is responsible for beta decay.

cascade: A strange baryon.

collider: An accelerator in which two beams of particles circulate in opposite directions and

collide head-on.

conservation: A conserved quantity is one that has the same value before and after a

process. Examples of quantities that are conserved in various types of interactions are

baryon number, charge, energy, lepton number, momentum, and strangeness.

decay: The process of one particle becoming two or more particles.

detector: Any device that can sense the presence of a particle and give information about

one or more of its properties.

electromagnetic force: Force that acts between all charged objects. It can be attractive

or repulsive.

141

142 Particle Physics Glossary

electron: A fundamental particle with negative electric charge. It is one of the three

constituents of the atom.

force: That which governs the interaction between particles. There are four known

fundamental forces: electromagnetic, gravitational, strong, and weak.

force carrier: The particle exchanged during an interaction.

generation: Two leptons and two quarks together form a generation. The electron,

its neutrino, and the up and down quarks form the first generation. The muon, its

neutrino, and the charm and strange quarks form the second generation. The tau, its

neutrino, and the top and bottom quarks form the third generation.

gluon: The mediator of the strong force.

graviton: The mediator of the gravitational force.

gravitational force: The force that acts between all objects with mass. It is always

attractive.

hadron: Any particle that experiences the strong force.

kaon: A strange meson with about half the proton mass.

kinetic energy: Energy of motion. Only objects that are moving have kinetic energy.

lambda: A strange baryon.

lepton: Considered to be a fundamental particle. There are six known leptons: the electron,

the muon, the tau, and three neutrinos. They do not experience the strong force.

lifetime: The time that an unstable particle (or atom or nucleus) lives before decaying into

other particles (or atoms or nuclei).

linear accelerator: A machine that accelerates charged particles in a straight path.

meson: A hadron with integer spin.

muon: A fundamental lepton with a mass of about 200 times the electron mass.

neutrino: A fundamental lepton that has no electric charge and little or no mass. There are

three kinds of neutrinos: electron neutrino, muon neutrino, and tau neutrino.

Construccion de una camara de niebla 143

neutron: A constituent of the nucleus. It has no electric charge and is made of three quarks:

two downs and one up.

nucleon: The collective name for protons and neutrons.

nucleus: The densest part of an atom, it contains protons and neutrons.

pair production: The opposite of annihilation, when electromagnetic energy becomes a

pair of particles.

photon: The carrier of the electromagnetic force.

pion: A meson with a mass of 1/7 the proton.

positron: The antiparticle of the electron.

proton: A constituent of the nucleus. It has positive electric charge and is made of three

quarks: two ups and one down.

quark: Considered a fundamental particle according to the standard model. There are six

flavors of quarks: up, down, strange, charm, bottom, and top.

radiation: That which is emitted from an atom, nucleus, or particle. Alpha radiation is

the emission of a helium nucleus, beta radiation is the emission of an electron (and

antineutrino), and gamma radiation is high-energy photon emission.

reaction: Two particles interacting to produce one or more particles.

scintillator: A material that emits light when struck by a charged particle. Scintillation

counters are used to detect charged particles.

sigma: A strange baryon slightly more massive than the proton.

spin: An intrinsic property that a particle may possess. Leptons and quarks, the fundamental

particles, have 1/2 unit of spin.

Standard Model: A model of six quarks and six leptons as fundamental entities.

strong force: The force that acts between all nucleons. It is attractive for all combinations

of protons and neutrons. Quarks feel the strong force, but leptons do not.

tau: A fundamental lepton with a mass of about 3,600 times the electron mass.

W mediators: The charged carriers of the weak force.

144 Particle Physics Glossary

weak force: The force that can change one quark type into another. It is the only force

affecting neutrinos.

Z mediator: The neutral carrier of the weak force.

Bibliografıa

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