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.
4 Justificacion y Estructura del Trabajo
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
Justificacion del Trabajo 5
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
6 Justificacion y Estructura del Trabajo
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.
Justificacion del Trabajo 7
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.
8 Justificacion y Estructura del Trabajo
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.
12 Una Aproximacion al Estudio de la Fısica de Partıculas en Idioma Ingles
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.
14 Una Aproximacion al Estudio de la Fısica de Partıculas en Idioma Ingles
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.
16 Una Aproximacion al Estudio de la Fısica de Partıculas en Idioma Ingles
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:
20 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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
Unidad 1: La Materia a Principios del Siglo XX 21
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).
22 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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
Unidad 1: La Materia a Principios del Siglo XX 23
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
24 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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−
Unidad 1: La Materia a Principios del Siglo XX 25
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.
26 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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”.
Unidad 1: La Materia a Principios del Siglo XX 27
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
28 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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”.
30 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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
Unidad 2: Fuerzas e interacciones 31
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.
32 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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.
Unidad 2: Fuerzas e interacciones 33
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
34 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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.
Unidad 2: Fuerzas e interacciones 35
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 ≥ ~
36 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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.
38 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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
Unidad 3: Un Vistazo al Mundo de las Partıculas 39
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,
40 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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
Unidad 3: Un Vistazo al Mundo de las Partıculas 41
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
42 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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.
44 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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.
Unidad 4: Mas Partıculas y Reglas de Conservacion 45
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.
46 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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
Unidad 4: Mas Partıculas y Reglas de Conservacion 47
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.
48 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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.
50 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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.
52 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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).
54 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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:
56 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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
Unidad 6: El Modelo Estandard 57
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
58 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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
Unidad 6: El Modelo Estandard 59
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.
60 Objetivos y esarrollo de Contenidos
¿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.
62 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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.
Unidad 7: Aceleradores de Partıculas 63
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
64 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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.
Unidad 7: Aceleradores de Partıculas 65
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
66 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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.
Unidad 7: Aceleradores de Partıculas 67
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.
68 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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.
70 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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.
Unidad 8: Detectores de Partıculas 71
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.
72 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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.
Unidad 8: Detectores de Partıculas 73
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).
74 Objetivos y esarrollo de Contenidos
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.
4.2.3. Linguistic aims
Grammar points:
Use of Adjectives.
Expressing the future.
Key words:
Nouns Adjectives Verbs Others
Carrier Electromagnetic Act
Diagram Gravitational Draw
Force Repulsive Increase
Gluon Weak
Manner
Unit 2: Forces and Interactions 79
4.2.4. Summary on Unit 2
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.
4.3.3. Linguistic aims
Grammar points:
Passive voice.
Past participle.
Use of some prefixes.
Key words:
Nouns Adjectives Verbs Others
Antimatter Kinetic Discover
Energy Opposite Manifests
Positron
Property
Value
Unit 3: A Look at the World of Particles 81
4.3.4. Summary on Unit 3
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.
4.4.3. Linguistic aims
Grammar points:
Prepositions.
Suffixes.
Lexical families.
Key words:
Nouns Adjectives Verbs Others
Accelerator Mathematical Govern Merely
Concept Unstable Observe
Interaction Occur
Number Propose
Reaction Show
Rule
Unit 4: More Particles and more Conservation Rules 83
4.4.4. Summary on Unit 4
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.
4.5.3. Linguistic aims
Grammar points:
Present perfect vs. Past simple.
Modal verbs expressing possibility.
Unit 5: Quarks 85
Key words:
Nouns Adjectives Verbs Others
Arrangement Basic Contain By
Mesons (plural) Tough Discuss Down
Hadrons (plural) List Indeed
Quark Make up Subsequently
Pattern
Strangeness
4.5.4. Summary on Unit 5
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.
4.6.3. Linguistic aims
Grammar points:
Linking words.
Relative pronouns.
Key words:
Nouns Adjectives Verbs Others
Beginning Deep Lead And
Concept Standard Learn Because
Discovery Strike Commonly
Example So
Gravity
4.6.4. Summary on Unit 6
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.
4.7.3. Linguistic aims
Grammar points:
Complex sentence.
Personal pronouns (object and subject).
Key words:
Nouns Adjectives Verbs Others
Collider Advantageous Accelerate Accurately
Field Charged Allow Beyond
Goal Electric Emerge
Speed Increase
Table Measure
Store
4.7.4. Summary on Unit 7
Students have learnt about four types of accelerators: how they work, their disadvantages
and an example of each of them.
Linear accelerator.
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.
4.8.3. Linguistic aims
Grammar points:
Comparative and superlative of English adjectives.
The interrogative sentence: Types.
Unit 8: Particle Detectors 91
Key words:
Nouns Adjectives Verbs Others
Advantage Available Aim Few
Centimetre Easy Contain Perhaps
Counter Old Know Therefore
Gas Primary Pass
Size Simple Track
Tube Single
Wire
4.8.4. Summary on Unit 8
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?
4.9.3. Linguistic aims
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:
Nouns Adjectives Verbs Others
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)
96 Lehrermaterialien
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.
102 Classroom Activities
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.
104 Classroom Activities
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:
Unit 3: A Look at the World of Particles 105
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−
106 Classroom Activities
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
Unit 3: A Look at the World of Particles 107
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.
108 Classroom Activities
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
Unit 3: A Look at the World of Particles 109
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
110 Classroom Activities
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
112 Classroom Activities
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.
114 Classroom Activities
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
116 Classroom Activities
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.
118 Classroom Activities
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.
120 Classroom Activities
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
124 Resources for Teaching: Games and Interactives
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
126 Resources for Teaching: Games and Interactives
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?.
128 Resources for Teaching: Games and Interactives
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
130 Resources for Teaching: Games and Interactives
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
132 Resources for Teaching: Games and Interactives
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.
134 Resources for Teaching: Games and Interactives
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.
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
[1] ADAMS S. (1998). “Particle Physics”. Heinemann Advanced Science. Harcourt Edu-
cation Limited. England.
[2] ALBAJAR C. et al. (2006). El programa experimental del LHC. Revista Espanola de
Fısica 20(2) (pp. 18-24).
[3] BIELOKUROV V.V. y SHIRKOV D.V. (1997). “Guıa de la teorıa cuantica de campos”.
Editorial URSS. Moscu.
[4] CERN Brochures: “CERN: The World’s Firts Antimatter Factory!”.
[5] CERN Brochures: “Matter and Antimatter”.
[6] CERN Brochures: “Appliying the Accelerator, medical applications”.
[7] CERN Brochures: “Appliying the Accelerator, future applications”.
[8] CERN Brochures: “Appliying the Accelerator, research applications”.
[9] CERN Brochures: “Appliying the Accelerator, industrial applications”.
[10] CERN Brochures: “El CERN, el primer laboratorio mundial de investigacion en fısica
de partıculas”. Grupo de Cultura Cientıfica y Comunicacion. Ginebra (Suiza) 1996.
[11] CERN Brochures: “LEP, el gran colisionador de electrones y positrones”. Grupo de
Cultura Cientıfica y Comunicacion. Ginebra (Suiza) 1997.
[12] CERN Brochures: “LHC, el gran colisionador de hadrones”. Grupo de Cultura Cientıfica
y Comunicacion. Ginebra (Suiza) 1997.
[13] CERN Brochures: “CMS, the compact muon solenoid”. Communication and Public
Education Group. Geneva (Switzerland) 1998.
[14] CERN Brochures: “CERN, CRISTAL’. Press and Publications Group. Geneva (Switzer-
land) 2001.
145
146 Bibliografıa
[15] CERN Brochures: “ALICE, a Large Ion Collider Experiment”. ALICE Experiment.
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