Física y Fronteras: del Proyecto Manhattan al bosón de Higgs · 2018. 11. 22. · El Proyecto...
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Física y Fronteras: del Proyecto
Manhattan al bosón de Higgs
Luis Roberto Flores Castillo
The Chinese University of Hong Kong
Spanish Language Teacher Program
CERN
Agosto 2, 2018
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Physics is like sex: sure, it may give
some practical results, but that’s not
why we do it.
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La Física es como el sexo: efectivamente,
puede dar resultados prácticos, pero no es
por eso que lo hacemos.
Richard Feynman
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The most exciting phrase to hear in science,
the one that heralds the new discoveries, is
not 'Eureka!' (I found it) but 'That's funny...'
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La frase más emocionante en la ciencia, la
que anuncia nuevos descubrimientos, no es
"Eureka!" (lo encontré), sino ’¿y esto...?'
Isaac Asimov
Imagen: Juan Osborne, DeviantArt
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La frase más emocionante en la ciencia, la
que anuncia nuevos descubrimientos, no es
"Eureka!" (lo encontré), sino ’ ¿y esto...?'
La Física es como el sexo: efectivamente,
puede dar resultados prácticos, pero no lo
hacemos por eso.
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6Feria mundial de 1939 en Nueva York, poco antes de la 2ª Guerra Mundial
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1932: descubrimiento del neutrón
• Mejor conocimiento de la estructura de la materia
• … ¿algo más?
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Elemento más pesado
conocido: Uranio (92)
Bombardeándolo con
neutrones, ¿podemos
crear elementos más
pesados?
Otto Hahn & Fritz
Strassman: en vez de un
elemento más pesado se
obtenía Bario (56).
Lise Meitner y Otto Hahn
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018 10
• No sólo eso: se abre la posibilidad de una reacción en cadena
• Y de fabricar una bomba mucho más potente que las conocidas
• Siempre y cuando cada división produjera más de un neutrón
• Y que éstos no fueran absorbidos
Lise Meitner lo entendió: se había dividido el núcleo
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
Dos tipos de U (238, 235): el que permite fisión es solo el 0.7%
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
Otro material posible: Plutonio … aún menos accesible
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
Había que inventar/descubrir:
• La química y la metalurgia de U y Pu
• Modelos teóricos para su uso militar
• Métodos para producir suficiente material (estudios, prototipos, uso)
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“Hacer una bomba
requeriría del esfuerzo
completo de todo un
país”
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La “Pila 1” de Chicago
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U of Chicago. Diciembre 2, 1942. Equipo de E. Fermi.
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
Masa crítica
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http://www.okieboat.com/How%20nuclear%20weapons%20work.html
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Tipo “cañón”
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
Masa crítica
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http://www.okieboat.com/How%20nuclear%20weapons%20work.html
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
Diseño de implosión
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http://www.okieboat.com/How%20nuclear%20weapons%20work.html
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http://www.okieboat.com/How%20nuclear%20weapons%20work.html
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Dos tipos de U (238, 235): el que permite fisión es solo el 0.7%
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Primeras pruebas: 18 microgramos en 9 horas; masa crítica: 64 kg; ~3.6My
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1944
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
El Proyecto Manhattan
• ~130k trabajadores (80k construcción, 40k operadores de planta, 2k personal militar)
• 2MM USD ( in 2017 USD: ~27MM ) [estimado el 2/ene/17]
• Máximo secreto – Sin embargo, espías soviéticos obtuvieron la mayoría del diseño final en 1945
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• Reactores(enriquecer U, producir Pu)
• Separación de isótopos
(centrifugadoras,
ciclotrones, difusión),
• Extracción de Pu
• Diseño del arma
(cañón, implosión).
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018 27Imagen: https://www.atomicheritage.org/history/women-and-bomb
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
“Trinity”
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"I am become Death, the destroyer of worlds.” – R. Oppenheimer, quoting the Baghavad Gita
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
• Tras la 2ª Guerra Mundial, Europa ya no lideraba en física
• Científicos europeos propusieron crear un laboratorio europeo de
física atómica
– Francia: Raoul Dautry, Pierre Auger, Lew Kowarski
– Italia: Edoardo Amaldi
– Dinamarca: Niels Bohr
• Metas: unir a Europa, compartir instalaciones experimentales
• Primera propuesta oficial: Louis de Broglie, European Cultural Conference, Lausanne, Dic. 9, 1949.
• UNESCO, 1950: Isidor Rabi
• UNESCO, Paris, Dic. 1951: Primera resolución para establecer el CERN (“Concejo”)
• Mayo 17, 1954: inicio de la construcción en Ginebra, Suiza
• Septiembre 29 de 1954: Creación de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN)
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
Hacia 1964 …
• Con 16 partículas el ME
describe casi todos los
fenómenos físicos
conocidos
• Dos grandes familias:
– “materia” (espín 1/2, 3/2, …)
– “fuerza” (espín 0, 1, 2, …)
• Hacia 1964, había un
problema: sólo funcionaba
si las partículas elementales
tuvieran masa CERO
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
¿Masa = cero?
– La “masa” es la oposición a convertir energía en movimientoPelota de playa negra vs bola de boliche:
a menor masa, mayor la velocidad adquirida
– ¿ Hay partículas con masa = 0 ?
Sí: fotones y gluones viajan a la velocidad de la luz
– ¿Qué pasaría si todas viajaran a la velocidad de la luz?
• No habría átomos
• No habría conglomerados de materia (estrellas, planetas)
• No habría vida como la conocemos
– En 1964, Higgs, Englert+Brout, Guralnik+Hagen+Kibble
encontraron una solución postulando un nuevo campo,
… y una nueva partícula elemental.
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
El bosón de Higgs
Prof. David J. Miller
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El bosón de Higgs
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Prof. David J. Miller
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
El bosón de Higgs
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Prof. David J. Miller
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El bosón de Higgs
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Prof. David J. Miller
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
El bosón de Higgs
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Prof. David J. Miller
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
Para que el “mecanismo de
Higgs” funcione, la partícula
debe cumplir ciertas
condiciones.
Entre ellas, debe tener
“espín”=0
PRIMERA PARTÍCULA
ELEMENTAL CON
ESPÍN 0
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ESPIN=1/2 ESPIN=1
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018 39
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
“For every complex problem there is an
answer that is clear, simple, …
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
“For every complex problem there is an
answer that is clear, simple, and wrong.”
– H. L. Mencken
41
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
Gran Colisionador de Hadrones, CERN
42
• 27 km, 100 m bajo tierra, 1011 p/grupo (“bunch”)
• T=2K, 11,000 vueltas/s, cada protón a 6.5 TeV
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
• Cuatro puntos de colisión
• 40MHz, 20-60 pp/bx
• 20,000 T de detectores, ~micras
43
CMS
ATLAS
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
Información generada
44
Evento Zμμ de 2012 con 25 vértices reconstruidos
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
Centro de cómputo del CERN: 90,000 núcleos.
45
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018 46
• >170 centros de
cómputo
• ~40 países
• ~ 250 mil
procesadores
(cores)
• ~120 PB de
disco
(120 millones de GB)
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
Canales de descubrimiento (2012)
47
W+
W-
v
v
_
l+
l-
H
[GeV]H
m110 120 130 140 150 160 170 180 190
0Lo
cal p
-710
-610
-510
-410
-310
-210
-110
1
10
210
310Observed
Expected -1Ldt = 5.8 fbò = 8 TeV: s
-1Ldt = 4.7 fbò = 7 TeV: s
ATLAS
s0
s1
s2
s3
s4
s5
nlnl®(*)
WW®H
[GeV]Hm110 120 130 140 150 160 170 180
0Lo
cal p
-510
-410
-310
-210
-110
1
10
210 Obs. combinedExp. combined
Obs. 2011Exp. 2011
Obs. 2012Exp. 2012
ATLAS
4l®(*)
ZZ®H-1
Ldt =4.8 fbò=7 TeV: s
-1Ldt =5.8 fbò=8 TeV: s
s2
s3
s1
s4
Strength at
mH=126 GeV
1.8 ± 0.5
1.2 ± 0.6
1.4 ± 0.5
10 categories
4 channels
3 channels(based on jet multiplicity)
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
Modelo para la combinación
• Cada canal utiliza sus propios triggers, regiones de control,
fondos, incertidumbres sistemáticas,…
• Cada equipo desarrolla su propio código para el análisis
• El uso de un formato común permite hacer la combinación
• Bastante trabajo tan solo para nombrar las variables a usar
48
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
1000, 000,000, 000,000 colisiones pp
240,000 bosones de Higgs
350 pares de fotones
8 grupos de cuatro leptons
… 5 sigma.
49
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
4 de Julio de 2012
50
Imagen: NYT
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018 51
Imagen: CERN
"It's really an incredible thing that it's happened in my lifetime!”Prof. Peter Higgs, July 4th 2012.
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018 52
CERN, Julio 4, 1:30 am
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018 53
CERN, Julio 4, 2:00am
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018 54
CERN, Julio 4, 4:10am
Muchos de los resultados provistos por estudiantes
Muchos de ellos de países sin grandes aceleradores,
y/o que no son miembros de CERN.
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55
Perspectivas
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La frase más emocionante en la ciencia, la
que anuncia nuevos descubrimientos, no es
"Eureka!" (lo encontré), sino ’ ¿y esto...?'
La Física es como el sexo: efectivamente,
puede dar resultados prácticos, pero no lo
hacemos por eso.
Infraestructura
Interdisciplina
Ciencia básica
Fronteras científicasFronteras tecnológicas
Apoyo social y gubernamental
Infraestructura organizacional
Prioridades nacionales
Educación en C y T
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018
• Motivación
– Proyecto Manhattan, Programa Apolo: militar
– CERN: ciencia fundamental
( otros: LIGO, ICE CUBE, HAWK, … )
• En cada uno, una enorme inversión en ciencia tuvo gran
impacto en el desarrollo tecnológico de la región
– No basta comparar el 1% con el 2.8% (del PIB)
• Para nuestros estudiantes:
– La ciencia está viva y andando
– “¿y esto?” ↔ grandes descubrimientos : Curiosidad
– Es en buena parte una actividad de jóvenes
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58
3
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018 59
~ 5%
~ 25%
~ 70%
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018 60
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018 61
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018 62“Particle Fever” https://www.youtube.com/watch?v=dEcWjMX9oCw
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018 63
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018 64https://www.learner.org/courses/physics/visual/visual.html?shortname=AdSCFT
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018 65Helge von Koch, 1904
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018 66
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018 67
𝑧 ← 𝑧2 + 𝑐
𝑐 = −1
c: un número, fijo.
Siempre empezando con 𝑧 = 0
𝑧0 = 0
𝑧1 = 02 + −1 = −1
𝑧2 = −1 2 + −1 = 0
𝑧3 = 02 + −1 = −1
𝑐 = 1
𝑧0 = 0
𝑧1 = 02 + 1 = 1
𝑧2 = 12 + 1 = 2
𝑧3 = 22 + 1 = 5
𝑧4 = (−1)2+ −1 = 0 𝑧4 = 52 + 1 = 26
ACOTADO DIVERGENTE
.
.
.
.
.
.
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018 68
https://www.youtube.com/watch?v=pCpLWbHVNhk
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018 69
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018 70
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018 71
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Fronteras CERN 2 de agosto de 2018 72