Partículas Elementares (2009/2010)

Transcrição

1 Partículas Elementares (2009/2010) Introdução Mário Pimenta Lisboa, 9/2009

2 Programa da cadeira de Partículas Elementares (2009/2010) Semana 14/9 Introdução. Programa. Avaliação. Unidades e escalas. Secção eficaz. Os constituintes e as interacções fundamentais Semana 21/9 A Hipótese Atómica: A experiência de Rutherford. Difusão em Mecânica Quântica não relativista. Regra de ouro de Fermi. Cinemática Relativista. Semana 28/9 Interacção de partículas com a matéria. Detectores e Aceleradores. Semana 5/10 A anti-matéria. Leptões, mesões e bariões: 1930 a 1960 Os tempos de vida e as larguras das partículas Semana 12/10 1 a série Rotações e grupos: SO(2), SO(3) SU(2) The eightfold way. Os Quarks. A côr Semana 19/10 Difusão inelástica profunda de electrões em protões Os partões. A descoberta do J/ψ Interacções Fundamentais Teoria quântica dos campos e diagramas de Feynman. Eq. de Klein-Gordon e de Dirac

3 Semana 27/10 2 a série. O campo electromagnético. Invariância de gauge. As interacções fracas. O modelo de Fermi A violação da Paridade. Semana 2/11 A violação de CP. A teoria V-A. SU(2) L X U(1). O mecanismo de Higgs. Semana 9/11 3 a série O ângulo de Cabibbo. O mecanismo de GIM A matriz Kobayashi-MasKawa. O modelo Standard Semana 16/11 Introdução à QCD. Verificação experimental do SM em LEP. m Z, m w, sin θw,m Higgs, jets, α s Semana 23/11 Apresentação dos temas dos trabalhos finais Semana 30/11,7/12,14/12 4 a série O estado da Arte e o Futuro próximo: LHC/Auger/neutrinos/. Para além do modelo Standard: GUTs,SUSY, Dark mater e Dark energy , 20 e 21 Dezembro : PASC Winter School Sesimbra.

4 Avaliação da cadeira de Partículas Elementares Os alunos dividem-se em grupos de ~ 2 alunos. (lista dos grupos até 25/09!!!) Séries de problemas Cada grupo é responsável por resolver um conjunto limitado de problemas ao longo do semestre e apresentar esses problemas (no todo ou em parte) nas aulas práticas segundo um esquema de rotação entre os grupos (tipicamente cada grupo apresenta duas vezes no semestre). No fim do semestre existirá ainda uma pequena série de problemas básicos que deve ser resolvida por todos os grupos. Os problemas devem ser entregues em ficheiros pdf. Trabalho final Cada grupo escolhe um tema (até 19/11) relacionado com a medida de uma dada quantidade numa experiência passada, presente ou futura e efectuará duas apresentações e uma pequena monografia (máximo 20 páginas!!!): No final de Novembro Apresentação do tema e índice do trabalho (10 m) Em Janeiro/Fevereiro Entrega da monografia e (uma semana depois) apresentação final (30m) Nota final Nota do trabalho modulada (até ± 2 valores) pelas notas obtidas nas séries de problemas. Critérios Nota no trabalho final de 17/20 Implica uma muito boa compreensão e exposição do tema com a tentativa de obtenção das ordens de grandeza de algumas quantidades relevantes na experiência em causa. 14/16 Implica uma boa compreensão e exposição do tema 10/13 Implica uma razoável compreensão e exposição do tema

5 Bibliografia da cadeira de Partículas Elementares (2008/2009) 1- Introduction to Elementary Particles David Griffiths, John Wiley and Sons (1st edition -1987, 2nd edition 2008) 2-Introduction to Elementary Particle Physics Alessandro Bettini, Cambridge University Press (2008) 3- Experimental Foundations of Particle Physics Robert N. Cahen and Gerson Goldhaben, Cambridge University Press (1989) 4-Introduction to Nuclear and Particle Physics Ashok Das and Thomas Ferbel, John Wiley and Sons (1993,2006?) 5-Introduction to High Energy Physics Donald H.Perkins, Cambridge University Press (4th edition 2000) 6- Detectors for Particle Radiation Konrad Kleinknecht, Cambridge University Press (1986) 7-Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments W.R.Leo, Springer Verlag ( 1994) 8- Statistics for Particle and Nuclear Physics Louis Lyons, Cambridge University Press (1986) 9- Electroweak Theory E. A. Paschos, Cambridge University Press (2007) 10- Quarks and Leptons Francis Halzen and Alan D. Martin, John Wiley and Sons (1984)

6 A Física de Partículas

7 Ordens de grandeza Super-cordas? Partículas Núcleos Átomos células 1 Ano-luz Terra-Sol Terra Universo Sol- Andrómeda metros Átomo Å = 10-8 cm = m Núcleo fm = m Tempos (vidas médias): estrela = s ; Homem = 10 9 s neutrão= 886 s (15 ) muão = 2x10-6 s ; Z 0 =2.6x10-25 s Apresentação: As potências de As imagens estão disponíveis em interacção forte e.m. fraca vidas médias s s s : 10 3 s

8 A matéria Leptões: ν e e ν μ μ As Forças ν τ τ Quarks: u d c s t b Int. electrofraca: γ, W +,W -, Z 0 Int. forte: G1,,., G 8

9 As partículas elementares Mesão = (q q ) Barião = (q q q )

10 A teoria final? M.C.Escher Unificação e Simetria Interacções: gravítica? electromagnética fraca ν e + n e - p N S - forte

11 E o Higgs? Mas as partículas têm massas! (em ev) m ν 10-1 m e = m u = m t = m γ = 0 m W = m Z = Peter Higgs CERN inspired David J Miller Interacções com um campo de fundo. Um novo eter

12 A matéria escura velocidade v raio R Gravidade : G M(r) / r 2 = v 2 / r

13 A energia escura! m(z) Diagrama de Huble Accelerating Decelerating Gold Dataset (157 SNeIa): Riess et. al z O Universo encontra-se numa expansão acelerada!!! Energia escura anti-gravítica

14 O que (não) sabemos

15 Escalas de energia ZeV (zeta) EeV (exa) PeV (peta) TeV (tera) GeV (giga) MeV (mega) KeV (kilo) ev Buracos negros / AGN Supernovas Aceleradores Massa do protão Reactores nucleares Raio X, TV Bateria

16 Unidades

17 Secção eficaz (σ) Um feixe contra um alvo

18 Um feixe contra um bloco de matéria (alvo fixo)

19 Um feixe contra um feixe (anel de colisão)

20 Secção eficaz elástica e inelástica

21 Secção eficaz protão-protão Qual é a energia de abertura do canal inelástico???

22 Secção eficaz e + e - hadrões Porque é que σ e+e ( ) e σ pp ( )? s s

23 Comprimentos de interacção dn dx σ N ρ x Avog = N Lint A N = N0 e L coll = σ total A N Avog ρ (cm) L int = A σ inl N ρ, Avog ( cm) L int nuclear (g cm -2 ) L int (H 2 ) = 50.8 L int (D 2 ) = 54.7 L int (Be) = 75.2 L int (C) = 86.3 L int (Xe) = 169 L int (Pb) = 194 L coll nuclear (g cm -2 ) L coll (H 2 ) = 43.3 L col l(d 2 ) = 45.7 L coll (Be) = 55.8 L coll (C) = 60.2 L coll (Xe) = 103 L coll (Pb) = 116 Como é que varia L xx com A?

24 Secção eficaz diferencial Qual é o valor da secção eficaz total numa interacção e.m.???

25 Secção eficaz : exemplos (I)

26 Resolução (I)

27 Secção eficaz : exemplos (II)

28 Resolução (II)

29 Conversão de Unidades