Uma Breve Introdução à Física de Partículas O DEE-UFBA na Colaboração do Detector ATLAS do LHC

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1 no do do no Uma Breve à Física de Partículas O na Colaboração do Detector do LHC Prof. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Universidade Federal da Bahia Colaboração - 16/10/2012

2 Conteúdo no do do no de Partículas de Altas Energias 4 visualizadas as Partículas Elementares? 5 O acelerador LHC e o detector do CERN 6 do do no

3 no do do no A Física de Partículas de Altas Energias (ou HEP-High-Energy Physics) busca compreender a natureza fundamental da matéria em termos das interações entre seus constituintes fundamentais. A noção de que a matéria é composta por um conjunto de constituintes elementares (átomos) existe há mais de 2000 anos, desde o tempo dos filósofos gregos. O estudo experimental da física de partículas teve início no final do século XIX, quando foi observado experimentalmente o elétron. Crescimento acentuado na área a partir da década de 1950, quando foram descobertas centenas de novas partículas.

4 no do do no Para o estudo da física de partículas são necessários equipamentos chamados detectores. Os detectores podem ser projetados para observar fontes naturais de geração de partículas de altas energias como: - Raios cósmicos; - Elementos químicos radioativos. Ou utilizarem fontes artificiais como: - Aceleradores de partículas.

5 no do do no

6 De que é composta a Matéria? no do do no Átomo de Hélio (Modelo de Rutherford-Borh) Elétrons Prótons Nêutrons Átomo de Hélio (Modelo de Schrödinger-Heisenberg)

7 Partículas Elementares no Dos constituintes da matéria apenas os elétrons são partículas elementares. Os prótons e nêutrons são formados por partículas elementares chamadas de quarks. do do no As partículas elementares e suas formas de interação são descritas atualmente pelo Modelo Padrão.

8 Quarks O Modelo Padrão no do do no Quarks, léptons e bósons compõem a matéria. Os bósons são responsáveis pelas forças de interação: - Eletromagnética (fóton); - Nuclear (glúons, W e Z); - Gravitacional (graviton); Os quarks são observados na forma de hádrons (Ex. prótons e nêutrons); Cada partícula tem uma correspondente anti partícula (com carga elétrica oposta). Leptons u c t up charm top d s b down strange bottom Ve elétron neutrino e V múon neutrino V tau neutrino Elétron Múon tau * Ainda não confirmado Fermions Bóson* de Higgs Bósons y fóton Z W g glúon

9 Novas Descobertas... no Porque as partículas tem massas diferentes? (Bóson de Higgs)??? Partícula Massa (GeV/c 2 ) 1 Elétron 0, Próton 0,938 Bóson W 80 Bóson Z 91 Bóson de Higgs ou outras novas partículas >115 do do no 1 Um elétron-volt é a quantidade de energia cinética ganha por um elétron, no vácuo, quando acelerado por uma diferença de potencial de um volt.

10 Foto do telescópio Hubble da NASA De que é composto o Universo? no do do no 5 % Matéria que conhecemos (planetas, estrelas, cometas, etc.). 25 % Matéria escura? 70 %??

11 no de Partículas de Altas Energias do do no

12 Raios Cósmicos no do do no Partículas originadas no espaço. Interagem com a atmosfera gerando diversas outras partículas, como prótons, elétrons e múons. Podem penetrar na crosta terrestre até profundidades superiores a 100 metros.

13 Elementos Químicos Radioativos no do do no (Experimento Neutrinos-Angra) Informações das partículas originadas em reações nucleares podem ser utilizadas para monitoramento dos reatores.

14 Aceleradores de Partículas no do do no Acelerador linear. Utilizam fontes de partículas de baixa energia. Fornecem energia cinética através da aceleração pela força eletromagnética. Podem ser classificados em: - alvo fixo (apenas um feixe) ou colisionadores (dois feixes); - lineares ou circulares.

15 no visualizadas as Partículas Elementares? do do no

16 Detectores no do do no Conhecendo os resultados das interações das partículas com a matéria, é possível projetar equipamentos que detectam as partículas incidentes e estimam suas características como: - Energia - Momento - Massa - Carga Entre os principais tipos de detectores pode-se destacar: - Detectores a gás (detectam a ionização produzida pela passagem de partículas carregadas eletricamente); - Contadores de cintilação (parte da energia das partículas é convertida em luz, que é medida por dispositivos fotoelétricos); - Detectores a semicondutor (a passagem das partículas produz a liberação de elétrons no semicondutor); - Calorímetros (medidores de energia por absorção total).

17 Calorímetros no do do no medição de energia e posição; as partículas interagem gerando uma cascata de novas partículas menos energéticas (detecção por absorção total); resposta muito rápida (em ns); identificação das partículas perfil de deposição de energia;

18 Principais Experimentos de Física de Partículas no do do no Com aceleradores: - CERN (Centro Europeu para Pesquisa Nuclear), Suíça ; - DESY, Alemanha; - Fermilab, EUA; - Brookhaven, EUA. Sem aceleradores: - KEK, Japão; - Pierre Auger, EUA e Argentina; - Double Chooz, França; - Neutrinos Angra (em construção),. Com participação de pesquisadores e alunos do

19 no O acelerador LHC e o detector do CERN do do no

20 CERN - Centro Europeu para Pesquisa Nuclear no do do no

21 O acelerador LHC - no do do no O LHC (Large Hadron Collider) é o maior e mais poderoso acelerador já construído e está em funcionamento no CERN desde Os detectores são responsáveis pela caracterização dos eventos gerados pelo LHC, decidindo qual informação é relevante e consequentemente precisa ser armazenada. Uma enorme quantidade de informação é produzida, porém apenas uma pequena parcela é relevante para a caracterização dos fenômenos físicos de interesse.

22 O acelerador LHC no do do no (Figura cedida pelo CERN). Detectores:, ALICE, CMS, LHCb, LHCf e TOTEM.

23 O acelerador LHC - Visão Aérea no do do no (Figura cedida pelo CERN).

24 O acelerador LHC - Túnel no do do no (Figura cedida pelo CERN).

25 O acelerador LHC - Características no do do no Principais características (nominais) do LHC: - Comprimento: 27 Km. - Profundidade: 100 m. - Energia das colisões: 14 TeV (7 TeV em cada feixe). - Frequência das colisões: 40 MHz. - Luminosidade: cm 2 s 1. - Possui o maior sistema criogênico da terra (lugar mais frio do planeta) para garantir supercondutividade dos cabos que alimentam os dipolos magnéticos usados para acelerar os feixes de prótons. - Dipolos: temp. de operação = 1,9 K (-271,3 o C); corr. elétrica = A; dens. fluxo magnético = 8,33 T.

26 O detector no do do no É o maior detector de propósito geral do LHC: - Comprimento: 44 m. - Altura: 25 m. - Peso: toneladas Principais sub-detectores: - Detector de traços (ou trajetórias); - Calorímetros (medidor de energia por absorção total); - Câmara de múons.

27 O detector no do do no (Figura cedida pelo CERN).

28 O detector - Visão transversal no do do no (Figura cedida pelo CERN).

29 Detector de Traços do no do do no (Figura cedida pelo CERN). Localizado bem próximo ao ponto de colisão. Mede a posição das partículas eletricamente carregadas enquanto se deslocam sob o campo magnético do detector. A trajetória percorrida pode ser utilizada para estimar a carga e o momento. Subdividido em: - Pixel detector - Semiconductor tracker - Transition Radiation Tracker

30 Calorímetros do - corte transversal no do do no EM Calo - folhas de chumbo + sensores de Argônio Líquido (LAr): - Pre-sampler (PS); - Front-layer (E1); - Middle-layer (E2); - Back-layer (E3). Had Calo - placas de aço + telhas de material plástico cintilante (TileCal): - Front-layer (H0); - Middle-layer (H1); - Back-layer (H2). Mais de sensores.

31 Calorímetros do - corte longitudinal no do do no (Figura cedida pelo CERN).

32 Testes em Laboratório de Módulos do Tilecal: no do do no (Figura cedida pelo CERN).

33 Transporte de um Mo dulo do Tilecal: no Introduc a o Gerac a o Como sa o A Colaborac a o do A Colaborac a o do no Participac a o do (Figura cedida pelo CERN).

34 Módulo do Tilecal descendo na Caverna do : no do do no (Figura cedida pelo CERN).

35 Detector de Múons do no do do no Os múons interagem de modo fraco com a matéria e por isso não são contidos nos calorímetros, necessitando de um detector dedicado a eles.

36 Penetração esperada para as partículas no no do do no Partículas eletromagnéticas (elétrons e fótons) interagem fortemente com o calorímetro eletromagnético. Partículas hadrônicas (prótons, neutrons, píons, jatos) interagem de modo mais fraco com o calorímetro eletromagnético chegando até a camada hadrônica. Múons precisam de um detector específico, pois perdem pouca energia na interação com os calorímetros.

37 Visualização de um evento (real) no no do do no

38 Produção de informação no no do do no Considerando a taxa de colisões do LHC (40 MHz) e a segmentação dos subdetectores 60 TBytes/s ( 1,5 MBytes por evento). As assinaturas de interesse podem ocorrer com taxas da ordem de alguns Hz. Deste modo, é necessário um eficiente sistema de seleção (filtragem ou trigger) online dos eventos de interesse.

39 Sistema de Filtragem Online do no Taxa de Interações ~ 1GHz CALO MUON TRACKING Três níveis sequenciais de seleção: L1, L2 e EF. do do no 2.5 s 75 khz 40 ms 1 khz L1 L2 EF 4 s 200 Hz Event builder Gravação em mídia permanente Memórias pipeline Drivers de saída Buffers de saída Buffers de evento completo Acessa informação de três sub-detectores: calorímetros, câmara de múons e detector de traços. Nível Reduç Implem. L1 400 Hardware L2 75 Software EF 5 Software

40 Hardware do Sistema de Filtragem e Aquisição de Dados (TDAQ - Trigger and Data Aquisition) no do do no (Figura cedida pelo CERN). Cluster com centenas de computadores operando em paralelo.

41 Processador Local de Trigger no do do no (Figura cedida pelo CERN). Para minimizar o tempo de latência para tomada de decisão o processamento é realizado de modo distribuído através dos Processadores Locais de Trigger (LTP - Local Trigger Processor).

42 no Como a física de partículas e o CERN são úteis no meu dia a dia? do do no

43 Avanços Tecnológicos no do do no Por trabalhar na fronteira do conhecimento humano, diversos avanços tecnológicos foram obtidos a partir de experimentos de física de altas energias, entre os quais pode-se destacar: - A primeira versão da rede mundial de computadores (www - World Wide Web) como conhecemos foi desenvolvida para permitir a comunicação rápida e eficiente entre os pesquisadores do CERN dos seus diversos países de origem. - A medicina nuclear aproveitou bastante o conhecimento adquirido na construção de aceleradores e detectores de partículas para desenvolver equipamentos capazes de realizar diagnósticos de alta precisão.

44 no Quem são os responsáveis pelo? do do no

45 do no do do no 40 países e + de 150 instituições.

46 do no no do do no Participou ativamente de tarefas como: - Construção do calorímetro de telhas cintilantes (Tilecal); - Desenvolvimento de hardware para instrumentação dos sensores dos calorímetros; - Projeto e implementação de algoritmos computacionais para o processamento de sinais e seleção de eventos; - Desenvolvimento de Sistemas web de controle e gestão do detector; - Análise física dos eventos. Instituições participantes: - UFRJ - UFJF - UFSJ - USP - CEFET-RJ - UFBA - DEE (Início oficial em março de 2012)

47 O que está sendo feito atualmente no? no do do no - Planejamento das tarefas para o upgrade do detector ( ): - Análise de dados gravados em busca de nova física; - Desenvolvimento de algoritmos para a seleção offline de eventos de interesse; - Proposta de mudanças no hardware do sistema de instrumentação dos sensores do calorímetro;

48 O que está sendo feito atualmente no? no do do no Estruturação do grupo: - 2 professores; - 2 alunos de Iniciação Científica e 1 de Mestrado. Linhas de trabalho: - Desenvolvimento de técnicas de processamento digital dos sinais medidos nos sensores dos calorímetros; - Programação em FPGA de algoritmos de filtragem de ruído e conformação dos sinais medidos no Tilecal; - Propostas para a otimização das rotinas de seleção de eventos.

49 O que está sendo feito atualmente no? no do do no Conhecimentos técnicos envolvidos: - Eletrônica digital; - Instrumentação eletrônica; - Processamento digital de sinais; - Programação; - Reconhecimento de padrões e sistemas de classificação.

50 Perspectivas para o Futuro no do do no Participar das atividades para o upgrade do detector; Envolver um maior número de alunos de graduação e pós graduação (interessados??); Possibilitar intercâmbio dos alunos envolvidos tanto em âmbito nacional como internacional; Divulgação dos resultados dos trabalhos; Porque participar?: - Maior centro de pesquisas do mundo; - Explorando a fronteira do conhecimento humano sobre o universo; - Experiência multidisciplinar e multicultural única.

51 no do do no Para mais informações: Contato pessoal: CERN: Detector : Grupo -: Web cast contínuo com subtítulos em português: Canal no youtube em Português: Obrigado!

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