Introdução à Física de Altas Energias SPRACE

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1 Desafios para o Futuro São Paulo Regional Analysis Center Introdução à Física de Altas Energias SPRACE

2 Até ~1973 Perspectiva Formulação teórica do Modelo Padrão Renormalizabilidade do SU(2) U(1) com o Mecanismo de Higgs Liberdade assintótica e QCD como a teria de gauge das interações fortes Mecanismo de GIM e a estrutura das famílias Descrição da violação de CP através da matriz de KM Nos 35 anos seguintes Consolidação do modelo Avanços técnicos: cálculos de ordem superior, QCD na rede, etc. Verificação experimental com a descoberta de: Novos Férmions: charme, terceira família Novos Bósons: glúon, W e Z Consolidação experimental através das medidas de: Correções radiativas eletrofracas Dependência de α s com a energia Violação de CP na terceira geração Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 2

3 Desenvolvimento Teórico Últimos 35 anos Guiado pelas idéias e não pelos dados experimentais Precisamos compreender melhor: Origem da quebra de simetria eletrofraca Origem da estrutura de gauge g do Modelo Padrão Estrutura das famílias no Modelo Padrão Papel da gravidade quântica Principais avanços : 1974: Teorias Grande Unificadas (?) 1974: Supersimetria (?) 1977: Mecanismos de geração da massa dos neutrinos 1979: Technicolor (?) 1984: Teorias de Superstring (?) 1998: Teorias com Dimensões (?) Tem-se buscado exaustivamente a manifestação direta de ao menos um novo fenômeno além do Modelo Padrão Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 3

4 Onde Estamos Tevatron Run I e o LEP Teoria eletrofraca é testada a um nível de uma parte em mil Quark top descoberto com massa de 175 GeV Quarks e léptons não têm estrutura até a escala de m Há indicação da existência de um Higgs leve Outros Experimentos Descoberta do Neutrino do tau Neutrinos possuem massa e oscilam Fábricas de b s: violação de CP em decaimentos de B 0 Universo: dominado por matéria escura e energia escura Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 4

5 Medidas do Modelo Padrão Parâmetros Eletrofracos: Fit global e seus desvios Massa do Higgs: Fit global (correções radiativas) Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 5

6 Limites da Massa do Higgs Valor máximo e mínimo para a massa do Higgs em função da escala Λ na qual o Modelo Padrão não é mais válido Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 6

7 Higgs e o Tevatron Largura de Decaimento do Higgs nos diferentes canais em função de sua massa Limite obtido pelo Tevatron (Agosto/08) para H WW M H 170 GeV Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 7

8 Futuros Desafios para o LHC Bóson de Higgs Padrão Limite do LEP: M H > 114,4 GeV Larguras parciais de decaimento são determinadas pelo valor da massa Produção: Fusão de glúons: (gg H) Produção associada: (qq WH) Decaimento M H < 130 GeV Dois fótons Decaimento 130 GeV < M H < 800 GeV Quatro léptons (H ZZ llll) Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 8

9 Potencial de Descobrimento do Higgs Boa sensitividade do detector para todo intervalo de massa: De 100 GeV a 1 TeV Em geral há ao menos 2 canais de decaimento disponíveis Bom desempenho do detector: identificação de b, léptons, fótons resolução de E, separação g / jato, etc. Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 9

10 Higgs e o LHC M = 120 GeV H γγ H Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 10

11 Além do Modelo Padrão Modelo Padrão não é (existe?) a teoria final: Não conhecemos o setor de quebra de simetria Neutrinos têm massa Matéria escura Por que três gerações? Não inclui a gravidade Teoria efetiva válida até uma dada escala de massa Nova Dinâmica na Região de 1 TeV Caso o bóson de Higgs leve não exista, deverá necessariamente existir um outro mecanismo responsável pela quebra da simetria eletrofraca. Seu efeito deverá aparecer no acoplamento dos bósons de gauge longitudinalmente polarizados. As amplitudes de espalhamento dessas partículas violarão a unitariedade na região de TeV e alguma nova dinâmica deverá surgir para sanar esse problema. Novos Bósons de Gauge Modelos de superstring levam naturalmente à existência de novos bósons de gauge W e Z. LHC deve ser sensível a massas de até 5-6 TeV. Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 11

12 Problema da Hierarquia Divergências quadráticas para a massa do Higgs. Nova simetria que protege o setor escalar: Supersimetria i Dimensões s extras Gravidade na escala de TeV? (LED LED) Mecanismos para proteger a escala eletrofraca? (Randall- Sundrum) Nova física na escala de TeV? (UED UED) Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 12

13 Supersimetria Duplicação do espectro de partículas existentes: Parceiros supersimétricos Férmions são associados a bósons e vice-versa versa esa Nome Spin Parceiro Spin Elétron 1/2 Selectron 0 Múon 1/2 Smuon 0 Tau 1/2 Stau 0 Neutrino 1/2 Sneutrino 0 Quark 1/2 Squark 0 Nome Spin Parceiro Spin Gráviton 2 Gravitino 3/2 Fóton 1 Photino 1/2 Glúon 1 Gluino 1/2 W +,- 1 Wino +,- 1/2 Z 0 1 Zino 1/2 Higgs 0 Higgsino 1/2 Supersimetria deve ser quebrada Não encontramos os parceiros supersimétricos com a mesma massa. Não sabemos como essa quebra ocorre Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 13

14 Modelo Mínimo Modelo Padrão Supersimétrico Mínimo (MSSM) Parametrização mais geral possível dos termos de quebra de supersimetria com o conteúdo mínimo de novas partículas Dobra o espectro e introduz mais um dubleto de Higgs. Problemas Apesar de terem sido propostas há mais de 25 anos, não há até o momento nenhuma evidência experimental destas partículas. Há muitos parâmetros livres no MSSM. Alguns modelos de como a quebra de supersimetria é transmitida ao MSSM reduzem consideravelmente esse número de parâmetros: Modelo Sugra: Assume que a gravidade seja a responsável pela transmissão da quebra de supersimetria. GMSB: Assume que as interações de gauge sejam responsáveis pela transmissão da quebra de supersimetria. Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 14

15 Superstrings: 10 D Observamos: 4 D Compactificar: 6 D Como detectar? t Na compactificação Dimensões Extras Estados com E = n/rc Para pequenos Rc Grande gap entre estados Para grandes Rc Gap diminui (contínuo) Torre de Kaluza-Klein Klein Podem se manifestar no mundo não-compactificado. Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 15

16 Alguns Modelos Gravidade na Escala de TeV? (LED LED) Dimensões extras podem ser grandes: Até ~ milímetro Só a gravidade se propaga nas dimensões extras: Torres de estados de grávitons massivos dariam origem a um momento transversal faltante Nova Métrica? (Modelo Randall-Sundrum Sundrum) Escala de compactificação pequena: Só a gravidade se propaga na dimensão extra Supressão exponencial da escala de Planck: Alivia o problema da hierarquia de escalas Leva a conseqüências fenomenológicas na escala de TeV Dimensões Extras Universais Partículas do Modelo Padrão Podem se propagar nas dimensões extras Torres de Kaluza Klein Estados excitados das partículas podem ser observados na escala de TeV Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 16

17 Física de Altas Energias e seus Benefícios Secundários Introdução à Física de Altas Energias SPRACE

18 Alguns Benefícios Secundários World Wide Web Terapia de Nêutrons Tim Berners-Lee (Nov/90): físico e consultor de software do CERN, apresenta o projeto onde é criada a WWW Implementar navegador para pesquisadores acessarem as informações dos experimentos. Permitindo aos usuários disponibilizar novas informações. Utilização do hipertexto t como interface para acessar a informação armazenada e fornecer ajuda on-line. Incorporação de vários servidores de armazenamento de informação do CERN, permitindo acesso à informação dos experimentos. Nêutrons são mais efetivos para eliminar tumores que as terapias convencionais de radiação pacientes tratados no Neutron Therapy Facility (NTF) desde sua inauguração em E mais: Magnetos supercondutores: Permitiram o desenvolvimento da Ressonância Magnética. Circuitos integrados avançados, instrumentos de aquisição e processamento de dados, d fibras ópticas O desenvolvimento da arquitetura Grid de processamento de alto desempenho. Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 18

19 Características da Física de Altas Energias Colaborações internacionais: Grande número de pesquisadores de diversos países. Enorme complexidade dos experimentos: Aparato físico (detector), eletrônica e software. Trabalho colaborativo: Físicos, Engenheiros, Cientistas da Computação, Técnicos treinados em diferentes especialidades, espalhados ao redor do mundo com um único objetivo comum. Ferramentas especiais: Que possibilitem implementar de forma natural e produtiva esse trabalho cooperativo e distribuído. Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 19

20 Colaboração DØ 18 Países, 82 Instituições e 600 Físicos Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 20

21 Colaboração CMS 184 Institutes, 39 Countries, 2500 scientists (August 2008) Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 21

22 Eventos Extremamente Complexos Data Stored (After Level 3) 20 MBytes/s 100 MBytes/s 1500 MBytes/s LHC 15 Petabytes/year Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 22

23 Processadores X Conexão Processadores Ano Transistores DX Pentium Pentium II Pentium III Pentium Capacidade dobra a cada: Transistores: 18 meses (Moore) Armazenamento: 12 meses Banda: 9 meses (Gilder) Tecnologia Ano Conexão (bps) Analógica Digital Shared Lambda Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 23

24 Utiliza rede de alta velocidade para conectar recursos computacionais distribuídos Grid Middleware: Traça a localização dos dados e do poder computacional Equilibra a distribuição de jobs nos diferentes recursos/sites Provê método de acesso comum aos diversos sistemas Administra a autenticação, autorização, monitoramento, segurança, etc. Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 24

25 A Era do Exabyte 1 Caráter (letra, número, etc) 1 byte 1/2 Página de Texto 1 KB (Kilobyte) = 10 3 bytes 1 Livro 1 MB (Megabyte) = 10 6 bytes 1 Sinfonia em Alta Fidelidade 1 GB (Gigabyte) = 10 9 bytes 1/20 da Biblioteca do Congresso Americano 1 TB (Terabytes) = bytes 1/10 Toda Informação Existente na Web 1 PB (Petabyte) =10 15 bytes 1/5 Toda Informação Gerada em EB (Exabyte) =10 18 bytes LHC 1 Exabyte de dados em 5 anos Equivalente a: 1,43 bilhões de CD s Pães de Açúcar Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 25

26 Modelo Hierárquico Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 26

27 OSG & EGEE EGEE Enabling Grids for E-Science OSG Open Science Grid Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 27

28 SPRACE: OSG & CMS Tier 2 Projeto Temático FAPESP Investimento no País Importa-se a expertise Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 28

29 Conexão Internacional Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 29

30 SC2004 Bandwidth Challenge Troca de tráfego entre São Paulo e Pittsburg (SC) 2.93 ( ) Gbps sustentado por uma hora Recorde de transmissão de dados: Hemisférios Sul e Norte Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 30

31 GridUNESP Estrutura multi-campi: Perfil ideal para implementação da arquitetura Grid Distribuição eqüitativa dos recursos Acesso de todos à infra-estrutura computacional compartilhada Acompanhamento dos avanços mais recentes em TI

32 Algumas Iniciativas Americanas Harvard (Crimson Grid) Michigan (MGRID MGRID) Terremotos, Tumores cancerígenos, Partículas subatômicas, Modelos os oceanográficos Wisconsin (GLOW GLOW) Engenharia, Genômica, Nanotecnologia, Altas Energias, Ciência da Computação Texas (UTGrid UTGrid) Pesquisa acadêmica e educação Bio-informática, Física e HPC Buffalo (ACDC) Biomedicina, Engenharia de Terremotos, Química, Ciências da Terra, Hidrodinâmica, Estrutura molecular Iowa (HawkGrid) Física, Astronomia, Geografia, Radiologia, Estatística e Engenharia. Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 32

33 Biologia e Medicina Networks Biológicos (Botucatu) Simulação & Caracterização de Redes Biológicas: interação proteína proteína p Simulação da Dinâmica Molecular (R. Claro) Enovelamento de Proteínas Nuclear import proteins Simulação para Física Medica (Botucatu) Monte Carlo para Radioterapia (GEANT) : Dosimetria para terapia e tomografia Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 33

34 Física e Química Lattice QCD (São Paulo) Confinamento de Quarks & Glúons Plasma de Quarks & Glúons Structure Factor S(k) - F = Kagomé Lattice Supercondutividade a Altas Tc (Bauru) Dinâmica de Vórtice SimulaçõesdaDinâmica Molecular X Direction Y Direction Química Rltiíti Relativística (Bauru) Efeitos relativísticos fortes: influenciam propriedades químicas e físicas de elementos super pesados Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 34

35 Geologia, Engenharia e TI Modelagem Geológica (R. Claro) Representação 3D integrada Identificação de recursos naturais Segurança de Rede (S.J.R. JR Preto) Detecção adaptiva de invasão (NN) Turbulência (Ilha Solteira) Estudo de flux em cavidades 3D Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 35

36 Cluster Central (2,048 cores) Clusters Distribuídos (896 cores) 4 Servers 1 Server 16 two Quad Core nodes 256 two Quad Core nodes RAID = 12 TB Gigabit RAID =108 TB 7 Infiniband technology X 11/08/2008 DES-Brazil Colloquium 36 36

37 8 Clusters & 33,3 Teraflops Cluster Central (2,048 cores) 4 Servers 256 two Quad Core nodes RAID =108 TB Infiniband technology Clusters Distribuídos (896 cores) 1 Server 16 two Quad Core nodes RAID = 12 TB Gigabit 7 X Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 37

38 Data Center: Barra Funda Operação & Treinamento Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 38

39 Rede unespnet Rede de produção Integra 23 cidades WAN: 34 Mbps Não é suficiente! Kyatera Rede Experimental para P&D WAN: 1-20 Gbps GridUNESP Utilizará a rede Kyatera para conectar os clusters do interior do Estado Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 39

40 GridUNESP Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 40

41 SPRACE: Uma Tier-2 em São Paulo Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 41

42 Divulgação Científica Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 42

43 Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 43

44 Fórum de Discussão Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 44

45 Centro de Ensino e Treinamento Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 45

46 Alguns Links SPRACE: Fermilab: CDF: DØ: CERN: / / ATLAS: CMS: Nature: Nature Insight: The Large Hadron Collider Cursos: SPRACE Learning Center: Divulgação Científica: Estrutura Elementar da Matéria: GridUNESP Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 46