Física de Altas Energias: descobrindo o mundo sub-atômico

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1 Física de Altas Energias: descobrindo o mundo sub-atômico E.Polycarpo Instituto de Física - UFRJ Tópicos de Física Geral I IF/UFRJ

2 Linhas Gerais O que buscamos entender em Física de Partículas O que sabemos Como sabemos O que NÃO sabemos Quais os próximos passos No mundo No Brasil (como funciona uma colaboração internacional) Conclusão 2

3 O que procuramos entender Elementos fundamentais do universo Interações entre esses blocos de construção 3

4 Um pouco de história A.C. Empédocles: terra, ar, fogo e água A.C. Leuccipo e Democritus: idéia de partículas indivisíveis, átomos D.C R. Bacon: observar para aprender Método Científico (F. Bacon, Descartes, Galileu) 1868 Mendeleev: propõe a tabela de elementos, contendo 63. Em 1896, 77 átomos já tinham sido descobertos, e ainda eram considerados elementares Young: teoria ondulatória da luz 1873 Maxwell: unificação ótica, eletromagnetismo 1874 Stoney: teoria do elétron 1895 Röntgen: descoberta do Raio-X 4

5 Descoberta do Raio-X Nobel 1901 Foto tiradas por Röntgen E. Polycarpo, Tópicos de FísicaTubo Geral Ide Crookes 5

6 Um pouco mais de história 1896 Becquerel: descoberta da radioatividade 1897 Thomson: descoberta do elétron 1898 Thomson: átomo como pudim de ameixas Elétrons Esfera de carga positiva 6

7 Mais história 1898 M. E P. Curie: separam elementos radioativos (P. Nobel 1903 with Becquerel) 1900 Plank: sugere que a radiação é quantizada 1905 Einstein: quantum de luz que se comporta como partícula E. Rutherford, H. Geiger E. Marsden: espalhamento de partículas alpha por uma folha de ouro 7

8 O experimento de Rutherford (e Geiger e Marsden) It was quite the most incredible event that ever happened to me in my life. It was almost as incredible as if you fired a 15-inch shell at a piece of tissue paper and it came back and hit you Partículas alpha Folha de ouro Microscópio Fonte radioativa Tela de sulfeto de zinco Núcleo Átomos de Ouro 8

9 Mais história 1913 Bohr : modelo de átomo estável 1919 Rutherford: primeira evidência de um próton 1921 Chadwick e Bieler: um tipo de força forte mantém o núcleo junto 1923 Compton: confirma a natureza corpuscular dos raios-x 1924 L. De Broglie: propõe propriedades ondulatórias para a matéria 1925 Pauli: formula o princípio da exclusão para elétrons no átomo 1926 Shrödinger: desenvolve a equação de onda para sistemas quânticos Born: interpreta probabilisticamente a função de onda 1927 Heisenberg formula o princípio da incerteza 1928 Dirac: combina mecânica quântica e relatividade especial para descrever o elétron (QED) 1930 Partículas conhecidas são: os prótons, os elétrons e os fótons. Pauli propõe a existência do neutrino para explicar o decaimento beta 1931 Dirac percebe que as partículas de carga positiva que apareciam na solução da equação de 1928 são objetos reais, exatamente iguais aos elétrons,mas com carga oposta 9

10 Descoberta de novas partículas 1931 Chadwick: descoberta do nêutron 1934 Anderson: descoberta do pósitron Câmara de nuvens Câmara de bolhas (1952) 10

11 Mais partículas Fermi introduz a idéia de interação fraca (decaimento beta) Yukawa descreve a interação nuclear pela troca de uma partícula chamada píon e estima sua massa em ~200 me 1937 partícula de m ~200 me descoberta em raios cósmicos (píon?) píon múon 11

12 Descoberta do méson-pi 1947 Lattes,Occhialini e Powell: descoberta do píon 12

13 Zoológico de partículas 13

14 Avançando no tempo 1953 Gell-Mann and Nishijima introduzem uma nova e elegante idéia: a cada partícula seria associada uma propriedade chamada estranheza e a estranheza global deveria ser conservada durante uma colisão (não em um decaimento) Havia então três leis de conservação Carga Número bariônico Estranheza 14

15 Avançando no tempo 1961 Gell-Mann faz como Mendellev e tenta organizar as espécies do zoológico de partículas 1964 Gell-Mann and Zweig introduzem a idéia de quarks (u,d,s) 1967 Salam and Weinberg propõem uma teoria eletrofraca, prevendo a existência de um bóson de calibre neutro (Z0) 1968 Espalhamento de elétrons por prótons indicam a existência de quarks (Rutherford!) 1973 Gell-Man and Fritzsch : QCD 15

16 O zoológico cresce... CERN Fermila b 16

17 O que sabemos: Modelo Padrão Toda a matéria é composta de um pequeno número de partículas elementares que interagem trocando outras partículas 17

18 Léptons Quarks Partículas Elementares u c t Q=2/3 Q=-1/3 up charme top d s b down estranho beleza e µ τ Q=-1 ντ Q=0 elétron múon νe νµ neutrino neutrino uu d H higgs tau neutrino Anti-partículas! 18

19 Partículas trocadas nas interações 19

20 Interação Forte A interação forte mantém os núcleos coesos Quarks tem carga de O que os mantém juntos para formar prótons e neutrons é a troca de glúons A interação forte entre os quarks de um próton e os quarks de outro próton é intensa o bastante para superar a força eletromagnética repulsiva. 20

21 Interação Forte A interação forte mantém os núcleos coesos Quarks tem carga de O que os mantém juntos para formar prótons e neutrons é a troca de glúons A interação forte entre os quarks de um próton e os quarks de outro próton é intensa o bastante para superar a força eletromagnética repulsiva. 21

22 Interação eletromagnética Prótons e elétrons têm carga elétrica O que os mantém juntos para formar os átomos é a troca de fótons 22

23 Interação Fraca u d d W u d u e ve Interações fracas são as responsáveis pelo decaimento de quarks e léptons pesados em quarks e léptons mais leves. Quando partículas fundamentais decaem observamos seu desaparecimento e sua substituição por duas ou mais partículas diferentes. Mesmo que o total de massa e energia seja conservado, um pouco da massa original da partícula é convertido em energia cinética, e as partículas resultantes sempre têm menos massa que a partícula original que decaiu. 23

24 Aniquilações Em uma aniquilação, partículas de matéria e de antimatéria interagem uma com a outra, convertendo a energia de sua prévia existência numa partícula transportadora de força muito energética (um glúon, um W/Z ou um fóton). Essas transportadoras de força, por sua vez, podem decair em outras partículas. 24

25 Como conseguimos entender tudo isso? Observando e experimentando! objetos sub-atômicos, temos que diminuir radicalmente o comprimento de onda da nossa sonda Dualidade ondapartícula : p=h/λ Para criar partículas de alta massa, temos que aniquilar partículas de baixa massa a altas energias (E=mc2) 25

26 Como conseguimos entender tudo isso? Observando e experimentando! 26

27 Aceleradores de partículas rádio-freqüência focalizador encurvador 27

28 Aceleradores Dipolos supercondutores do LHC O vácuo é tão bom, que se o tubo fosse um pneu, demoraria anos para esvaziar completamente 28

29 Detectores 29

30 Exemplos de detecção Decaimentos do Z0 Z µµ Z ττ τ µνµντ τ πντ Z qq jatos de hádrons 30

31 Desafios tecnológicos atuais Alta estatística Muitas colisões Eletrônica rápida e resistente a radiação Alto vácuo Alta Energia Supercondutividade Baixas temperaturas Alta precisão Mecânica fina 31

32 Desafios computacionais atuais Simulação de eventos Processos físicos, passagem pela matéria, etc. Enorme volume de dados Aquisição em tempo real Compartilhamento de dados Reconstrução Estudos estatísticos WWW,GRID 32

33 Tudo isso para : 33

34 Sucesso do Modelo Padrão Permitiu prever a existência de várias partículas que foram posteriormente descobertas Descreve uma enorme quantidade de processos, com precisão surpreendente Setembro de

35 Mas... O que ainda não sabemos? Por que três famílias? Por que massas tão diferentes? O bóson de Higgs existe? Os elétrons e quarks são mesmo elementares? Como se misturam os neutrinos e qual a sua massa? Matéria escura, energia escura? Grande unificação? 35

36 E o início do universo? Matéria X Antimatéria No início: matéria e anti-matéria foram produzidas em igual quantidade Atualmente: Muito mais matéria Astrofísica: Medidas aceleradores:

37 Ainda temos muito a descobrir Fermilab: colisor p-anti-p, D0 e CDF (Higgs, Física do B, top, etc), neutrinos, NLC (ILC)? SLAC: linear, BABAR (Fábrica de B) BNL: Plasma de quarks e gluons CESR: colisor electron-positron,cleo-c, física do B DESY: DIS, descoberta dos glúons, funções de estrutura QCD KEK: linear, BELLE B. IHEP: Física hadrônica Auger: Argentina e USA Kamiokande: Neutrinos CERN: LHC (Higgs,supersimetria,física além do Modelo Padrão, Física do B) 37

38 Física Experimental de Altas Energias no Brasil Neutrinos (USP,Unicamp,PUC, Angra?) Raios cósmicos (USP,Unicamp,CBPF,UFRJ) Plasma de Quarks e Glúons (USP,UFRJ) Física hadrônica (CBPF,UERJ) Testes do Modelo Padrão Violação de CP (UFRJ,CBPF,UERJ) Higgs (UFRJ,UERJ) Partículas novas (Todos!) 38

39 Colaborações Internacionais membros Tempo entre proposta e início da operação: anos Desenvolvimento de hardware e software Produção do aparato Instalação Desenvolvimento de atividades em grupos 39

40 CERN Fundado em 1954, atualmente o CERN tem 20 países membros Há ainda os países e organizações observadores O conjunto de aceleradores e laboratórios corresponde a um investimento da ordem de dezenas de bilhões de dolares É onde fazemos nossos experimentos 40

41 Exemplo: LHCb Colisões p-p 40 MHz 1032 cm-2s-1 1 ano de operação 1012xbb 400 pesquisadore s 14 países 41

42 Exemplo: LHCb Large Hadron Collider beauty experiment Violação de CP e decaimentos raros do B 42

43 43 January 2004

44 January

45 45

46 Contribuições do LAPE 46

47 Contribuições do LAPE Código de identificação de múons Aperfeiçoamento do sistema de trigger Desenvolvimento de um sistema de monitoramento em tempo real do trigger Estudos de sensibilidade do experimento a assimetrias de CP e decaimentos raros Estudo de erros sistemáticos na identificação do sabor 47

48 Conclusão Física de Altas Energias compreende uma área vasta, tanto do ponto de vista teórico como experimental Teoria quântica de campos, relatividade, técnicas de teoria de perturbação, lattice, cosmologia, etc Física Básica, procura entender os aspectos mais fundamentais da natureza Fronteira tecnológica: Mecânica, eletrônica, computação Aplicações médicas: terapia e diagnóstico em medicina Vácuo Supercondutividade Eletrônica Redes Muito se aprendeu, mais ainda está por vir! 48

49 Com Higgs ou sem Higgs Com supersimetria ou sem supersimetria 49

50 Referências aventuradasparticulas.ift.unesp.br Outros sites de universidades pelo mundo 50