O Large Hadron Collider e a Física de Partículas Elementares. Rogério Rosenfeld Instituto de Física Teórica UNESP

Transcrição

1 O Large Hadron Collider e a Física de Partículas Elementares Rogério Rosenfeld Instituto de Física Teórica UNESP Escola Móbile - 13/05/2010

2 Tópicos da palestra: O que é o LHC? Como funciona o LHC? O que esperamos aprender com o LHC? R. Rosenfeld

3 O que é o LHC? LHC é a sigla em inglês de Large Hadron Collider Uma possível tradução seria Grande Colisor de Hádrons Hádrons: partículas que possuem interação forte No caso do LHC, na maior parte do tempo serão estudadas colisões entre prótons (núcleos do átomo de hidrogênio). R. Rosenfeld

4 O que é o LHC? O LHC é o maior e mais complexo instrumento científico já construído. O LHC é um acelerador de partículas construído em um túnel subterrâneo circular de 27 km de extensão e 100 m de profundidade no laboratório do CERN (fundado em 1954), em Genebra, Suiça. European Organization for Nuclear Research R. Rosenfeld

5 O que é o LHC? CERN LHC

6 R. Rosenfeld O que é o LHC?

7 R. Rosenfeld O que é o LHC?

8 O que é o LHC? Existem 4 grandes detectores construídos em volta do LHC que buscarão por novas partículas da Natureza: ATLAS CMS LHCb ALICE R. Rosenfeld

9 O que é o LHC?

10 O rap do LHC Original do CERN R. Rosenfeld

11 Como funciona o LHC? O LHC acelera feixes de partículas eletricamente carregadas, aumentando sua energia antes de fazer 2 feixes colidirem frontalmente. Unidade de energia usada em Física de Partículas: elétron-volt 1 ev: energia cinética de um elétron após passar por uma diferença de potencial elétrico de 1 volt. 1 ev = J 1 TeV: energia cinética de um mosquito voando.

12 Como funciona o LHC? Sequência de aceleradores (50 anos de história do CERN): Linac Booster PS SPS LHC: prótons acelerados a 7 TeV

13 R. Rosenfeld Como funciona o LHC?

14 Alguns números O LHC levou 20 anos para ser projetado e construído. Custou 3.6 bilhões. Cada feixe têm 3x10 12 prótons, divididos em 2800 pacotes. Cada pacote tem a espessura de 16 µm e 80 mm de comprimento. A energia de um feixe é de 315 MJ, suficiente para derreter 500 kg de cobre. O LHC vai usar 200 MW de eletricidade, equivalente a metade do que Genebra consome.

15 Como funciona o LHC? O LHC é o lugar mais frio de universo!! O LHC usa eletroímãs supercondutores de 8.4 Tesla (corrente de A) para confinar os feixes de prótons em sua órbita circular. Os ímãs necessitam ser resfriados a uma temperatura de 1.9 K usando hélio superfluido. R. Rosenfeld

16 Dipoles 1232 Quadrupoles 400 Sextupoles 2464 Octupoles/decapoles 1568 Orbit correctors 642 Others 376 Total ~ 6700

17 Como funciona o LHC? O LHC tem um dos lugares mais vazios do universo!! O LHC precisa de um alto vácuo para que os feixes de prótons não se degradem em colisões com moléculas: vácuo de Torr (3 milhões de moléculas/cm 3 densidade do meio intergaláctico!) R. Rosenfeld

18 O LHC vai recriar condições que só existiram próximas ao início do universo?

19 O que esperamos aprender com o LHC? Qual é a origem da massa das partículas elementares? (Partícula de Higgs) Qual é a origem da assimetria entre matéria e antimatéria no universo? Qual é a origem da matéria escura no universo? R. Rosenfeld

20 O que esperamos aprender com o LHC? Existem outras simetrias na natureza? (Supersimetria) Existem dimensões extras? Pode-se produzir mini-buracos negros? Quais são as propriedades do plasma de quarks e gluons? R. Rosenfeld

21 Como vamos estudar esses assuntos? Detectores no LHC: enxergam as novas partículas ATLAS CMS LHCb ALICE R. Rosenfeld

22 Detectores de partículas Detectores no LHC são construídos ao redor dos pontos onde os prótons viajando em sentido opostos colidem. Os detectores tem com função medir a energia e velocidade das centenas de partículas produzidas na colisão de prótons com energia total de 14 TeV. As novas partículas em geral existem por um pequeno intervalo de tempo, e se desintegram em outras partículas conhecidas (elétrons, fótons, múons, ) dentro do detector. R. Rosenfeld

23 ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) 37 países (participa a UFRJ) 167 Instituições 2100 Autores Ímã toroidal Diâmetro Comprimento Peso 25 m 46 m 7000 Tons

24 Animação da construção do ATLAS R. Rosenfeld

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26 Realidade da construção do ATLAS R. Rosenfeld

27 O Detector CMS (Compact Muon Solenoid) Participam CBPF, UERJ e IFT-UNESP

28 O Detector CMS (Compact Muon Solenoid)

29 Enxergando partículas no CMS

30 LHCb O LHCb estudará partículas que possuem o quark b (participação da UFRJ e CBPF). O detector ALICE será dedicado para o estudo de colisões de íons pesados: plasma de quarks e gluons (participação da USP) ALICE 30

31 6 cm Análise dos dados do LHC LHC produzirá em 1 ano um volume de dados de aproximadamente 10 Petabytes 1 Petabyte = 10 9 MB Worldwide LHC Computing Grid (WLCG) Tier-0 (CERN): Data recording First-pass reconstruction Data distribution WWW foi desenvolvido no CERN Concorde (15 Km) Balão (30 Km) Pilha de CDs com 1 ano de dados do LHC (~ 20 Km) Tier-1 (11 centres): Permanent storage Re-processing Analysis Tier-2 (>200 centres): Simulation End-user analysis 50 CD-ROM = 35 GB Mt. Blanc (4.8 Km) 31

32 R. Rosenfeld Física no LHC

33 As partículas elementares hoje

34 As 4 interações da Natureza Gravitação Eletromagnetismo QED Interações fracas Interações fortes QCD

35 Protons são feitos de 3 quarks colados por partículas chamadas gluons. partons (Feynman) = quarks (Gell-Mann)

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37 Origem da massa De onde surge a massa do elétron, por exemplo? No modelo atual, existe um mecanismo que gera essa massa, conhecido como mecanismo de Higgs. Esse mecanismo postula a existência de um campo permeando todo o espaço, como um lago. A interação de partículas com esse campo seria responsável pela origem de suas massas. As perturbações desse campo, como ondas em um lago, se comportam como uma nova partícula, denominada bóson de Higgs. O bóson de Higgs deve ser produzido no LHC, e se desintegrar rapidamente.

38 Mecanismo de Higgs

39 September 12, 2008 The Daily Galaxy: News from Planet Earth & Beyond Hawking vs Higgs: Heavyweight Bout at CERN's LHC

40 Tuesday, 9 September :01 UK On the hunt for the Higgs boson The sum of human knowledge could be massively increased on Wednesday but Professor Stephen Hawking could find himself $100 poorer. "I think it will be much more exciting if we don't find the Higgs. That will show something is wrong, and we need to think again. I have a bet of $100 that we won't find the Higgs."

41 From The Times September 11, 2008 Peter Higgs launches attack against Nobel rival Stephen Hawking Professor Higgs, who first postulated the existence of the particle 44 years ago, reacted with visible irritation. I have to confess I haven t read the paper in which Stephen Hawking makes this claim, he said. But I have read one he wrote, which I think is the basis for the kind of calculation he does. And frankly I don t think the way he does it is good enough.

42 Como detectar o bóson de Higgs no LHC?

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44 SM Tevatron New Phenomena, Higgs working group arxiv: v1

45 Fermilab- Batavia, Illinois

46 Higgs é visto no LHC!! Peter Higgs visita o LHC.

47 Por quê existe mais matéria do que antimatéria no universo? Como gerar essa assimetria entre matéria e antimatéria a partir de um estado inicial simétrico? Uma condição necessária é haver a quebra de uma simetria chamada CP. A quebra dessa simetria já foi observada na Natureza. Infelizmente, a intensidade observada não é suficiente para explicar a assimetria. Novas fontes de violação de CP? LHCb

48 Origem da matéria escura De acordo com vários dados observacionais, apenas 5% de nosso universo é feito de átomos. Existe uma grande quantidade de matéria em uma forma desconhecida, que não é visível, denominada matéria escura. Acredita-se que a matéria é composta por novas partículas ainda desconhecidas. Em alguns modelos de física de partículas, é possível produzir diretamente essas partículas no LHC.

49 Composição do Universo 4% A matéria escura ainda não foi detectada em laboratórios. Dezenas de experimentos para desvendar a natureza do lado escuro do Universo

50 Mini-buracos negros no LHC "The operation of the LHC is safe, not only in the old sense of that word, but in the more general sense that our most qualified scientists have thoroughly considered and analyzed the risks involved in the operation of the LHC. [Any concerns] are merely hypothetical and speculative, and contradicted by much evidence and scientific analysis." Prof. Sheldon Glashow, Nobel Laureate in Physics, Boston University, Prof. Frank Wilczek, Nobel Laureate in Physics, Massachusetts Institute of Technology, Prof. Richard Wilson, Mallinckrodt Professor of Physics, Harvard University

51 Mini-buracos negros no LHC Pergunta: o que aconteceria se a Lua se transformasse em um buraco negro? Buracos negros não são totalmente negros: emitem radiação (Hawking). Quanto menor (mais leve) o buraco negro, mais radiação é emitida. Buracos negros, se produzidos no LHC, serão microscópicos e se desintegrarão em frações de segundo.

52 Situação atual do LHC Os primeiros feixes de prótons circularam no LHC no dia 10/09/08 (grande cobertura da mídia). Em 19/09/08, uma conexão defeituosa entre dois ímãs resultou em um acidente no túnel (sem fatalidades). Parte dos ímãs (53) tiveram que ser retirados do túnel para reparos. O LHC voltou a funcionar em 20/11/2009 (feixes circulando). Primeiras colisões em 23/11. Recorde mundial de energia em 30/11 (1.18 TeV). Colisões de prótons a uma energia de 7 TeV em 30/03/2010. Continuará em operação por 18 a 24 meses.

53 Perguntas não respondidas Origem da massa? Mecanismo de Higgs? As 3 forças podem ser unificadas? Teorias de grande unificação? Por quê 3 famílias de partículas? Existem mais? Existem novas simetrias que não foram descobertas? Supersimetria? E a gravitação? Teoria de supercordas? As partículas que hoje chamamos de elementares são de fato elementares? O espaço têm 3 dimensões? Afinal de contas, do que é feito o universo? (apenas 5% são átomos; 25% é matéria esura e 70% é uma forma de energia de vácuo (quintessência)) EXPERIMENTOS

54 Novos modelos serão testados no LHC. Modelo de Higgs para origem da massa Supersimetria Dimensões extras O LHC poderá responder algumas dessas perguntas, expandindo nosso conhecimento acerca do Universo.

55 Surpresas podem acontecer

56 Event rate: N = L x (pp) 10 9 interactions/s Mostly soft ( low p T ) events Interesting hard (high-p T ) events are rare very powerful detectors needed 56

57 Enxergando partículas no ATLAS