Partículas, Forças e Aceleradores

Transcrição

1 Partículas, Forças e Aceleradores Ignacio Bediaga Olimpi ada Brasileira de Fi sica

2 O que sabemos da formação da matéria Universo.

3 O que é um acelerador de partículas e o que apreendemos com o LHC.

4 Escala de distâncias do Universo n (metros 10 ) Estamos para o sistema solar, assim como o átomo esta para nós.

5 Do que a matéria é feita?

6 "Do que a matéria é feita?" O Átomo de Demócrito Por convenção existe o doce e por convenção o amargo, Por convenção existe o quente e por convenção o frio, Por convenção existe a cor; na realidade, porém, átomos e vazio. -Demócrito (c. 400 AC) Água: formada por átomos ligeiramente esféricos (a água escoa facilmente). Terra: formada por átomos cúbicos (a terra é estável e sólida). Ar: formado por átomos em movimento turbilhonantes (o ar se movimenta - ventos). Fogo: formado por átomos pontiagudos (o fogo fere). Alma: formada pelos átomos mais lisos, mais delicados e mais ativos que existem. Respiração: era considerada troca de átomos, em que átomos novos substituem átomos usados. Sono: desprendimento de pequeno número de átomos do corpo. Coma: desprendimento de médio número de átomos do corpo. Morte: desprendimento de todos os átomos do corpo e da alma.

7 "Do que a matéria é feita?" O Átomo tijolo do Séc XIX Dalton - Tudo que existe na natureza é composto por diminutas partículas denominadas átomos; - Os átomos são permeáveis, indivisíveis e indestrutíveis; - Existe um número pequeno de elementos químicos diferentes na natureza; - Reunindo átomos iguais ou diferentes nas variadas proporções, podemos formar todas as matérias do universo conhecidos; Thomson: inclui cargas elétricas

8 "Do que a matéria é feita?" O Átomo dinâmico do Séc. XX Partículas alfa Rutherford:

9 Mecânica Quântica Bohr: Postulados de Elétrons orbitam em torno do núcleo sobre a influência da atração Coulombiano 2- A órbita circular do elétron tem raios quantizados. 3- Em cada órbita permitida, o elétron tem uma energia constante e bem definida, dada por: E = -13,6 ev, n=1,2,3,.. n2 4. Os elétrons nas suas orbitas não irradiam.

10 "Do que a matéria é feita?" Átomo Quântico Dualidade onda partícula De Boglie (1924) Schrödinger (1926) Heisenberg (1927)

11 "Do que a matéria é feita?" Elétrons, Prótons e Nêutrons (1932)

12 "Do que a matéria é feita?" Elétrons e Quarks (1964)

13 Quarks e Leptons Três famílias de Quarks e três famílias de Leptons. Todas já produzidas e observadas em aceleradores.

14 Massa dos Quarks e Leptons

15 "Do que a matéria é feita?"... enorme vazio O Sol esta para o nosso sistema planetário assim como o núcleo esta para o átomo

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17 "Do que a matéria é feita?"... e Forças Ruptura das ligações eletromagnéticas Estrutura Cristalina

18 As Forças da Natureza Existem quatro forcas fundamentais na Natureza Gravitacional Fraca Eletromagnética Forte

19 Ação de forças a distância Lei de Coulomb: Atração e repulsão entre dois imãs Como se transmite a força?

20 Como se transmitem as forças?

23 Como se transmitem as forças? As força se transmitem através da troca de partículas. Que partículas?

24 Como se transmitem as forças? Eletromagnética tempo Fóton γ: Atua em todas as partícula que possuam carga elétrica. Responsável pelo atrito, o magnetismo, a coesão das moléculas e etc.

25 Como se transmitem as forças? Forte Eletromagnética repulsiva Núcleo: Prótons e Nêutrons Residual forte atrativa Força forte, tem carga de cor e é transmitida pelo Glúon g tempo Outra interação básicas da natureza Atua em todas as partícula que possuam carga de cor, ou seja os quarks.

26 Como se transmitem as forças? Fraca Três famílias de Quarks e três famílias de Leptons no início do universo Desintegração Reduzidos a uma família de cada

27 Como se transmitem as forças!! Fraca Interage com os quarks e leptons. Responsável pela desintegração dos quarks e leptons pesados. Não forma estado ligado. A mais surpreendente das quatro forças da Natureza. + - W,WeZ 0 Outra interação básicas da natureza tempo

28 Bósons e Fermions! Existem dois tipos de partículas: as transmissoras de força, conhecidas como bósons e as receptoras, conhecidas como fermions (A família dos elétrons (leptons) e a família dos quarks ). tempo Primeira das interações básicas da natureza

29 70 anos da descoberta do primeiro bóson: méson π!

30 "Do que a matéria é feita?" Partículas Interagindo! Interações básicas da natureza Interações combinadas tempo

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32 Gedankenexperiment I Lei de Faraday: Campo magnético variando gera uma corrente elétrica. 10 lei de Newton: Princípio da Inercia ou relatividade de Galileu x' = x- vt, t'= t e m' = m Força de Lorentz: Uma carga elétrica em movimento sofre um força ao passar por um campo magnético estático. Referencial do vagão: Elétrons no aro em repouso. Campo magnético varia com o tempo. Corrente elétrica no aro (Faraday) Referencial do trilho: Elétrons no aro em movimento. Campo magnético estático. Produz corrente elétrica no aro pela força de Lorentz

33 Einstein Dois postulados: 1- O princípio da relatividade. As leis da física são as mesmas em todos os referenciais. 2- Velocidade universal da luz. A velocidade da luz no vácuo é sempre a mesma, independente da velocidade da fonte, e esta é máxima. Contração espacial Δx' = Δx /γ Dilatação temporal Δt' Fator de Lorentz γ= = γ Δt 1 ( 1- v2/c2) Espaço e tempo são relativos ao observador, não mais um cenário onde se desenrola o movimento

34 2 E = m0 c Equivalência massa e energia para um corpo em repouso

35 2 E = m0 c γ Equivalência massa e energia para um corpo em movimento γ = 1 ( 1- v2/c2)

36 2 E=γmc Equivalência massa e energia γ = 1 ( 1- v2/c2) { Se v2/c2 1; γ ee Se v2/c2 0; γ 1 e E m0 c2 Conseqüências diretas do princípio da relatividade: 1-Nenhum objeto com massa pode ter velocidade maior que a luz 2- c = metros por segundo, isto implica que a massa concentra uma imensa quantidade de energia

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38 Gedankenexperiment II Equação de Dirac (1928) Erwin Schrodinger e Werner Heisenberg: Mecânica Quântica. Einstein: Relatividade Equação de Dirac para um elétron relativístico

39 Pósitron ou anti-elétron A solução desta equação é da forma: E2 = m2 c4, ou seja E pode ser tanto + mc2, ou - mc2 Energia negativa????? 1932 Descoberta do pósitron ou anti-elétron, mesma massa do elétron, mas com carga positiva Descoberta do anti-próton, mesma massa do próton, mas com carga negativa.

40 Anti-Matéria Para cada partícula temos uma antipartícula equivalente

41 Dinâmica Matéria Anti-Matéria Criação Partícula Anti-Partícula Aniquilação Partícula Anti-Partícula Aniquilação e Criação Partícula AntiPartícula, dependente da energia inicial.

42 "Do que a matéria é feita?" Partículas Interagindo! Interações básicas da natureza Interações combinadas tempo

43 Dinâmica Matéria Anti-Matéria

44 Início do Universo: criação e destruição

45 + 1

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47 Como os físicos de partículas experimentam?

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49 Observação de partículas

50 Acelerador de partículas Campos elétricos aceleram prótons Campos Magnéticos fazem circular os prótons

51 2 E=γmc Equivalência massa e energia γ = 1 ( 1- v2/c2) { Se v2/c2 1; γ ee Se v2/c2 0; γ 1 e E m0 c2 Conseqüências diretas do princípio da relatividade: 1-Nenhum objeto com massa pode ter velocidade maior que a luz 2- c = metros por segundo, isto implica que a massa concentra uma imensa quantidade de energia 3 Podemos dizer que um elétron com 100GeV pesa vezes mais, já que a massa do elétron é da ordem de GeV. 4- Podemos dizer que um próton com 7 000GeV pesa vezes mais, já que a massa do próton é da ordem de 1 GeV.

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53 Colisão e criação de matéria Energia massa

54 Colisão: Fragmentação e Criação Colisão Energia > Massa Produção de partículas; Massivas e instáveis Que partículas são criadas???

55 Colisão: Aniquilação e Criação Méson D+: cerca de 100 diferentes formas de se desintegrar. Centenas de possibilidades de observação. Poucas observações diretas, vidas médias menores 10 10s Reconstrução do evento; Massa invariante e/ou massa faltante e/ou jatos

56 Colisão: Aniquilação e Criação

57 Conservação da energia Desintegração do bóson energias do μ mais a Z μ + μ - 0 Z é igual a soma das do μ A energia relativística do + 0 Natureza das partículas Energia total de cada μ Análise estatística

58 Algumas questões fundamentais Propriedades do Higgs Plasma de quarks e glúons Novos hádrons Matéria Escura Assimetria matéria anti matéria no Universo...

59 Grande Colisor de Hadróns (LHC): uma nova era na física das interações fundamentais.

60 Dimensões do LHC 4.3 Km de raio ou 27 Km circunferência Explorar dimensões de NanoNano física

61 LHC em números 1740 magnetos super condutores de 14m cada Temperatura nos supercondutores de 271ºC negativos 12 milhões de litros de Nitrogênio e 700 mil de Hélio bilhões de prótons em cada direção 10 bilhões de dólares (acelerador + detectores) (60% CERN, 40% outros instituições)

62 Metas do aparato LHC Energia no centro de massa GeV (7000 GeV contra 7000 GeV) 40 milhões de colisões por segundo/detector Um ordem maior em energia e duas em quantidade de colisões que o Tevatron do Fermilab Criação de cerca de 100 partículas por colisão

63 CERN European Organization for Nuclear Research Fundado em Países membros 7 Países associados e observadores 75 Países colaboradores cientistas e técnicos de 500 instituições

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65 Porque o WWW foi criada no CERN? Ciência depende de acesso livre a informação. Na época o CERN tinha uma comunidade de mais de 5000 cientistas espalhado por mais de 80 países. CERN tem uma grande tradição em computação Durante a preparação do projeto LEP, a necessidade de dividir documentos de uma forma global era vital para o sucesso do empreendimento.

66 Informação produzida no ATLAS 150 Milhões de sensores Leitura destes: 40 Milhões de vezes por segundo

67 Ciência do Petabyte Detectores com mais de 100Milhões de sensores Um evento selecionado a cada nano segundo Guardados da ordem de 10K eventos por segundo Equivalente a mais de 1Gigabyte por segundo Milhares de cientistas analisando os dados 1 Megabyte (1MB) Foto digital 1 Gigabyte (1GB) = 1000MB 5GB = Um DVD 1 Terabyte (1TB) = 1000GB Producão anual de livros 1 Petabyte (1PB) = 1000TB Producão anual do LHC 1 Exabyte (1EB) = 1000 PB 3EB = Producão anual de informacões

68 Onde processar e guardar essa informacão? 200 Mil computadores 20 milhões de CD's

69 Grid Rápida expansão de usuários 250 Institutos no LHC Computer Grid (LCG) 200 no Open Science Grid (OSG)

70 O que esperamos do LHC?

71 Modelo padrão Observação do Higgs Plasma de quarks e glúons Matriz de desintegração dos quarks Novos hadrons...

72 Escala de 1 TeV Assimetria matéria anti matéria no Universo: Novas fontes de violação de CP e violação do numero bariônico Matéria escura Consistência do Modelo Padrão Escala de massa, origem das fases de CKM, quebras de simetria,..

73 Possibilidades Super Simetria Technicolor Dimensões extras Big jumping in the unknown!!!

74 Modelo Padrão e Escala de 1TeV

75 "Do que a matéria é feita?" O Átomo de Demócrito Por convenção existe o doce e por convenção o amargo, Por convenção existe o quente e por convenção o frio, Por convenção existe a cor; na realidade, porém, átomos e vazio. -Demócrito (c. 400 AC) Água: formada por átomos ligeiramente esféricos (a água escoa facilmente). Terra: formada por átomos cúbicos (a terra é estável e sólida). Ar: formado por átomos em movimento turbilhonantes (o ar se movimenta - ventos). Fogo: formado por átomos pontiagudos (o fogo fere). Alma: formada pelos átomos mais lisos, mais delicados e mais ativos que existem. Respiração: era considerada troca de átomos, em que átomos novos substituem átomos usados. Sono: desprendimento de pequeno número de átomos do corpo. Coma: desprendimento de médio número de átomos do corpo. Morte: desprendimento de todos os átomos do corpo e da alma.

76 "Do que a matéria é feita?" A filosofia de Heráclito Este Cosmos não foi feito por deuses ou por homens, mas que sempre foi, e é, e será, como um fogo eternamente vivente, que se acende com medida e se extingue com medida. medida Heráclito (500AC)

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