Base Experimental da Física de Altas Energias

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1 Base Experimental da Física de Altas Energias São Paulo Regional Analysis Center

2 Método Científico Conjunto de técnicas t básicas b para investigação de fenômenos, aquisição de novos conhecimentos ou correção e integração de conhecimentos já adquiridos, baseadob na coleta de dados através da observação e experimentação da Natureza e na formulação e teste de hipóteses teses. Rene Descartes ( ) 1650) Método Dedutivo: Axioma Sistema Lógico Teoremas Bom para Matemática, mas não funciona bem na investigação científica da Natureza (Física) Francis Bacon ( ): 1626): Pai do Método M Científico Método Indutivo: Novum Organum (1620) Observações/Experimentos Repetidos várias vezes (independente) Fato Hipótese (Teoria): explica observações e faz novas predições Sobrevivendo aos testes experimentais Lei/Teoria 2

3 Filosofia da Ciência Karl Popper ( ) 1994) The Logic of Scientific Discovery (1934) Falseabilidade como critério para separar ciência da não-ciência Uma teoria é científica apenas se for falseável Uma teoria jamais é confirmada independente do número de resultados positivos Um único resultado negativo é decisivo: a teoria (ou parte dela) é falsa Thomas Samuel Kuhn ( ) 1996) The Structure of Scientific Revolutions (1962) Ciência não progride de forma linear Ocorrem mudanças de Paradigmas: Revolução Científica 3

4 Imre Lakatos ( ) 1974) Harmoniza: Falseabilidade & Revolução Programa de Pesquisa Uma Teoria é uma sucessão de pequenas teorias ligeiramente distintas que compartilham algumas idéias em comum ( hard core ) Não propomos uma teoria e a Natureza nos diz: não. Nós propomos um labirinto de teorias e a Natureza nos diz: inconsistente A inconsistência pode ser resolvida sem abandonar o Programa de Pesquisa, mantendo o hard core e alterando as hipóteses auxiliares Paul Feyerabend ( ) 1994) Contra o Método (1975) Anarquismo teórico: Qualquer método científico limita a atividade do cientista e restringe o avanço da ciência Se quisermos ter um regra metodológica universalmente válida, qualquer coisa serve ( anything goes ) seria o único candidato. 4

5 Elementos essenciais: Observação e caracterização do objeto de investigação Quantificação, observação e obtenção de dados (medida) Hipótese que possa explicar o fenômeno investigado Teórica (modelo matemático) ou asserção hipotética (característica geral) Predições a partir da hipótese e acessível ao experimento Raciocínio, dedução lógica da hipótese e teoria Experimentos: teste da hipótese Teste da caracterização, da hipótese e das predições Análise e interpretação dos dados Requer objetividade para evitar a parcialidade Documentação e divulgação dos métodos e dados Permite que o experimento possa ser reproduzido por outros cientistas Re-testar 5

6 Data X Model Comparison After Don Lincoln 6

7 Para ser politicamente correto... After Don Lincoln 7

8 O Elétron e o NúcleoN Atômico 1896 Becquerel 1897 Evidência da radioatividade espontânea no decaimento do urânio. Thomson 1911 Descoberta do elétron nos raios catódicos Millikan Medida da carga do elétron Rutherford (Geiger( e Marsden 1909) 1919 Evidência do núcleo atômico Modelo para a estrutura atômica Conclusão: Existem pequenos objetos carregados = Núcleo Rutherford 1932 Descoberta do próton, constituinte do núcleo (α + Átomo p + X) Chadwick Primeira evidência do nêutron (α + Be C + n) α Au cintilador 8

9 O Decaimento Beta e o Neutrino O espectro do decaimento β é contínuo nuo Chadwick (1914) e Ellis e Wooster (1927) 1930 Pauli Sugere a existência de uma partícula leve, neutra e fracamente interagente que seria emitida no decaimento β Fermi Propõe uma teoria para o decaimento β, assumindo a existência do neutrino Wheeler e Tiomno; ; Lee, Rosenbluth e Yang Proposta da universalidade da interação de Fermi (Interação Fraca) Devem ter a mesma natureza e intensidade 9

10 1923 O Fóton e a Eletrodinâmica Quântica Compton 1927 Confirmação experimental de que o fóton é uma partícula elementar Dirac: 1928 Fundamentos da Eletrodinâmica Quântica Dirac 1931 Descoberta da equação de onda relativística do elétron Predição do momento magnético do elétron Dirac 1932 Predição do pósitron e do anti-próton Anderson 1947 Primeira evidência para a existência do pósitron Pontecorvo Primeira sugestão de que as interações fracas de Fermi são universais. i.e. processos de decaimento e captura têm a mesma origem Bethe Primeiro cálculo teórico do Lamb shift em QED não relativística Kusch and Foley Primeira medida de g e 2 para o elétron usando o efeito Zeeman: g e = 2 ( X 10-3 ) 10

11 Raios CósmicosC Maior energia do que a radiação alfa Menor controle da produção e detecção das partículas 1932 Anderson Descoberta do Pósitron 1937 Curvatura dos traços: partícula com carga positiva Não era absorvida: não podia ser o proton Anderson e Neddermeyer Descoberta do Muon (µ e + ν e + ν µ ) Penetrante: não era o píon (Yukawa) e - Pb e + B M e < M µ < M p I. I. Rabi (Columbia): Who ordered that? Até hoje não sabemos a resposta Foi a primeira partícula de segunda geração a ser descoberta abrindo um novo horizonte µ 11

12 Píon 1947 Lattes, Ochialini e Powell Descoberta do píon (π µ+ ν µ ) π µ e Monte Chacaltaya, Bolívia, m 12

13 Partículas Estranhas Bristol,, Manchester, Ecole Polythecnique, Caltech,, Berkeley Raios Cósmicos Cosmotron (BNL), Bevatron (LBL) Aceleradores de prótons com 3 a 6 GeV Produção de Partículas Estranhas (Λ, K, Σ,...) Produzidas via interação forte e decaindo em partículas que interagem fortemente. Porém a vida média observada foi vezes maior do que o esperado para decaimento forte Pais, Gell-Mann Produção Associada: são produzidas aos pares Existe novo número quântico conservado pelas interações forte e electromagnética mas violado pela interação fraca 13

14 Uma reflexão O Taj Mahal é simétrico pela transformação de reflexão, ou seja possui uma invariância sob reflexão Como se comportariam as leis da Física F em um mundo refletido no espelho? Esquerda-Direita é uma simetria da Natureza? Ou, como diria Alice: Peharps Looking-glass glass milk isn t good to drink. Through the Looking Glass Lewis Carroll 14

15 Simetrias Discretas Três outras simetria são importantes: Paridade (P):( reversão de todas as coordenadas espaciais Inversão do espaço Reversão Temporal (T):( fazer o tempo andar para trás Inversão do tempo Conjugação de Carga (C):( trocar matéria por anti-mat matéria 1955 Inversão da Carga Alvarez e Goldhaber; Birge et al.: Enigma θ-τ 1956 Duas partículas pareciam ser um único estado (mesma massa e largura) mas decaíam em estados de paridade oposta. Portanto a Paridade poderia estar sendo violada em transições fracas Lee e Yang Propõe testar a conservação da paridade espacial Até 1957 acreditava-se que as leis da FísicaF fossem invariantes por P e que nenhum experimento pudesse distinguir ou privilegiar direita ou esquerda. 15

16 O Decaimento Beta e a Violação da Paridade 1957 Wu et al. Primeira evidência da não conservação da paridade: medida da distribuição angular dos elétron emitidos no decaimento β Madame Wu colocou Co 60 em um forte campo magnético e observou no decaimento beta deste núcleo que Elétrons são emitidos na direção oposta ao campo magnético Portanto a situação 1 é aquela que ocorre na natureza. A configuração especular 2 não é observada na natureza. [Taxa de decaimento depende de pseudo-escalar <J nuc >.p e] Garwin,, Lederman e Weinrich; ; Friedman e Telegdi Confirmação da violação da paridade no decaimento do múon. 1 e e 2 16

17 Comunicação Extra-terrestre terrestre (depois de Feynman) Como poderíamos explicar a um extra- terrestre (em uma comunicação não visual) que nós n s humanos estendemos a mão direita para nos cumprimentarmos? e Seria impossível explicar isto ao Marciano antes de 1957! Todas as leis da Física conhecidas até então (gravitação, eletricidade, magnetismo, nuclear) são simétricas por reflexão (invariantes por P). E= =D Suponha que venhamos a nos encontrar com nosso amigo Extra-terrestre terrestre e que ele nos estenda a mão esquerda para nos cumprimentar. CUIDADO! Não estenda a mão! Certamente ele é feito de antimatéria ria! A interação fraca conserva a simetria combinada CP (com poucas exceções). Portanto, o Extra-terrestre só poderia ter se enganado caso as partículas emitidas fossem pósitrons, em um mundo composto de antimatéria. 17

18 1955 Antinúcleons e Ressonâncias O. Chamberlain, E. Segré 1956 Descoberta do anti-próton Bevatron: p + p p + p + p + p B. Cork, Lamberton, Piccioni, Wenzel Descoberta do anti-neutron Bevatron: p + p n + n Fermi, Alvarez, Erwin, Pevsner e Block, Ticho e Connolly, Samios e Shutt Descoberta de várias ressonâncias (, Σ, K *, ρ, η, φ, Ω - ) com vida média extremamente pequena E = MeV M 18

19 1958 Feynman e Gell-Mann; Marshak e Sudarshan; ; Sakurai Interação fraca universal com estrutura V-A Goldhaber, Grodzins e Sunyar 1959 Primeira evidência da helicidade negativa do ν e Interação tipo V-A é confirmada Reines e Cowan 1961 Confirmação da detecção do neutrino em Salam e Ward Invenção do princípio de gauge como base para a construção de teorias de campos quântica para campos fundamentais interagentes. Glashow Primeira introdução do bóson vetorial intermediário neutro Z Danby et al.: Primeira evidência do neutrino do muon neutrino em 19

20 1964 A Violação de CP J. W. Cronin e V. L. Fitch Brookhaven National Laboratory (BNL) Observaram que o decaimento dos kaons (K 0 ) violam a simetria de CP. K 0 L π π π π π + π π π + 0 (21%) (13%) (0.2%) 0 0 π π (0.1%) K 0 S π π π π (69%) (31%) + π π π 0 ( %) Como CPT é uma simetria da Natureza, com a reversão da direção do tempo não seria possível reverter algumas reações envolvendo certas partículas. 20

21 Matéria X Antimatéria Universo inicialmente continha uma igual quantidade de matéria e anti-mat matéria. Porque hoje temos muito mais matéria do que anti-mat matéria? Algum mecanismo durante sua evolução deve ter favorecido a assimetria matéria ria anti-matéria Andrei Sakharov Três condições que permitiriam que isto ocorresse: Próton deveria ser instável, isto é deveria decair Deveria haver interações violando C e CP Universo deveria sofrer uma expansão muito rápida Nós quarks fótons anti-quarks 21

22 Década de 50 cada de 50 Ω π γ µ ν τ ρ η φ ψ χ Σ Ξ B K e p f ω D n π π π p p p p n n n n γ γ γ γ γ γ γ e e e e e e µ Λ K 22

23 Modelo a Quarks 1965 Gell-Mann, Zweig 1969 Modelo a quarks: u, d, s Colaboração SLAC-MIT 1967 Evidência de pequenos objetos carregados dentro do nucleon Descoberta dos quarks! Utilizaram acelerador linear de eletrons do SLAC: e + H e + X Bjorken,, Feynman 1973 Modelo a Partons S=0 S=-1 Colaboração Gargamelle (CERN PS) d s Confirmam carga fracionária dos quarks: ν + N µ + X u Q=-1/3 Q=2/3 23

24 1972 Corrente Neutra Colaboração Gargamelle (Hasert et al.) Descoberta da Corrente Neutra ν ν ( ) + N ν ( ν ) + hadrons µ µ µ µ Ausênica de eletron ou muon no evento Predita pelo Modelo Padrão em

25 1974 Uma Revolução em Novembro Colaboração MIT-BNL, Ting et al. AGS (proton( em alvo fixo no BNL) Descoberta do J (submetido em 12/11/74) Reação p + Be e + + e - + X Pico na massa invariante do par e + e - em M = 3.1 GeV Colaboração Mark I, Richter et al. SPEAR (e + e - a 2,5-7,5 GeV no SLAC) Descoberta do ψ (submetido em 13/11/74) Reação e + + e - hadrons Pico na seção de choque em E = 3.1 GeV Quark Charm é descoberto! Predito em 1970 por Glashow, Illiopoulos e Maiani Segue a descoberta do espectro charmoso (ψ, ψ, χ, η c,...) 25

26 1975 Um Novo Lépton Colaboração Mark I SLAC), Perl et al. Observação e + + e - e + + µ - + ( 2 outras) M = 1.8 GeV ν τ ν τ + τ - τ µ - ν µ e + ν e Sugere a existência de 2 novos quarks?? 26

27 Três Anos Depois Lederman et al. 400 GeV próton Fermilab Descoberta do ϒ (Quark Bottom) Reação p + (Cu, Pt) µ + + µ - + X Pico na massa invariante do par µ + µ - M = 9.5 GeV Espectro também é descoberto ϒ, ϒ, χ b,... 27

28 1983 Descoberta do W e Z Colaborações UA1 e UA2, Rubbia et al. Colisões próton ton-antiprótonton no SppS do CERN M W = 80 GeV e M Z = 91 GeV Preditos pelo Modelo Padrão (1967) Massa correta! W Z 28

29 1995 O Quark Top Colaborações CDF e DØD Colisões próton ton-antiprótonton a 1,8 TeV Reação p + p t (b + W jets) + t (b + W eν) M = 180 GeV µ jet jet e E 29

30 Década de 90 Medidas Precisas Colaborações ALEPH, DELPHI, L3 e OPAL Large Electron Pósitron (LEP) CERN Medidas precisas das propriedades do bóson Z σ Γ Z M Z 30

31 Produção de Pares W + W - LEP II + + e e W W qqlν 31

32 20?? Bóson de Higgs: : O Desafio Colaborações Atlas e CMS (CERN) Colisões próton ton-próton a 14 TeV Reação p + p H Z ( µ + µ - ) + Z ( µ + µ - ) 32