O Large Hadron Collider (LHC)

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1 , Astrofísica e Cosmologia O Large Hadron Collider (LHC) e o maior experimento de Física da história da humanidade Vitor Oguri Departamento de Física Nuclear e Altas Energias (DFNAE) Instituto de Fisica Armando Dias Tavares (IFADT) Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) Rio de janeiro, 07 de outubro 2008 V. Oguri 1/63 O Large Hadron Collider (LHC)

2 , Astrofísica e Cosmologia Sumário 1 Aceleradores de partículas e Física de Altas Energias 2 3, Astrofísica e Cosmologia 4 V. Oguri 2/63 O Large Hadron Collider (LHC)

3 , Astrofísica e Cosmologia O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC Aceleradores de partículas e Física de Altas Energias V. Oguri 3/63 O Large Hadron Collider (LHC)

4 , Astrofísica e Cosmologia Física de Altas Energias O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC Estudo das partículas e das interações fundamentais hipóteses de trabalho experimentos = novos resultados aceitação ou modificação das hipóteses de trabalho V. Oguri 4/63 O Large Hadron Collider (LHC)

5 , Astrofísica e Cosmologia Física de Altas Energias O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC Estudo das partículas e das interações fundamentais hipóteses de trabalho experimentos = novos resultados aceitação ou modificação das hipóteses de trabalho V. Oguri 4/63 O Large Hadron Collider (LHC)

6 , Astrofísica e Cosmologia Energia O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC energia { movimento velocidade interação distância energia térmica (E T ) { 0,026 ev (gás a 300 K) 0,5 ev (gás a 6000 K) 1 ev (elétron-volt) energia adquirida por um elétron ao ser acelerado por uma diferença de potencial de 1 V energia de ligação { Eátomo 10 ev E núcleo 1 MeV V. Oguri 5/63 O Large Hadron Collider (LHC)

9 , Astrofísica e Cosmologia Energia de repouso O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC energia de repouso (E = mc 2 ) E (elétron) 0,5 MeV E (próton) 1 GeV E (Higgs) 200 GeV E (pessoa) GeV c velocidade da luz ( km/s) E c E = (avião) 10 9 (foguete) 10 4 (LHC) V. Oguri 6/63 O Large Hadron Collider (LHC)

10 , Astrofísica e Cosmologia Energia de repouso O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC energia de repouso (E = mc 2 ) E (elétron) 0,5 MeV E (próton) 1 GeV E (Higgs) 200 GeV E (pessoa) GeV c velocidade da luz ( km/s) E c E = (avião) 10 9 (foguete) 10 4 (LHC) V. Oguri 6/63 O Large Hadron Collider (LHC)

11 , Astrofísica e Cosmologia O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC Aceleradores de partículas Microscópios para sondar o microcosmo campos elétricos aceleram e campos magnéticos desviam colisões em altas energias concentração de energia em pequenas regiões V. Oguri 7/63 O Large Hadron Collider (LHC)

12 , Astrofísica e Cosmologia Aceleradores de partículas O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC tubo de raios catódicos V. Oguri 8/63 O Large Hadron Collider (LHC)

13 , Astrofísica e Cosmologia Aceleradores de partículas O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC Energia perdida por radiação = Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) V. Oguri 9/63 O Large Hadron Collider (LHC)

14 , Astrofísica e Cosmologia Colisões em altas energias O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC Observação de processos raros { energia fluxo (luminosidade) V. Oguri 10/63 O Large Hadron Collider (LHC)

15 , Astrofísica e Cosmologia Detectores de partículas O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC identificar partículas secundárias produzidas nas colisões determinar suas trajetórias, massas, momentum e energia V. Oguri 11/63 O Large Hadron Collider (LHC)

16 , Astrofísica e Cosmologia Detectores de partículas O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC V. Oguri 12/63 O Large Hadron Collider (LHC)

17 , Astrofísica e Cosmologia O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC Experimentos em altas energias Empreendimentos coletivos mantidos por consórcios mundiais que permitem a participação de muitos países. RENAFAE Rede Nacional de Física de Altas Energias concepção e construção: 5 a 10 anos operação e resultados: 5 a 20 anos pessoal: 5000 a pessoas custos: 100 milhões a 10 bilhões de dólares V. Oguri 13/63 O Large Hadron Collider (LHC)

18 , Astrofísica e Cosmologia Experimentos em altas energias O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC A ciência fundamental moderna tem um papel importante no processo de inovação tecnológica. reducionismo emergência big science small science básica aplicada Química Molecular Biologia Genética = Semicondutores Nanotecnologia V. Oguri 14/63 O Large Hadron Collider (LHC)

19 , Astrofísica e Cosmologia O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC CERN (1954) Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire European Organization for Nuclear Research (oficial) European Laboratory for Particle Physics 2 bilhões de dólares anuais 10 mil físicos 5 mil técnicos e engenheiros Primeiro site (1990) V. Oguri 15/63 O Large Hadron Collider (LHC)

20 , Astrofísica e Cosmologia LHC (Large Hadron Collider) O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC O mais potente acelerador de partículas jamais construído, capaz de acelerar prótons a energias de 7 TeV. V. Oguri 16/63 O Large Hadron Collider (LHC)

21 , Astrofísica e Cosmologia Características do LHC O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC 27 km de perímetro 14 trilhões de elétron volts (14 TeV) 600 milhões de colisões por segundo 1800 magnetos e 7000 km de fios supercondutores V. Oguri 17/63 O Large Hadron Collider (LHC)

22 , Astrofísica e Cosmologia O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC As grandes colaborações no LHC V. Oguri 18/63 O Large Hadron Collider (LHC)

23 , Astrofísica e Cosmologia O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC ALICE (A Large Ion Collider Experiment) plasma de quark-gluon Universidade do Estado de São Paulo (USP) Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) 26x16x16 (m) toneladas 1000 físicos 94 instituições 28 países V. Oguri 19/63 O Large Hadron Collider (LHC)

24 , Astrofísica e Cosmologia ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC bóson de Higgs, dimensões extras e matéria escura Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) 46x25x25 (m) 7000 toneladas 1700 físicos 159 instituições 37 países V. Oguri 20/63 O Large Hadron Collider (LHC)

25 , Astrofísica e Cosmologia O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC LHCb (Large Hadron Collider beauty) Por que existe mais matéria do que antimatéria? Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) 21x10x13 (m) 5600 toneladas 650 físicos 48 instituições 13 países V. Oguri 21/63 O Large Hadron Collider (LHC)

26 , Astrofísica e Cosmologia CMS (Compact Muon Solenoid) O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC bóson de Higgs, dimensões extras e matéria escura 21x15x15 (m) toneladas 2000 físicos 155 instituições 37 países V. Oguri 22/63 O Large Hadron Collider (LHC)

27 , Astrofísica e Cosmologia Participação brasileira no CMS O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) Moacyr Gomes e Souza, Gilvan Alves, Maria Elena Pol Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) Alberto Santoro, Vitor Oguri, Andre Sznajder, Luiz Mundim, Wanda Prado da Silva, Carley de Oliveira Martins, José Roberto Mahon, Marcia Begalli, Wagner de Carvalho, Andre Massafferri Rodrigues, Helio Nogima, Eduardo Revoredo, Patricia Bittencourt, Jose Afonso Sanches, Dilson de Jesus Damião, Sandro de Souza, Jordan Martins, Ana Thereza, Diego Figueiredo, Marco Pacheco, Sheila do Amaral, Elisa Melo da Costa, Luana Soares, Felipe Torres de Araujo Universidade Estadual Paulista (UNESP) Sergio Novaes, Marco Dias, Pedro Mercadante, Sérgio Lietti Universidade Federal do ABC (UFABC) Eduardo de Moraes Gregores V. Oguri 23/63 O Large Hadron Collider (LHC)

31 , Astrofísica e Cosmologia CMS (Compact Muon Solenoid) O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC V. Oguri 24/63 O Large Hadron Collider (LHC)

32 , Astrofísica e Cosmologia CMS (Compact Muon Solenoid) O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC V. Oguri 25/63 O Large Hadron Collider (LHC)

33 , Astrofísica e Cosmologia O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC Instalação do detector de rastreamento de silício V. Oguri 26/63 O Large Hadron Collider (LHC)

34 Aceleradores de partículas e Física de Altas Energias, Astrofísica e Cosmologia O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC Participação da UERJ no CMS milhões de sensores (filtro) 100 colisões/s 700 Mbytes/s 15 milhões de Gbytes (15 Pbytes/ano) V. Oguri 27/63 O Large Hadron Collider (LHC)

35 , Astrofísica e Cosmologia Objetivo imediato O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC A partir da concentração de energia em uma pequena região do espaço, espera-se propiciar a criação da partícula bóson de Higgs que permite derivar as características mais básicas do Modelo Padrão da. V. Oguri 28/63 O Large Hadron Collider (LHC)

36 Aceleradores de partículas e Física de Altas Energias, Astrofísica e Cosmologia O que é a Física de Altas Energias Por que os aceleradores de partículas? O que é o LHC? Os grandes experimentos no LHC bóson de Higgs Simulação da assinatura de um canal esperado H ZZ 4 múons V. Oguri 29/63 O Large Hadron Collider (LHC)

37 , Astrofísica e Cosmologia O átomo filosófico A ciência moderna O século XIX O século XX O atomismo contemporâneo V. Oguri 30/63 O Large Hadron Collider (LHC)

38 , Astrofísica e Cosmologia O átomo filosófico O átomo filosófico A ciência moderna O século XIX O século XX O atomismo contemporâneo ruptura com os mitos: 600 a.c. 350 a.c. ordem (cosmos) razão (logo) physis pré-socráticos = constituintes fundamentais da natureza reducionismo grego Tales (água) Anaxímenes (ar) Xenófanes (terra) Heráclito (fogo) Empédocles (interações) = { Demócrito Leucipo (átomos e vazio) V. Oguri 31/63 O Large Hadron Collider (LHC)

39 , Astrofísica e Cosmologia A ciência moderna O átomo filosófico A ciência moderna O século XIX O século XX O atomismo contemporâneo Fim da idade média = ruptura com a cosmovisão religiosa O átomo químico Lavoisier(1789) Dalton (1808) argumentos de simetria = tabela periódica (Mendeleiev 1869) determinismo mecanicista Galileu ( ) matemática e experimentos Descartes ( ) mecanicismo não empírico Boyle ( ) vácuo e gases moleculares Newton ( ) gravitação e síntese da mecânica V. Oguri 32/63 O Large Hadron Collider (LHC)

40 , Astrofísica e Cosmologia O século XIX O átomo filosófico A ciência moderna O século XIX O século XX O atomismo contemporâneo Apogeu e declínio dos modelos clássicos mecânicos Teoria Cinética dos Gases argumentos (Maxwell-Boltzmann ) estatísticos Eletromagnetismo (Maxwell 1864) partículas carga elétrica e massa ondas eletromagnéticas força (interação) elétron campo (eletromagnético e gravitacional) energia V. Oguri 33/63 O Large Hadron Collider (LHC)

41 , Astrofísica e Cosmologia O século XX O átomo filosófico A ciência moderna O século XIX O século XX O atomismo contemporâneo Os novos pilares e conceitos da Física teorias relativísticas (Einstein 1905 e 1915) teorias quânticas (Heisenberg, Dirac 1925 e 1932) espaço tempo princípio da incerteza antipartículas princípios de simetria interações fundamentais gravitacional eletromagnética (γ) fraca (W ±, Z ) forte (g i ) V. Oguri 34/63 O Large Hadron Collider (LHC)

42 , Astrofísica e Cosmologia O átomo filosófico A ciência moderna O século XIX O século XX O atomismo contemporâneo A aniquilação e a criação de partículas - e aniquilação criação + e γ γ + e - e V. Oguri 35/63 O Large Hadron Collider (LHC)

43 , Astrofísica e Cosmologia A era pré-quarks O átomo filosófico A ciência moderna O século XIX O século XX O atomismo contemporâneo hádrons e léptons léptons (férmions) = hádrons bárions (férmions) mésons (bósons) elétron, pósitron neutrinos múons núcleons (próton, nêutron) híperons (Λ, Σ, Σ ± ) káons (K, K ± ) píons (π, π ± ) V. Oguri 36/63 O Large Hadron Collider (LHC)

44 , Astrofísica e Cosmologia O atomismo contemporâneo O átomo filosófico A ciência moderna O século XIX O século XX O atomismo contemporâneo q,l q,l ± γ,w,z,g i q,l q,l V. Oguri 37/63 O Large Hadron Collider (LHC)

45 , Astrofísica e Cosmologia O átomo filosófico A ciência moderna O século XIX O século XX O atomismo contemporâneo Modelo Padrão Modelo dinâmico das interações fundamentais (eletro-fraca e forte) entre férmions elementares (quarks e léptons) via os bósons de calibre γ, W ±, Z e glúons (g). Construído a partir da hipótese de que as características das interações fundamentais são ditadas por certas condições de simetria. A introdução do bóson de Higgs permite descrever o mecanismo de quebra espontânea da simetria inicial eletro-fraca do modelo. V. Oguri 38/63 O Large Hadron Collider (LHC)

46 , Astrofísica e Cosmologia O átomo filosófico A ciência moderna O século XIX O século XX O atomismo contemporâneo Quebra espontânea de simetria altas temperaturas = fase paramagnética (magnetização nula) T C (temperatura crítica) baixas temperaturas = fase ferromagnética (magnetização espontânea) V. Oguri 39/63 O Large Hadron Collider (LHC)

47 , Astrofísica e Cosmologia O big bang Buracos negros Micro-buracos negros Bósons de Higgs, Astrofísica e Cosmologia V. Oguri 40/63 O Large Hadron Collider (LHC)

48 , Astrofísica e Cosmologia O big bang Buracos negros Micro-buracos negros Bósons de Higgs Astrofísica propriedades das estrelas, galáxias e do meio estelar Cosmologia estrutura e evolução do Universo Teoria da Relatividade Geral Gravitação Universo meio diluído de partículas que se esfria enquanto se expande V. Oguri 41/63 O Large Hadron Collider (LHC)

49 , Astrofísica e Cosmologia O big bang O big bang Buracos negros Micro-buracos negros Bósons de Higgs { expansão do Universo radiação cósmica início a partir de um meio infinitamente denso e quente V. Oguri 42/63 O Large Hadron Collider (LHC)

50 , Astrofísica e Cosmologia Buracos negros O big bang Buracos negros Micro-buracos negros Bósons de Higgs Região do espaço de altíssima densidade, na qual a atração gravitacional é tão intensa que nada consegue escapar de seu interior, devido à curvatura do espaço. V. Oguri 43/63 O Large Hadron Collider (LHC)

51 , Astrofísica e Cosmologia estrelas escuras O big bang Buracos negros Micro-buracos negros Bósons de Higgs velocidade de escape (1784) 1 2 mv 2 G mm v = r 2GM r r = 2GM c 2 (11 km/s - Terra) = 1, M(kg) r raio de Schwarzschild (3 km - Sol, 1 cm - Terra) c velocidade da luz ( km/s) forças gravitacionais quando r 0 (clássico) quando r = r (relativístico) V. Oguri 44/63 O Large Hadron Collider (LHC)

52 , Astrofísica e Cosmologia Micro-buracos negros O big bang Buracos negros Micro-buracos negros Bósons de Higgs Em vez de resultarem de colapsos estelares, pequenos buracos negros podem ter sido formados pelo colapso de regiões extremamentes comprimidas no meio quente e denso logo após o big bang. buracos negros primordiais M 1 milhão de toneladas = r cm (raio do próton) V. Oguri 45/63 O Large Hadron Collider (LHC)

53 , Astrofísica e Cosmologia O big bang Buracos negros Micro-buracos negros Bósons de Higgs radiação de Hawking 2- a lei da Termodinâmica entropia e temperatura (T ) criação de antipartículas princípio da incerteza efeito túnel evaporação quântica τ M 3 (tempo de vida) { TSol 10 6 K = τ Sol anos T micro K = τ micro anos (10 bilhões de anos) V. Oguri 46/63 O Large Hadron Collider (LHC)

54 , Astrofísica e Cosmologia Bósons de Higgs O big bang Buracos negros Micro-buracos negros Bósons de Higgs quebra espontânea de simetria das interações fracas massas dos bósons mediadores das interações massas dos quarks densidade de energia do Universo A partir de fenômenos que envolvem as interações eletro-fraca e forte, o LHC propiciará o contato com problemas e fenômenos relacionados à interação gravitacional e, portanto, com a Astrofísica e a Cosmologia. V. Oguri 47/63 O Large Hadron Collider (LHC)

55 , Astrofísica e Cosmologia Compatibilidade entre teorias quânticas e gravitação? cenário inimaginável não previsto pelo modelo padrão ou pelos modelos cosmológicos ou V. Oguri 48/63 O Large Hadron Collider (LHC)

56 , Astrofísica e Cosmologia Compatibilidade entre teorias quânticas e gravitação? cenário inimaginável não previsto pelo modelo padrão ou pelos modelos cosmológicos ou V. Oguri 48/63 O Large Hadron Collider (LHC)

57 , Astrofísica e Cosmologia Leitura complementar L. Ledderman The God Particle Delta (1994) S. Hawking Buracos Negros, Universos-Bebês e outros ensaios Rocco (2000) LHC the guide Brochure Eng.pdf V. Oguri 49/63 O Large Hadron Collider (LHC)

58 Material adicional Fotos do CMS Material sobre o LHC Características do LHC Estimativas V. Oguri 50/63 O Large Hadron Collider (LHC)

67 Material adicional Fotos do CMS Material sobre o LHC Características do LHC Estimativas 27 km de perímetro 14 trilhões de elétron volts (14 TeV) Hz (freqüência de revolução de cada feixe) 2808 (número de bunches em cada feixe) = 30 MHz (crossing rate) (prótons por bunch) 600 milhões de colisões por segundo 25 ns (7 m) (espaço entre bunches) 120 MW (20 milhões de euros) V. Oguri 59/63 O Large Hadron Collider (LHC)

68 Material adicional Fotos do CMS Material sobre o LHC Características do LHC Estimativas Criogenia 9000 m 3 (volume de vácuo) pontos ou junções atm 10 8 Pa torr (λ 40 km) t de nitrogênio (12 milhões de litros) 80 K 120 T de hélio (700 mil litros) 1,9 K (60% - magnetos) dipolos supercondutores (NbTi) 8,3 T, A, -271,3 C quadrupolos focalizadores cavidades de RF (5 MV/m 400 MHz) V. Oguri 60/63 O Large Hadron Collider (LHC)

69 Material adicional Fotos do CMS Material sobre o LHC Características do LHC Estimativas taxa de colisão 16 µm (raio do feixe na zona de colisão) = A 10 5 cm (prótons por bunch) 30 MHz (crossing rate) σ pp 40 mb = A 10 5 cm (probab. de colisão de um próton) = 600 milhões de colisões/segundo V. Oguri 61/63 O Large Hadron Collider (LHC)

70 Material adicional Fotos do CMS Material sobre o LHC Características do LHC Estimativas luminosidade (L) L = 1 σ pp ( ) dn = dt cm 2 s 1 L = cm 2 s 1 = L(ano) cm 2 = 10 fb 1 σ H 100 fb = N H 10 3 /ano (3/dia) V. Oguri 62/63 O Large Hadron Collider (LHC)

71 Material adicional temperatura de Hawking Fotos do CMS Material sobre o LHC Características do LHC Estimativas partícula em um poço de potencial 2r (largura do poço) p 2r T c 2 4kr = c3 8kGM p = E c = kt c = τ = E de/dt = kt T 3 M 3 σt 4 { TSol 10 6 K = τ Sol anos T micro K = τ micro anos (10 bilhões de anos) V. Oguri 63/63 O Large Hadron Collider (LHC)