Interna'onal Masterclasses

Transcrição

1 Interna'onal Masterclasses 10 th Edi'on 2014 Interna'onal Masterclasses hands on par'cle physics 2014 Edi'on

2 Programa A Estrutura Elementar da Matéria Do que o mundo é feito: q As parbculas e suas interações Um pouco de história: q Descobertas do úl'mo século Os Aceleradores e as Experiências do CERN Explorando o mundo subatômico: q Aceleradores e detectores O Large Hadron Collider LHC Introdução à Análise de Dados Exercício MasterClass: q Iden'ficação e propriedades dos W, Z e Higgs

3 Parte 1 Do que o mundo é feito: As parbculas e suas interações

4 Do que é feito o Universo? China AC Grécia 500 AC Mendeleiev DC Século XX 4

5

6 Do Átomo aos Quarks 10-9

7 As 3 Famílias Hoje conhecemos 3 famílias de parbculas Quarks Leptons up charm top elétron múon tau down strange bofom neutrino do elétron neutrino do múon neutrino do tau

8 Construindo o Universo Basta a primeira família para construir a matéria Átomo de Hélio elétrons prótons nêutrons Mul'plique isso agora por bilhões e bilhões e

9 E você terá o Universo

10 E a an'matéria? Para cada 'po de parbcula Existe uma an'parbcula up elétron an'- up pósitron down neutrino do elétron an'- down An'neutrino do elétron ParBculas e an'parbculas possuem carga elétrica oposta mesma massa Até onde sabemos, Universo é composto basicamente de matéria

11 As Forças da Natureza 1 Força Forte 3 H 3 He 10-5 Força Fraca" 10-2 Força Eletromagné'ca Força gravitacional

12 Os Sabores elétron neutrino do múon charm down strange 10th Interna'onal Masterclasses 2014 top

13 A Carga da Interação Forte: A Cor Interação Eletromagné'ca Interação Forte + + +

14 A Interação de Cor: Bárions e Mésons Bárions Mésons

15 Interações, Sabor e Cor Interação Forte Troca a cor Interação Fraca Troca o sabor u (verde) u (+2/3) u (azul) d (- 1/3) G (azul & an'verde) W (- 1)

16 Férmions: Léptons Elétron (1897) Thomson Múon (1937) Neddermeyrer e Anderson Tau (1975) Perl Neutrino do Elétron (1956) Cowan e Reines Neutrino do Múon (1962) Lederman Neutrino do Tau (2000) DONUT Collab., Fermilab Sabor Neutrino Leve Massa (Gev) Carga (0-0,13)X Elétron 0, Neutrino Médio (0,009-0,13)X Múon 0,106-1 Neutrino Pesado (0,04-0,14)X Tau 1,777-1

17 Férmions: Quarks Up, Down, Strange (1964) Gell Mann Charm (1974) Ting, Richter Bofom (1977) Herb et al. Top (1995) CDF e DØ Collab., Fermilab Sabor Massa (Gev) Carga Up 0,002 2/3 Down ~ 0,005-1/3 Charm 1,3 2/3 Strange ~ 0,1-1/3 Top 173 2/3 Bofom 4,2-1/3

18 Bósons Intermediários Fóton (1923) Compton W e Z (1983) UA1/2 Collab, CERN Glúon (1979) DESY Collaborations Sabor Massa (Gev) Carga Fóton 0 0 W + 80,39 1 Z 0 91,19 0 W - 80,39-1 Glúon 0 0

19 Massas muito diferentes u d c p b t

20 Resumo: ParBculas e Interações Tau" Léptons" Carga Elétrica! -1! 0! Tau" Neutrino" Forte" Gluons (8)" Eletromagnética" Fóton" Muon" -1! 0! Muon" Neutrino" Quarks" Elétron" -1! 0! Elétron" Neutrino" Mésons! Bárions" Núcleo" Átomos! " Luz! " Química! " Eletrônica Bottom" Strange" Down" cada quark:! " Quarks" Carga Elétrica! -1/3! 2/3! -1/3! 2/3! -1/3! 2/3! R!, " B!, " G! 3 cores! Top" Charm" Up" Graviton?" Gravitacional" Sistema Solar" Galaxias! Buracos Negros" " " " Decaimento! do Nêutron! Radioatividade Beta! Interação dos Neutrinos! " Fraca" Bosons W e Z

21 Algumas Questões em Aberto Matéria X An'matéria Apesar de terem sido criadas em igual quan'dade no início do universo, porque existe pra'camente apenas matéria atualmente? Origem da Massa Seria possível compreender de forma mais profunda a origem da massa de todas as parbculas? Seria realmente o mecanismo de Higgs o responsável por essa massa? Matéria Escura Há evidências de que uma forma invisível de matéria domina a matéria observada nas galáxias e clusters. Seria cons'tuída de um novo 'po de parbculas? Universo em Aceleração (Energia Escura) A expansão do Universo parece estar acelerando. Exis'ra uma nova interação ou dimensões extras do espaço?

22 Parte 2 Um pouco de história: Descobertas do úl'mo século

23 O Elétron e o Núcleo Atômico Becquerel (1896) Evidência da radioa'vidade espontânea no decaimento do urânio. Thomson (1897) Descoberta do elétron nos raios catódicos Einstein (1905) Explica efeito foto- elétrico como manifestação do caráter corpuscular da interação eletromagné'ca (fóton) Rutherford (1919) Descoberta do próton, cons'tuinte do núcleo (alfa + Átomo à p + X) Compton (1923) Mede o comprimento de onda de fótons espalhados Chadwick (1932) Descoberta do nêutron Anderson (1936) Descoberta do pósitron

24 Raios Cósmicos Maior energia do que a radiação alfa Menor controle da produção e detecção das parbculas 1947: Descoberta do píon Lafes, Occhialini e Powell π 10th Interna'onal Masterclasses 2014

25 Ω π γ µ ν τ ρ η Φ ψ χ Δ 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 Década de 50

26 Modelo a Quarks 1961 Gell- Mann, Nishijima, Zweig q Modelo a quarks o Quarks u, d, s 1964 Greenberg q Introdução da carga de cor

27 Simetria e Sub- estrutura Hadrônica Mesons: Quark- An'quark Barions: Quark- Quark- Quark

28 Grandes Avanços Teóricos nos 60 e Salam e Ward: q Invenção do princípio de gauge como base para a construção de teorias de campos quân'ca para campos fundamentais interagentes. Glashow: q Introdução do bóson vetorial intermediário neutro Z Weinberg: q Formulação do hoje chamado Modelo Padrão das Interações eletromagné'cas e fracas 1973 Gross, Politzer e Wilczek: q Formulação da Cromodinâmica Quân'ca para as Interações fortes

29 Corrente Neutra 1972 Colaboração Gargamelle (Hasert et al.) Descoberta da Corrente Neutra Predita pelo Modelo Padrão 10th Interna'onal Masterclasses 2014

30 Uma Revolução em Novembro AGS (próton em alvo fixo no BNL) Descoberta do J (12/11/1974) SPEAR (e+e- no SLAC) Descoberta do ψ (13/11/1974) Quark Charm é descoberto! Predito teoricamente em 1970

31 Um Novo Lépton 1975 Colaboração Mark I SLAC), Perl et al. Observação! e+ e µ + µ + X com M Inv =1,8!GeV Sugere a existência de 2 novos quarks e + ν τ ν e τ + τ - ν τ ν μ μ -??

32 Três Anos Depois Fermilab q Próton- Nucleon a 400 GeV Descoberta do Υ q Quark Bofom + An'- Bofom q Pares de Múon com M Inv = 9.5 GeV

33 Descoberta do W e Z W 1983 Colisões próton- an'próton no SppS do CERN q q MW = 80 GeV MZ = 91 GeV Conforme preditos pelo Modelo Padrão em th Interna'onal Masterclasses 2014 p + p W ( + ν) + X Z p + p Z( + + ) + X

34 O Quark Top 1995 Colaborações CDF e DØ Colisões próton- an'próton a 1,8 TeV M Top = 180 GeV p + p t(b +W + jatos) + t (b +W ν) E

35 Medidas Precisas Década de 90 e + + e Z( q q, +, νν) Colaborações q ALEPH, DELPHI, L3 e OPAL Large Electron Positron (LEP) Collider, CERN Medidas precisas das propriedades do bóson Z

36 LEP II Produção de Pares W+W- e + + e W + +W q q ν

37 Bóson de Higgs: O Grande Desafio 2012 Colaborações Atlas e CMS (CERN)

38 Fim da parte 1