Introdução Altas Energias

Transcrição

1 Introdução à Física de Altas Energias São Paulo Regional Analysis Center

2 Programa Introdução Uma visão geral das partículas e suas interações Aceleradores e Detectores Como explorar o interior da matéria Base Experimental da Física F de Altas Energias Do experimento à teoria com o aval da Natureza Aspectos Gerais do Modelo Padrão Um pouco de teoria Desafios para o Futuro A evolução da área e benefícios secundários 2

3 Uma Visão Geral das Partículas e suas Interações São Paulo Regional Analysis Center

4 Do que é feito o Universo China Antiga "Teoria dos 5 Elementos : metal, madeira, água, fogo e terra constituiriam toda a matéria do universo anos atrás (reino de Huang Di) Citados no livro Shang Shu ou Shu Jing ( O Livro de História), um dos 6 clássicos compilados por Confúcio. Descrição via cinco elementos anterior à criação dos caracteres da escrita chinesa. Antiga mas não corresponde à realidade! 4

5 Do que é feito o Universo? Empédocles ( AC) Modelo simples e econômico Pena que esteja errado! Mendeleiev ( ) 1907) Está correto Pena que seja muito complicado Partículas Elementares (Sec. XX) Simples Correto (até o momento) 5

6 6

7 Do Átomo aos Quarks

8 Férmions: Léptons Sabor Neutrino do Elétron Massa (Gev) Carga < 2,2 x Elétron 0, Neutrino do Múon < 170 x Múon 0,106-1 Neutrino do Tau < 15,5 x Elétron: 1897 Thomson Múon: 1937 Neddermeyrer, Anderson Tau: 1975 Perl Neutrino do Elétron 1956 Cowan,, Reines Neutrino do Múon 1962 Lederman Neutrino do Tau 2000 DONUT Collab., Fermilab Tau 1,

9 Férmions: Quarks Up, Down, Strange 1964 Gell Mann Sabor Massa (Gev) Carga Up 0,002 2/3 Down ~ 0,005-1/3 Charm 1,3 2/3 Strange ~ 0,1-1/3 Charm 1974 Ting, Richter Bottom 1977 Herb et al. Top 1995 CDF, DØD Top 173 2/3 Bottom 4,2-1/3 9

10 Massas u d s c t b p 10

11 Famílias Os diferentes sabores aparecem em famílias 2 Léptons / Família 2 Quarks / Família Anti-part partículas: Mesma massa e spin Carga, sabor, cor opostas Por que 3 Famílias? Somente a primeira seria suficiente p (uud( uud) ) + n (udd( udd) ) + e = matéria usual 11

12 Propriedades Gravitacional Fraca Eletromagnética Forte Atua em Massa e Energia Sabor Carga Elétrica Carga de Cor Interações Partículas que sentem Partículas Intermediárias Intensidade a ~10-17 m Eletromagnética e + e - γ e + e + γ e - e - q q u d Todas Eletrofraca Carregado W e - ν e e e - ν e u W d Fraca e + Quarks e Léptons Neutro - Z o e + e + Z o e - e - e + e - Partículas Carregadas q q' q q g q q' g g Forte g g g g Quarks e Glúons Gráviton (?) W + Z 0 W - γ Glúons Alcance Infinito m Infinito m q' q' g g 16 g g 12

13 Bósons Intermediários rios Fóton 1923 Compton W e Z 1983 UA1 e UA2 Collab.. (CERN) Glúon 1979 MARKJ/TASSO/PLUTO/JADE (Desy( Desy) Sabor Massa (Gev) Carga Fóton 0 0 W + 80,39 1 Z 0 91,19 0 W - 80,39-1 Glúon

14 Resumo: Partículas e Interações Léptons Forte Eletromagnética Tau Carga Elétrica -1 0 Tau Neutrino Glúons (8) Fóton Muon -1 0 Muon Neutrino Quarks Elétron -1 0 Elétron Neutrino Mesons Barions Núcleo Átomos Luz Química Eletrônica Quarks Gravitacional Fraca Bottom Carga Elétrica -1/3 2/3 Top Gráviton? Bósons (W,Z) Strange -1/3 2/3 Charm Down -1/3 2/3 Up cada quark: R, B, G 3 cores Sistema Solar Galaxias Buracos Negros Decaimento do Nêutron Radioatividade Beta Interação dos Neutrinos Brilho do Sol 14

15 Modelo a Quarks Murray Gell-Mann e George Zweig Introduziram o modelo a quarks: Bárions (próton, nêutron,, etc) e mésons (píon, kaon,, etc) seriam compostos de partículas mais fundamentais, os quarks. Haveria 3 sabores de quarks: up, down e strange. Os quarks teriam spin ½ e carga 2/3, -1/3 e -1/3. Bárions seriam compostos de 3 quarks: próton = u + u + d nêutron = u + d + d Mésons seriam compostos de um par quark-antiquark antiquark píon = ū + d 15

16 Bárions: : Férmions F Compostos (qqq( qqq) Nome Quarks Carga Massa (Gev) Spin p próton uud +1 0,938 1/2 p antipróton uud 1 0,938 1/2 n nêutron udd 0 0,940 1/2 Λ lambda uds 0 1,116 1/2 Ω ômega sss 1 1,672 3/2 16

17 Mésons: : Bósons B Compostos (qq( qq) Nome Quarks Carga Massa (Gev) Spin π + píon ud +1 0,140 0 K káon su 1 0,494 0 ρ + rô ud +1 0,776 1 B 0 B-zero db 0 5,279 0 η c eta-c cc 0 2,

18 Alcance e Intensidade λ =h/p T t -1/ m 10 ev > anos Mecânica Quântica Física Atômica m MeV-GeV 3 min Electrodinâmica Quântica Núcleos, Hadrons Simetrias, Teoria de Campos m >> GeV 10-6 seg Quarks, Teorias de Gauge Z m 100 GeV seg SPS Unificação Eletrofraca, QCD 6 Leptons 6 Quarks 3 "Cores" ν e ν µ e µ u d c s ν τ τ t b 1990 LEP 3 famílias 1994 Tevatron Quark top Origem das massas m 10 3 GeV seg 2008 LHC Higgs, Supersimetria m GeV seg Decaimento proton Lab Subterrâneos Grand Unified Theories? Origem Universo m GeV seg?? Gravitação Quântica Superstrings 18

19 História do Universo 19

20 Unificando as Forças Mecânica Terrestre Mecânica Celeste Gravitação Universal Inércia e Massa Gravitacional (Newton, 1687 ) + Eletricidade Eletromagnetismo N S Magnetismo Ondas Eletromagnéticas (fóton) (Maxwell, 1860 ) γ γ Eletromagnetismo Eletrofraca ν e n e - p Força Fraca Bosons Intermediários W, Z (Salam, Glashow, Weinberg, ) Explorar distâncias cada vez menores revela simetrias cada vez mais profundas Descrição unificada das interações? 20

21 Algumas Questões Ainda Não Resolvidas Matéria X Antimatéria Apesar de terem sido criadas em igual quantidade no início do universo, porque vemos praticamente apenas matéria atualmente? Origem da Massa Seria possível compreender de forma mais profunda a origem da massa de todas as partículas? Seria realmente o mecanismo de Higgs o responsável por essa massa? Matéria Escura Uma forma invisível vel de matéria domina a matéria observada nas galáxias e clusters. Seria constituída de um novo tipo de partículas? Universo em Aceleração (Energia Escura) A expansão do Universo parece estar acelerando. Existira uma nova interação ou dimensões extras do espaço? 21