Introdução à Física de Altas Energias São Paulo Regional Analysis Center
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
Uma Visão Geral das Partículas e suas Interações São Paulo Regional Analysis Center
Do que é feito o Universo China Antiga "Teoria dos 5 Elementos : metal, madeira, água, fogo e terra constituiriam toda a matéria do universo. 5.000 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
Do que é feito o Universo? Empédocles (490-430 430 AC) Modelo simples e econômico Pena que esteja errado! Mendeleiev (1834-1907) 1907) Está correto Pena que seja muito complicado Partículas Elementares (Sec. XX) Simples Correto (até o momento) 5
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Do Átomo aos Quarks 10-9 7
Férmions: Léptons Sabor Neutrino do Elétron Massa (Gev) Carga < 2,2 x 10-9 0 Elétron 0,000511-1 Neutrino do Múon < 170 x 10-6 0 Múon 0,106-1 Neutrino do Tau < 15,5 x 10-3 0 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 1,777-1 8
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
Massas u d s c t b p 10
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
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 10-41 10-4 1 60 Alcance Infinito 10-18 m Infinito 10-15 m q' q' g g 16 g g 12
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 0 0 13
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
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
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
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 2,980 0 17
Alcance e Intensidade λ =h/p T t -1/2 10-10 m 10 ev > 300.000 anos 1900... Mecânica Quântica Física Atômica 10-15 m MeV-GeV 3 min 1940-50 Electrodinâmica Quântica 1950-65 Núcleos, Hadrons Simetrias, Teoria de Campos 10-16 m >> GeV 10-6 seg 1965-75 Quarks, Teorias de Gauge Z 10-18 m 100 GeV 10-10 seg 1970-83 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 10-19 m 10 3 GeV 10-12 seg 2008 LHC Higgs, Supersimetria 10-32 m 10 16 GeV 10-32 seg Decaimento proton Lab Subterrâneos Grand Unified Theories? Origem Universo 10-35 m 10 19 GeV 10-43 seg?? Gravitação Quântica Superstrings 18
História do Universo 19
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, 1970-83 ) Explorar distâncias cada vez menores revela simetrias cada vez mais profundas Descrição unificada das interações? 20
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