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Instrumentação para a Física de Partículas e Altas Energias Jun Takahashi IFGW-UNICAMP Jun Takahashi IFGW-UNICAMP VI Escola do CBPF.

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1 Instrumentação para a Física de Partículas e Altas Energias Jun Takahashi IFGW-UNICAMP Jun Takahashi IFGW-UNICAMP VI Escola do CBPF

2 2 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Objetivo Geral do Curso O objetivo deste curso é dar uma noção geral sobre os principais tipos de detectores utilizados na física de partículas e na física nuclear, sobre os métodos de análise de dados e sobre os principais experimentos atuais desta área.

3 3 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Índice: Aula 01: Revisão sobre a Física de Partículas e noções básicas sobre aceleradores. Aula 02: Radiações e interação da radiação com a matéria. Princípios gerais de detecção e um resumo sobre os principais tipos de detectores. Aula 03: Detectores a gás, detectores semicondutores, e cintiladores. Aula 04: Métodos de análise de dados, estatística, tracking, Vértices Secundários, PID e trigger. Aula 05: Os experimentos do RHIC e do LHC. Experimentos de neutrinos e o observatório Auger. Aplicações de detectores em outras áreas.

4 4 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Bibliografia do Curso Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments W.R. Leo, Springer-Verlag Radiation Detection and Measurements Glenn F. Knoll Materiais e Dispositivos Eletrônicos, Sérgio M. Resende, Editora livraria da Física Nuclear Instruments and Methods Particle Data Book WWW

5 5 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Física de Partículas e Altas Energias A física de partículas é o ramo da física que estuda os constituintes elementares da matéria e da radiação, e a interação entre eles. A física de partículas busca o fundamental, o nível mais básico da matéria e da natureza. Winkipédia

6 Do que todas as coisas são feitas? Do que é feita a matéria? 1808: Modelo atômico de John Dalton 1895: Descoberta de raios X por Röntgen (PN 1901) 1896: Descoberta da radioatividade por Becquerel (PN 1903) 1897: Descoberta da primeira partículas subatômica, o elétron por JJ Thomson (PN 1906) e=1,60217× C 1911: O experimento de Rutherford e o modelo nuclear para o átomo. 1913: A mecânica quântica e o átomo de Bohr (PN 1922)

7 7 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 O átomo Mas será que os prótons, elétrons e nêutrons são as partículas mais fundamentais?

8 A era da física de partículas 1905: Einstein, E=mc : Dirac postula a existência de anti-matéira. 1935: Yukawa propõe a existência de píons. PN:1949 Hideki Yukawa 1932: Ernest Lawrence realiza a primeira reação nuclear usando um acelerador. PN:1939 E. Lawrence 1932: Anderson descobre o pósitron em raios cósmicos. PN:1936 D. Anderson Medida do pósitron efetuado por Anderson em uma cloud chamber 1937: Anderson descobre o múon que ele acha ser o méson de Yukawa. PN:1921 A. Eistein

9 A descoberta do méson-π Lattes, Ochialini e Powel descobrem o méson-π e identificam a radiação de Anderson como sendo o méson-muon (1947); Mais tarde, constatou-se que se tratava da reação: + PN:1950

10 Who ordered that? O méson- parecia ser a partícula de Yukawa; Com isso, fechava-se a teoria atômica; Porém, o méson- era um filho indesejado (segundo Gell-Mann) que abria um novo mistério a ser resolvido; Na década de 1950, novos aceleradores de partículas (p+p, e+e) cada vez mais potentes começam a funcionar e não tardou para novas partículas surgirem e complicarem a situação… Isidor I. Rabi

11 11 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Começa a surgir um zoológico de partículas !! Young man, if I could remember the names of these particles, I would have been a botanist E. Fermi V 1 0 p V + p 0 O que são todas essas partículas? Elas são partículas elementares? Ou serão compostas de partículas mais fundamentais? PN:1938 E. Fermi

12 A solução vem da simetria e do modelo de quarks PN: : Gell-Mann e Zweig e Yuval Neeman propõe o modelo de quarks

13 13 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 S 0 -2 S A primeira comprovação do modelo de quarks vem de forma estranha, ou melhor, na estranheza.

14 14 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 A última peça de estranheza: - (1964)

15 15 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 As comprovações do modelo padrão continuam 1995 – Comprovação da existência do quark Top nos experimentos CDF e D0) do Fermilab Hipótese da existência do quark charm postulado por Sheldom Glashow, Lliopoulos e Maiani Descoberta da partícula J/ : confirmação da existência do charm 1964 – O – é medido no laboratório de Brookhaven, validando o modelo das partículas estranhas. PN:1976 Burton Richter, Samuel C.C. Ting 1953 – Hipótese de um novo número quântico: a estranheza.

16 16 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Interações entre partículas: A 5 a Força de Interação ? Seria a interação de Higgs Mediada pelo Boson de Higgs. Esta interação seria responsável pela formação da massa das partículas. O Bóson de Higgs ainda não foi observado experimentalmente, mas Modelos prevêem que teria massa bem acima de 80 GeV/c 2. PN:1979 S.Lee Glashow,A.Salam Steven Weinberg PN:1984 S.van der Meer, C. Rubbia

17 17 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 O Modelo Padrão É a teoria que descreve as partículas elementares que compõe o universo, as interações entre elas e as leis de simetria existentes. 2 tipos de partículas elementares: Férmions (spin ½). Quarks/ Anti-Quarks Léptons Bósons (spin 1). 5 tipos de interação: Forte. Fraca Eletromagnética Gravitacional Higgs. Partículas estáveis: Bárions/Anti-bárions. Mésons. Léptons.

18 Evolução do Universo Estado inicial de densidade de energia extrema Série de transições de fase previstas pelo modelo padrão. Estado Inicial: Quark Glúons Plasma Sopa de quarks e glúons livres, universo ainda quente de mais para o acoplamento dos mesmos. Gás de Hádrons: Prótons e nêutrons livres, universo ainda quente para formação de núcleos. Nucleossíntese primordial, até He. Expansão e Resfriamento Plasma EM: Universo ainda quente para o acoplamento dos elétrons com os núcleos para formar átomos e moléculas. Universo hoje (2.7 K) Características Globais do nosso universo hoje está ligado às propriedades destas transições de fase.

19 PREVISÕES da QCD: - Desconfinamento (T c ~170 MeV) -restauração da simetria quiral num QGP Questões Fundamentais do Modêlo Padrão - Transição de fase - simetrias da natureza - origem das massas no Universo ASTROFÍSICA NUCLEAR nucleossíntese processos violentos limites da matéria nuclear

20 20 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Física Experimental de Partículas e Altas Energias Teste do modelo Padrão Além do modelo Padrão Estrutura do nucleon. Espectroscopia hadrônica Violação de CP Higgs Neutrinos Quark-Gluon Plasma

21 21 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Aceleradores O que fazem? Produzem feixes de partículas carregadas (elétrons, Prótons e nucleos) com energias desde alguns keV a TeV que são então arremessados contra um alvo gerando colisões nucleares. Para que servem? Para investigar estruturas subatômicas dos núcleos e nucleons. Da dualidade onda-partícula temos que = h/p, assim quanto maior o momento das partículas menor é o comprimento de onda e portanto menor é tamanho mínimo da estrutura a ser enxergada. Para gerar novas partículas e novos estados da matéria. A energia cinética das partículas aceleradas pode ser convertida em energia de ligação para criar núcleos mais pesados ou mesmo novas partículas (E=mc 2 ).

22 22 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Por que usar aceleradores?

23 23 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Aceleradores: super-microscópios

24 24 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Principais tipos de aceleradores Aceleradores e Colliders Próton + Próton (Tevatron, LHC) Elétron + Pósitron (SLAC, CESR) Elétron + Próton (LEP, HERA, KEK) Núcleo + Núcleo (RHIC, LHC) Raios Cósmicos Auger, HiRes, AGASA Neutrinos Extra-terrestres Terrestres (reatores / aceleradores)

25 25 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Como Funcionam os Aceleradores Fonte de íons Cavidade de Aceleração Área Experimental Elementos ópticos Controle e Aquisição de dados

26 26 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Tipos de Aceleradores Aceleradores Eletrostáticos: O mais simples dos aceleradores, que utiliza o campo elétrostático gerado por uma diferença de potencial para acelerar partículas carregadas. F=qE, E=V/d, Energia=qV. Exemplos: Gerador Van de Graaff, Tandems e Pelletrons. Limite: MeV para protons. e- 0V1V

27 27 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Pelletrons 0V Tensão Terminal Partic. Pos. Stripper Partic. Neg.

28 28 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Cyclotrons e Betatrons Devido à dificuldade de manter altas tensões, Ernest Lawrence sugeriu utilizar um campo magnético para curvar a trajetória das partículas e variar a polaridade do campo Elétrico para a cada semi-rotação das partículas, estas sejam aceleradas gradativamente.

29 29 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Partículas são aceleradas por campos eletro-magnéticos gerados em cavidades ressonantes de alta freqüência. Electron Linacs. Stanford 3 Km que produz elétrons de até 20 GeV. Proton Linacs. Los Alamos tem um Linac de prótons de até 800 MeV. Heavy Nucleus Linacs. LAFN-IF/USP Electron Linacs. Stanford 3 Km que produz elétrons de até 20 GeV. Proton Linacs. Los Alamos tem um Linac de prótons de até 800 MeV. Heavy Nucleus Linacs. LAFN-IF/USP Aceleradores Lineares (Linacs)

30 30 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Partículas são aceleradas em cavidades rf como no caso dos Linacs, porém, o feixe é mantido em uma trajetória circular de forma que as partículas sofram aumento de energia a cada volta. Dipolos magnéticos são utilizados para curvar o feixe de partículas e quadrupolos são utilizados para manter o mesmo colimado. Synchrotrons podem acelerar elétrons, prótons e nucleos mais pesados. Synchrotrons de elétrons emitem grande quantidade de fótons de baixo comprimento de onda, conhecido como radiação de luz sínchroton. LNLS em Campinas SP Synchrotrons

31 31 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 O preço que se paga para trabalhar no referencial do laboratório é muito grande. Experimentos de alvo fixo perdem muita energia devido ao movimento do centro de massa. No caso de colliders, com feixes de mesma massa, o CM é fixo, e toda energia dos feixes é convertido para a reação. Por exemplo, a colisão de 2 feixes de prótons a 21.6 GeV corresponde a um experimento de alvo fixo com feixe de 1 TeV. Colliders

32 32 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Se utiliza de todas as tecnologias para acelerar as partículas. Super Colliders: RHIC

33 RHIC Tour

34 34 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Large Hadron Collider

35 35 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Pb+Pb collision at 1200 TeV ~ 0.2 mJ ~ 0.2 mJ

36 36 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Partículas com altas energias oriundas do espaço são medidas na atmosfera terrestre. Em 1991, um observatório de raios cósmicos no Utah, USA, mediu uma partícula de 3.2×10 20 eV. A teoria mais aceita de como estas partículas são aceleradas é através do processo conhecido como aceleração de Fermi, onde partículas ganham energia através de interações sucessivas com plasmas magnéticos. Outros possíveis aceleradores: Supernovas. Pulsares. Colisão entre galáxias. Evaporação de mini-buracos negros. Dobras do Espaço Tempo. Aceleradores Cósmicos

37 37 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Alguns dos principais aceleradores BNL (NY) Collider com 2 feixes de núcleos variados (Au) com colisões de até 40 TeV. Em 1974 efetuou se a descoberta do quark charm com a medida da partícula J/ juntamente com SLAC. FERMILAB Collider com 2 feixes de prótons e antiprótons onde se descobriram os quarks top, bottom e o neutrino tau. SLAC Acelerador linear que acelera elétrons e pósitrons para variadas aplicações. Participou da descoberta do quark charm e também do lépton tau. CERN LHC: Large Hadrons Collider. LEP: Large Electron-Positron Collider. SpS: Super Próton Síncrotron. Descoberta dos bósons W e Z e onde iniciou a Internet. DESY Dois aceleradores: HERA e PETRA que colidem elétrons com prótons. No PETRA foi confirmado a existência do Glúon. KEK Síncrotron de prótons e de elétrons. Com larga produção de B- mésons. Em conjunto com o Super Kamiokande, investigam a massa do neutrino. LNLS Laboratório Nacional de Luz Síncrotron em Campinas com energia de operação de 1.37 GeV. LAFN Laboratório Aberto de Física Nuclear- IF/USP. Tandem de 8MeV + Linac. Importantes estudos nas áreas de física nuclear de baixa e média energia.

38 38 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Colliders e + e -

39 39 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, de Julho de 2006 Colliders: pp, ep, AA

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