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1 Gilvan A. Alves Lafex/CBPF O que é o Universo das Partículas A Eterna Busca da Unidade.

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1 1 Gilvan A. Alves Lafex/CBPF O que é o Universo das Partículas A Eterna Busca da Unidade

2 Gilvan A. Alves Do que o mundo é feito?? Empédocles (450 AC) 4 Elementos e Éter Leucipo (Demócrito – 400AC) Átomos e Vazio O Objetivo da Física de Partículas

3 Gilvan A. Alves Platão e Aristóteles (350 BC) Rejeitam o atomismo Vazio não natural Adotam o pluralismo Elementos Sólidos regulares Domina o pensamento até o fim da idade média Galileu Galilei (1600) Método científico Experimentos quantitativos Análise matemática Contesta Aristóteles Atomismo (parcialmente)

4 Gilvan A. Alves John Dalton (1808) Estabelece as Bases da Teoria Atômica Moderna Síntese dos Experimentos Lavoisier Conservação das Massas Proust Lei das proporções definidas Os elementos são constituídos de átomos Os átomos não podem ser criados ou destruídos Átomos de diversos elementos podem se combinar em substâncias compostas Dmitri Mendeleyev (1869) Criou a 1ª Tabela Periódica Previu a existência de novos elementos

5 Gilvan A. Alves Problemas, problemas... Dezenas de Átomos Estados excitados J.J.Thompson (1897) Início da Física de Partículas Descoberta do elétron Modelo de Thompson Ernest Rutherford (1911) Modelo nuclear Mais problemas irradiação Niels Bohr (1913) Modelo pré-quântico

6 Gilvan A. Alves Problemas (de novo) – Estabilidade nuclear Magnitude das Interações Fundamentais EM x Gravitacional k e 2 /R x G m 2 /R 1 x !! Nova força (interação forte) Curto alcance – restrita a escala nuclear O que determina o alcance de uma força??? TQC – Interação troca de mensageiro Massa do mensageiro alcance E t = mc 2 Rv -1 ~ ħ E t = mc 2 Rv -1 ~ ħ R m m 200 m e - Potencial de Yukawa Rutherford (1918) e Chadwick (1932) prótons e nêutrons Partículas Elementares – novos átomos p, n, e -, espalhamento Compton breve simplicidade Anderson (1932) – pósitron (e + ) Dirac

7 Gilvan A. Alves – 1947 procura pelo méson de Yukawa em Raios Cósmicos A grande pegadinha da natureza 1937 – Anderson méson ~ 200 m e – raios cósmicos 1945 – Conversi, Pancini & Piccioni – Interação fraca s !! 1946 – Perkins – dois tipos de mésons

8 Gilvan A. Alves Lattes, Occhialini & Powell decaimento (Anderson) == elétron pesado Who ordered that?? I.I.Rabi Falta alguma coisa... + ? W. Pauli (1930) Decaimento beta partícula neutra (neutrino - ) Seria a mesma partícula?? Frederick Reines & Clyde Cowan (1956) 1ª observação direta + p n + e + Leon Lederman (1962) μ e

9 Gilvan A. Alves ( ) Partículas estranhas (mesmo) Produzidas em pares Vida média extremamente elevada K ( s) ( s) Uma família de partículas estranhas K 0, K +, K -,, +, +, -, -,... Abraham Pais & Murray Gell-Mann (1953) novo número quântico – s Conservado pela Interação forte Produção em pares Partículas estranhas decaem via Interação fraca (decaimento beta) Vida média

10 Gilvan A. Alves (1960) Física de Partículas está uma enorme confusão Centenas de partículas bárions, mésons, léptons,... Nenhuma ordem aparente Murray Gell-Mann & Yuval Neeman (1961) regra do octeto (simetria SU(3)) classificação das partículas – Q, S, J nova tabela periódica prevê a existência de novas partículas ( - )

11 Gilvan A. Alves O sucesso da regra do octeto levanta novamente a questão São essas partículas elementares? Young man, if I could remember the names of these particles, I would have been a botanist E. Fermi Kazuhiko Nishijima, Murray Gell-Mann & George Zweig (1964) Hádrons compostos por férmions (spin ½ ) fundamentais (quarks) Three quarks for Muster Mark – Finnegans Wake (James Joyce) Bárions três quarks Mésons quark-antiquark

12 Gilvan A. Alves Mais Problemas (não tem fim) Não se observam quarks livres quarks tem carga fracionária Violam o princípio de Pauli?? - (s s s) - (d d d), ++ (u u u) Até hoje não foram observados quarks livres ou carga fracionária Oscar Greenberg (1964) quarks tem um novo nº quântico (cor) três cores fundamentais (R, G, B) partículas observáveis não tem cor confinamento - (s s s) Socorro!!

13 Gilvan A. Alves (1969) espalhamento e - p a altas energias Rutherford partons = quarks?? + e-e- e-e-

14 Gilvan A. Alves (1974) Descoberta de uma partícula com propriedades incomuns Revolução de Novembro Samuel Ting (Brookhaven) pp e + e - Burton Richards (SLAC) e + e - pp

15 Gilvan A. Alves propriedades incomuns Massa elevada 3.1 GeV (próton 1 GeV) Vida média elevada ( 1000x) Semelhante as partículas estranhas Novo número quântico – c (charme) Proposto por Glashow, Iliopoulus & Maiani (1970) simetria quarks léptons u e d s e Anomalias no decaimento K 0 + -

16 Gilvan A. Alves O maior problema foi achar um nome... Ting – méson J Richter – méson ψ no fim – méson J/ψ Novas partículas contendo charme (1975) Mas antes outra pegadinha Descoberta do lépton (1975) u c ? e d s ? e 1977 – Lederman et al – DØ & CDF top quark

17 Gilvan A. Alves

18 Gilvan A. Alves Vitórias do Modelo Padrão Impressionante acordo com dezenas de medidas experimentais Incluindo a massa do top Produção de quarks pesados Jatos Assimetrias W, Z...

19 Gilvan A. Alves Problemas Simetria Interna (calibre): previne anomalias Qualquer massa quebra a simetria SU(3) C x SU(2) L x U(1) Y CDQ Eletrofraca Quebra espontânea EDQ + Fraca Mecanismo de Higgs Solução mais econômica V( ) = 2 2 /2 + 4 /4 (vev0) Um único escalar com massa = 2 v Termos de massa para W ±, Z ( v) Interação com férmions massa ( v) Mas...

20 Gilvan A. Alves Artificial: forma do potencial, acoplamento, etc. Massas não determinadas. Massa do Higgs < 1 TeV para evitar anomalias Higgs Violação da unitaridade ~ E 2 Restaura a unitaridade

21 Gilvan A. Alves Massa do Higgs sofre correções por sua interação m H < 1TeV exige ajuste preciso (artificial) GeV Problema da hierarquia

22 Gilvan A. Alves Vejamos um exemplo Peça a 10 amigos para escolherem um número irracional no intervalo [ -1, 1] Some os 10 números Qual a probabilidade da soma ser menor que ? Extremamente pequena a menos que eles tenham combinado O mesmo se aplica ao cancelamento das correções radiativas à massa do Higgs. Não pode ser pura sorte...

23 Gilvan A. Alves Existem mais Problemas Matéria=Antimatéria Matéria ! Violação de CP não é suficiente

24 Gilvan A. Alves Matéria Escura Não é compatível com partículas ordinárias Supersimétricas??

25 Gilvan A. Alves Como resolver esse dilema??? Supersimetria Perfeita simetria férmions e bósons cancelamento Novas partículas m H 2 ~~ M Pl 2 m H 2 ~ ~ - M Pl 2 bóson férmion

26 Gilvan A. Alves Dimensões extras Motivação - Supercordas Gravitação D.E. Escala de unificação == Eletrofraca Muitos modelos Muitos efeitos Ressonâncias KK Cordas Gráviton Mini-buracos negros Energia perdida...

27 Gilvan A. Alves Parece confuso?? Qual a solução?? Estudar a escala de energia TeV LHC

28 Gilvan A. Alves O LHC (Large Hadron Collider) Large 27 km de circunferência Hadron prótons ions Collider ~ 7 x mais energia ~ 100 x mais luminosidade Comparado ao Tevatron Próton - Próton a s = 14 TeV Luminosidade ~ ~100 fb -1 / expt / Ano

29 Gilvan A. Alves

30 Gilvan A. Alves Porque O LHC é Importante? Escala de energia quebra de simetria 1TeV Higgs ou outro mecanismo Massa do Higgs 1TeV Unitaridade Outro processo cancela anomalias Partículas Supersimétricas Massas TeV h ? Estudo sistemático da violação de CP Potenciais candidatos a Matéria Escura Buracos negros, dimensões extras….

31 Gilvan A. Alves Detectores Gerais ATLAS Semelhanças: 1- Det. Posição 2- Calorímetros 3- Câmaras de Muon Diferenças: Tamanho : CMS compacto Campo Magnético ATLAS tem um toróide Calorímetro Eletromagnético: CMS cristais. ATLAS Argônio Liquido Det. De posição externos CMS silício. ATLAS câmara a fios

32 Gilvan A. Alves LHCb Detector assimétrico para a física de mesons B Violação de CP Desenhado para estudar colisões de ions pesados (e.g. Pb-Pb ou Au-Au) Produção de um novo estado da matéria – o plasma de quarks-gluons Quarks não mais confinados no interior de hádrons sem cor ALICE Detectores Especializados

33 Gilvan A. Alves Calorímetros Solenoide supercondutor 180 instituições 38 países 2000 físicos Peso: t Diâmetro: 15m Comprimento: 22m Campo magnético: 4T

34 Gilvan A. Alves

35 Gilvan A. Alves Calorímetro EM instalado em Junho/08 Detectores de Múons Calorímetro Hadrônico Detectores de Pixel instalados Detectores de Silício

36 Gilvan A. Alves Retorno na operação do LHC –Baixa energia (5 TeV) –Baixa luminosidade cm -2 s -1 –Primeiras colisões Calibração dos detectores –Partículas do Modelo Padrão W, Z (resolução p/massa) Top, B, etc. (resolução de posição, vértices) –Energia perdida, Jatos Início da Procura pelo Higgs Partículas Supersimétricas Estudo sistemático da violação de CP Potenciais candidatos a Matéria Escura Buracos negros, dimensões extras….

37 Gilvan A. Alves Estratégia de Procura M H < 140 GeV 130 ~500 GeV

38 Gilvan A. Alves Potencial de Descoberta no LHC Squarks, Gluinos Massas entre fb -1

39 Gilvan A. Alves Dimensões Extras Gravitação Forte Produção de Grávitons Ressonâncias BN …

40 Gilvan A. Alves Mini buraco negro no LHC Eventos mais isotrópicos: Muitos Fótons, Jatos, etc. Decaimento ~ s Os Detectores o Mundo estão a salvo

41 Gilvan A. Alves Estamos vivendo uma época maravilhosa Grandes descobertas foram feitas O Modelo Padrão é uma façanha impressionante Muitas questões ainda em aberto Soluções Estas questões levaram a um grande desenvolvimento teórico e experimental LHC O LHC representa a nossa melhor ferramenta experimental para atacar estes problemas A era de especulação está acabando: O LHC dará seu veredicto


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