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

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.”

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.

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

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

Do que todas as coisas são feitas? Do que é feita a matéria? Do que todas as coisas são feitas? 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) 1911: O experimento de Rutherford e o modelo nuclear para o átomo. e=1,60217×10-19 C 1913: A mecânica quântica e o átomo de Bohr (PN 1922)

O átomo Mas será que os prótons, elétrons e nêutrons são as partículas mais fundamentais?

A era da física de partículas 1905: Einstein, E=mc2 1930: Dirac postula a existência de anti-matéira. 1935: Yukawa propõe a existência de píons. 1932: Ernest Lawrence realiza a primeira reação nuclear usando um acelerador. 1932: Anderson descobre o pósitron em raios cósmicos. 1937: Anderson descobre o múon que ele acha ser o méson de Yukawa. Medida do pósitron efetuado por Anderson em uma cloud chamber PN:1921 A. Eistein PN:1949 Hideki Yukawa PN:1939 E. Lawrence PN:1936 D. Anderson

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

“Who ordered that?” O méson- parecia ser a partícula de Yukawa; Isidor I. Rabi 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…

Começa a surgir um “zoológico” de partículas !!   + + - V10  p - 0  + -   + 0   + 0 V+  p 0 “Young man, if I could remember the names of these particles, I would have been a botanist” E. Fermi PN:1938 E. Fermi O que são todas essas partículas? Elas são partículas elementares? Ou serão compostas de partículas mais fundamentais?

A solução vem da simetria e do modelo de quarks 1964: Gell-Mann e Zweig e Yuval Ne’eman propõe o modelo de quarks PN:1969

A primeira comprovação do modelo de quarks vem de forma estranha, ou melhor, na estranheza. -1 -2 S +1 -1

A última peça de “estranheza”: - (1964)

As comprovações do modelo padrão continuam 1953 – Hipótese de um novo número quântico: a “estranheza”. 1964 – O Ω– é medido no laboratório de Brookhaven, validando o modelo das partículas estranhas. 1970 - Hipótese da existência do quark “charm” postulado por Sheldom Glashow, Lliopoulos e Maiani. 1974 - Descoberta da partícula J/: confirmação da existência do “charm” 1995 – Comprovação da existência do quark “Top” nos experimentos CDF e D0) do Fermilab PN:1976 Burton Richter, Samuel C.C. Ting

Interações entre partículas: PN:1979 S.Lee Glashow,A.Salam Steven Weinberg PN:1984 S.van der Meer, C. Rubbia A 5a 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/c2.

O Modelo Padrão 2 tipos de partículas elementares: Quarks/ Anti-Quarks 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). Partículas estáveis: Bárions/Anti-bárions. Mésons. Léptons. 5 tipos de interação: Forte. Fraca Eletromagnética Gravitacional Higgs.

Expansão e Resfriamento Evolução do Universo Estado inicial de densidade de energia extrema Série de transições de fase previstas pelo modelo padrão. Expansão e Resfriamento 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. Plasma EM: Universo ainda quente para o acoplamento dos elétrons com os núcleos para formar átomos e moléculas. Características Globais do nosso universo hoje está ligado às propriedades destas transições de fase. Universo hoje (2.7 K)

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

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

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 l= 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=mc2).

Por que usar aceleradores?

Aceleradores: super-microscópios

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)

Como Funcionam os Aceleradores Elementos ópticos Fonte de íons Cavidade de Aceleração Controle e Aquisição de dados Área Experimental

Tipos de Aceleradores F=qE , E=V/d , Energia=qV. 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: 30-40 MeV para protons. e- 0V 1V

Pelletrons +++++ +++++ 0V Tensão Terminal Partic. Neg. Partic. Pos. Stripper

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.

Aceleradores Lineares (Linacs) 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

Synchrotrons 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

Colliders 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.

Super Colliders: RHIC Se utiliza de todas as tecnologias para acelerar as partículas.

RHIC Tour

LHC@CERN: Large Hadron Collider

Pb+Pb collision at 1200 TeV ~ 0.2 mJ ~ 0.2 mJ

Aceleradores Cósmicos 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 3.2×1020 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.

Alguns dos principais aceleradores 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. DESY Dois aceleradores: HERA e PETRA que colidem elétrons com prótons. No PETRA foi confirmado a existência do Glúon. 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. 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/Y, 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.

Colliders e+e-

Colliders: pp, ep, AA

Obrigado.