O Bóson-125.3 GeV de 4 de Julho e O Higgs do Modelo-Padrão J. A. Helayël CBPF / MCTI GFT – JLL.

O que são as Interações Fundamentais? Gravidade Eletromagnetismo (Em que medida uma interação é considerada fundamental?) Gravidade Eletromagnetismo Força Nuclear Forte Força Nuclear Fraca 5a Força? (composição do Higgs) Interações Fundamentais ~ Escalas distintas Energia ~ Comprimento ~ Tempo Unificação procede?

*Elementaridade / Unificação e geração das escalas corretas* Motivações para se pensar em unificação (retorno a Dirac, 1928 - 1931): Origem da massa, do spin, da carga elétrica. (m, s): Wigner, em 1939. e: Kaluza-Klein (1919, 1925, 1927, 1938). Escolha de uma (ou mais) simetrias de partida: degenerescência/multipletes. Grupo de simetria: #s quânticos da interação considerada.

*Esquema geral do programa de unificação* Setor de matéria/representações especiais do grupo de simetria. Setor de bósons vetoriais (por que não bósons escalares ?) Como gerar escalas de massa? (Nambu/Supercondutividade): que elemento novo trazer com este fim? Vínculos: simetria relativística e vácuo não-trivial. Chega-se a um setor extra à matéria e aos bósons intermediários: Higgses. (O que dizer sobre a elementaridade de escalares?)

Fazem sentido escalares/bósons carregados em uma TQR? TQCs e IFs .1926: Dirac - Formalização da MQ. . 1927: Dirac, Jordan - Fundamentos das TQCs. . 1927: Dirac - TQ da Dispersão (Fundamentos da QED.) (Ano também do Princípio da Incerteza.) . 1º/01/1928: Dirac - TQR para o elétron (pósitron virá depois). . 1930: Fermi / Majorana – Pauli / Weisskopf QED (trabalhando na formulação: problema dos escalares). Fazem sentido escalares/bósons carregados em uma TQR?

Repercussões Charles Darwin to Bohr (DEC 1927): ‘Dirac has now got a completely new system of equations for the electron which does the spin right in all cases and seems to be “the thing”.’ Heisenberg to Bohr (JUL 1928): “I find the present situation quite absurd and on that account, almost out of despair, I have taken up another field, trying to understand magnetism.” Heisenberg to Pauli (AUG 1928): “The saddest chapter of modern Physics is and remains the Dirac theory.”

Avanços em TQCs : Simetrias. .1930: Dirac - “The Proton” (Nature) (bases para a sim-C). .1931: Pauli - Hipótese dos neutrinos (só aparecem em 1956). .1931: Dirac – Predição do pósitron, anti-próton (sim-C); monopólos magnéticos; quantização da carga. Três grandes questões em um único trabalho: Proc. Roy. Soc. A133 (1931) 60. .1º/OUT/1931: Histórico seminário em Princeton – Dirac e Pauli. Motivação fundamental do Dirac: universalidade da carga.

Germinando a Física das Interações Fracas (Anos-’30) .1932: Descobertas – pósitron e nêutron (Rutherford: 1920). (O anti-próton só foi descoberto em 1955.) .1933: Fermi – “On QED”. Fermi propõe o 4º campo: interações fracas. (A Nature não aceita o paper: “muito fora da realidade”.) .1935: Yukawa prevê a existência dos mésons-π (fortes/fracas). .1936: Descoberta segunda família: múons (Poderiam ser os πs ?) (πs somente em ‘47, em raios cósmicos; ’48, em aceleradores.) .1938: Oskar Klein: “A Theory of Everything”.

Repensando o Método Científico Rutherford: “I would have liked it better if the theory had Arrived after the exper’l facts had been established.” Repensando a relação abstrato/teoria x concreto/experimentação. Dirac mesmo só assumiu publicamente a existência do pósitron em 1933.

Fase-anos ‘50 do Programa das Is Fracas (Diálogo contínuo teoria/experimentos: definindo direções.) .1949 – 1951: Feynman-Schwinger-Tomonaga; Salam: QED (para férmions e bósons carregados) concluída. .1952: Salam – Teoria de Campos para a Supercondutividade. .1954: Teorias de Yang-Mills-Shaw. Bósons vetoriais. [s = 0 ou 1 ?] .1956: ICPPh - Seattle: Lee – Yang: Violação da Paridade. .1957: Salam revê o paper de Y-M: Simetria quiral e redimensiona Y-M (portadores) e escalares (novos acoplamentos: Yukawa) Sinal verde para o Higgs. Escalares restauram unitariedade violada por bósons (s=1) massivos. .1958: Nambu (Spcondutividade em Física de Partículas) P. C. Anderson (percebe o mecanismo de Higgs na Teoria-BCS).

Fase-anos ‘60 do Programa das Is Fracas (Fenomenologia) .1961: Gell-Mann/Ne’eman – SU(3), Eightfold Way (u, d, s). .1962: Lederman: 2’a espécie de neutrinos : neutrino-μ. .1963: Cabibbo – “Unitary Symmetry and Leptonic Decays” (PRL) Supressão de correntes neutras com variação de estranheza: idéia de um ângulo de mixing entre (d,s) (base para CKM). .1964: Bjorken/Glashow – “Elementary Particle and SU(4)” Novo quark: charm, completando a 2’a família de quarks. .1964: Cronin-Fitch detectam violação de CP em sistema de káons. .1968: SLAC – (Fenômeno: DIS) – Evidência dos quarks. .1970: GIM – Nova argumentação para o charm.

Fase-anos ‘60 do Programa das Is Fracas (Teoria de Campos – Problema: geração de massa) .1960: Nambu – “A Superconductor Model of Elementary Particles”. .1961: Glashow – “Partial-Symmetries of Weak Interactions”. .1961: Gell-Mann, Glashow – “Gauge Theories and Vector Particles”. .1962: Goldstone, Salam, Weinberg – “Broken Symmetries”. .1964: Higgs – “Broken symmetries, Massless Particles, and Gauge Fields”. .1964: Englert, Brout – “Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Bosons”. .1964: Salam, Ward: “Electromagnetic and Weak Interactions”. .1966: Higgs – “SSB without Massless Bosons”. .1967: Weinberg - “A Model of Leptons”. .1968: Salam – “Weak and Electromagnetic Interactions”.

O essencial da Física do Higgs (O Higgs no cenário Eletrofraco) Decaimento-β do nêutron: (u, d) (e, nu ), e réplicas/espécies. Simetria: SU(2) x U(1), correspondentes #s quânticos. Como se localiza o Higgs: (φ,h), dublete de SU(2) com carga U(1). Interações com a matéria: y (fermion-L) (higgs) (fermion-R) Interações mais fortes com os léptons mais massivos: y ~ massa do férmion. Interações com os bósons vetoriais: g h BB, (g^2) hh BB. {Ws, Z, fóton}. Auto-interação: V = a hh + b hhhh. Vácuo não-trivial: h = v0 + H (H flutua estavelmente). y, g, v0 fornecem as escalas de massa. (Massas no setor de quarks: incorporar ângulo de Cabibbo.) Escala de energia gerada: v0 = 246 GeV (escala eletrofraca). 22 parâmetros na Teoria Eletrofraca! Cenário quântico: SuSy?

Teoria Eletrofraca + QCD: Modelo-Padrão. .1960 – 1968: Teoria Eletrofraca é constituída. Interações e.m.s e nucleares fracas têm origem comum: UNIFICAÇÃO em 246 GeV. . 1973: Kobayashi, Maskawa - violação-CP e previsão teórica da 3’a geração de quarks. Gargamelle Chamber – CERN: descoberta as correntes neutras em experimentos com neutrinos. No setor FORTE: . 1969: Novo fenômeno - Scaling em DIS (SLAC). Symanzik: Liberdade Assintótica (em que bases fundamentar?). . 1972 – 1973: Liberdade assintótica nas teorias de Y-M: SU(3)cor ~ QCD. (Gross, Politzer, Wilczek). Configura-se o M-P: SU(3) x SU(2) x U(1), com quebra de simetria induzida pelo Higgs (E ~ 246 GeV) para SU(3) x U(1), que são as simetrias presentes nas energias acessíveis.

Interações (origem comum ~ unificação) Simetrias e Dimensões Interações Fundamentais ~ Teorias de Yang-Mills (1954) Modelo-Padrão Simetrias Universalização Interações (origem comum ~ unificação) Simetrias e Dimensões Organização da Matéria: quarks, léptons (preons?) Matéria Escura?

Interações X Dimensões. q's: (u, d); (c, s); (t, b). l's: (e, ve); (mu, vu); (tau, vt). Bósons de gauge Higgs Monopólos Magnéticos. Interações X Dimensões. Visão de Yang-Mills. (Geometrização).

Anos ’70: Gravitação, SUSY e SUGRA (FaMP) 1973: Retomada da Quantum Gravity. 1973: SUSY no cenário das IFs. 1974 – 1978: do M-P para a Grande-Unificação. 1975: SUSY QED (fotino). 1976: SUSY e Gravitação: SUGRA (gravitino). 1976: O Prof. Higgs torna-se o Bóson. “A Phenomenological Profile of the Higgs Boson” (Ellis, Gaillard, Nanopoulos). 1978: SUSY e dimensões > 4: K-K renasce; Preons.

Reflexão: Física X Matemática. Interações fundamentais: Teoria e (nova) Matemática, Fenomenologia-Experimento. Geometrização das interações x Novas Dimensões Lei da Gravidade (~0.2 mm, LEDs) Gravidade em questão.

Matéria Escura (Interações Fundamentais) Energia Escura (Cosmo). Novas modalidades de Matéria. Novas Simetrias. Grandes desafios teóricos e experimentos da Física de Interações Fundamentais: LHC (2009-2014).

Única partícula prevista pelo M-P ainda não encontrada. Grandes Questões??? 3 gerações de matéria observadas; 4’a geração? Uma nova dinâmica preônica para a quebra e-f. Partícula de Higgs e massa da matéria (LHCb: violação-CP; fase da matriz de CKM sensível a uma FaMP; sensível a possíveis Higgses carregados: B-decays.) Única partícula prevista pelo M-P ainda não encontrada. Monopólos magnéticos. Dimensões (GUTs). Novas partículas (SUSY). Decaimento do próton / SUSY (1033 anos) n: decaimento-beta (880 segundos). Neutrinos massivos/oscilações.

Física com/sem Higgs Unitariedade perturbativa: ~ 710 GeV (composto? Nova física?) M-P em boa forma indica Higgs ~ 125 GeV. Medições da massa do quark-t e dos bósons-W indicam massa do Higgs nesta mesma escala. DEZ/2011: Resultados do ATLAS e do CMS excluem, conjuntamente, Higgs abaixo de 122.5 GeV e entre 129 e 539 GeV. O Higgs fica armadilhado entre 122.5 e 129 GeV. JUL/2012: ATLAS e CMS identificam bóson na faixa 125 – 126 GeV. (LHC ainda não seu sinal de uma nova Física além do M-P; FERMILAB aponta para FaMP: Física do B.) Se o bóson encontrado é o Higgs do M-P: o que significa esta descoberta? Se o Higgs é descartado: restam alternativas ao M-P? Novos cenários?

O que o LHC/ATLAS-CMS poderia revelar? Bóson de Higgs Partículas supersimétricas x SUSY Dinâmica (forte) da quebra eletrofraca Novas gerações de quarks/léptons Novos bósons de gauge (W’ , Z’) Preons LEDs Grávitons massivos Buracos negros Matéria escura (strangelets/ALICE) Monopólos magnéticos. Lembrando que LHC é também ALICE, LHCb, LHCf.