Física de Altas Energias:
Física de Altas Energias:
descobrindo o mundo sub-atômico descobrindo o mundo sub-atômico
E.Polycarpo E.Polycarpo
Instituto de Física - UFRJ Instituto de Física - UFRJ
Tópicos de Física Geral I – IF/UFRJ
Linhas Gerais Linhas Gerais
O que buscamos entender em Física de Partículas O que buscamos entender em Física de Partículas
O que sabemosO que sabemos
Como sabemosComo sabemos
O que NÃO sabemosO que NÃO sabemos
Quais os próximos passosQuais os próximos passos
No mundoNo mundo
No Brasil (como funciona uma colaboração internacional)No Brasil (como funciona uma colaboração internacional)
ConclusãoConclusão
O que procuramos entender O que procuramos entender
Elementos Elementos
fundamentais do fundamentais do
universo universo
Interações entre esses blocos de construção
Um pouco de história Um pouco de história
484-424 A.C.484-424 A.C. Empédocles: terra, ar , fogo e água Empédocles: terra, ar , fogo e água
640-370 A.C.640-370 A.C. Leuccipo e Democritus: idéia de partículas Leuccipo e Democritus: idéia de partículas indivisíveis, átomos
indivisíveis, átomos
1214-1294 D.C 1214-1294 D.C R. Bacon: observar para aprender R. Bacon: observar para aprender
1600-1700 1600-1700 Método Científico (F. Bacon, Descartes, Galileu)Método Científico (F. Bacon, Descartes, Galileu)
1868 1868 Mendeleev: propõe a tabela de elementos, contendo 63. Mendeleev: propõe a tabela de elementos, contendo 63.
Em 1896, 77 átomos já tinham sido descobertos, e ainda eram Em 1896, 77 átomos já tinham sido descobertos, e ainda eram
considerados elementares.
considerados elementares.
1773-1829 1773-1829 Young: teoria ondulatória da luz Young: teoria ondulatória da luz
1873 1873 Maxwell: unificação ótica, eletromagnetismoMaxwell: unificação ótica, eletromagnetismo
1874 1874 Stoney: teoria do elétronStoney: teoria do elétron
1895 1895 Röntgen: descoberta do Raio-XRöntgen: descoberta do Raio-X
Descoberta do Raio-X Descoberta do Raio-X
Nobel 1901 Nobel 1901
Um pouco mais de história Um pouco mais de história
1896 1896 Becquerel: descoberta da radioatividadeBecquerel: descoberta da radioatividade
1897 1897 Thomson: descoberta do elétronThomson: descoberta do elétron
18981898 Thomson: átomo como pudim de ameixasThomson: átomo como pudim de ameixas
Elétrons
Mais história Mais história
1898 1898 M. E P. Curie: separam elementos radioativos M. E P. Curie: separam elementos radioativos (P. Nobel 1903 with Becquerel)
(P. Nobel 1903 with Becquerel)
1900 1900 Plank: sugere que a radiação é quantizadaPlank: sugere que a radiação é quantizada
1905 1905 Einstein: quantum de luz que se comporta como Einstein: quantum de luz que se comporta como partícula
partícula
1909-1911 1909-1911 E. E. Rutherford,Rutherford, H. Geiger E. Marsden: H. Geiger E. Marsden:
espalhamento de partículas alpha por uma folha de ouro espalhamento de partículas alpha por uma folha de ouro
O experimento de Rutherford O experimento de Rutherford
(e Geiger e Marsden) (e Geiger e Marsden)
““ It was quite the most It was quite the most incredible event that incredible event that ever happened to me in ever happened to me in my life. It was almost as my life. It was almost as incredible as if you fired incredible as if you fired a 15-inch shell at a piece a 15-inch shell at a piece
of tissue paper and it of tissue paper and it came back and hit you“
came back and hit you“
Microscópio
Folha de ouro
Fonte radioativa
Tela de sulfeto de zinco
Partículas
alpha Núcleo
Átomos
Mais história Mais história
19131913 Bohr : modelo de átomo estávelBohr : modelo de átomo estável
19191919 Rutherford: primeira evidência de um prótonRutherford: primeira evidência de um próton
19211921 Chadwick e Bieler: um tipo de força forte mantém o núcleo junto Chadwick e Bieler: um tipo de força forte mantém o núcleo junto
19231923 Compton: confirma a natureza corpuscular dos raios-X Compton: confirma a natureza corpuscular dos raios-X
19241924 L. De Broglie: propõe propriedades ondulatórias para a matériaL. De Broglie: propõe propriedades ondulatórias para a matéria
19251925 Pauli: formula o princípio da exclusão para elétrons no átomoPauli: formula o princípio da exclusão para elétrons no átomo
19261926 Shrödinger: desenvolve a equação de onda para sistemas Shrödinger: desenvolve a equação de onda para sistemas quânticos
quânticos
Born: interpreta probabilisticamente a função de ondaBorn: interpreta probabilisticamente a função de onda
19271927 Heisenberg formula o princípio da incertezaHeisenberg formula o princípio da incerteza
19281928 Dirac: combina mecânica quântica e relatividade especial para Dirac: combina mecânica quântica e relatividade especial para descrever o elétron (QED)
descrever o elétron (QED)
19301930 Partículas conhecidas são: os prótons, os elétrons e os fótons. Pauli Partículas conhecidas são: os prótons, os elétrons e os fótons. Pauli propõe a existência do neutrino para explicar o decaimento beta
propõe a existência do neutrino para explicar o decaimento beta
Descoberta de novas partículas Descoberta de novas partículas
1931 1931 Chadwick: Chadwick: descoberta do nêutrondescoberta do nêutron
1934 1934 Anderson: descoberta do pósitronAnderson: descoberta do pósitron
Mais partículas Mais partículas
1933-34 1933-34 Fermi introduz a idéia de interação fraca Fermi introduz a idéia de interação fraca (decaimento beta)
(decaimento beta)
Yukawa descreve a interação nuclear pela Yukawa descreve a interação nuclear pela troca de uma partícula chamada píon e estima sua troca de uma partícula chamada píon e estima sua
massa em ~200 m massa em ~200 mee
1937 1937 partícula de mpartícula de m ~200 m~200 me e descoberta em raios descoberta em raios cósmicos (píon?)
cósmicos (píon?)
1946-1947 1946-1947 píon píon múonmúon
Descoberta do méson-pi Descoberta do méson-pi
1947 1947 Lattes, Lattes,Occhialini e Powell:Occhialini e Powell:
descoberta do píon descoberta do píon
Zoológico de partículas Zoológico de partículas
Avançando no tempo Avançando no tempo
1953 1953 Gell-Mann and Nishijima introduzem Gell-Mann and Nishijima introduzem uma nova e elegante idéia: a cada partícula uma nova e elegante idéia: a cada partícula
seria associada uma propriedade chamada seria associada uma propriedade chamada
estranheza e a estranheza global deveria ser estranheza e a estranheza global deveria ser conservada durante uma colisão (não em um conservada durante uma colisão (não em um
decaimento) decaimento)
Havia então três leis de conservaçãoHavia então três leis de conservação
CargaCarga
Número bariônicoNúmero bariônico
EstranhezaEstranheza
Avançando no tempo Avançando no tempo
1961 1961 Gell-Mann faz como Mendellev e tenta Gell-Mann faz como Mendellev e tenta organizar as espécies do zoológico de partículas organizar as espécies do zoológico de partículas
1964 1964 Gell-Mann and Zweig introduzem a idéia Gell-Mann and Zweig introduzem a idéia de quarks (u,d,s)
de quarks (u,d,s)
1967 1967 Salam and Weinberg propõem uma Salam and Weinberg propõem uma
teoria eletrofraca, prevendo a existência de um teoria eletrofraca, prevendo a existência de um
bóson de calibre neutro (Z bóson de calibre neutro (Z00) )
1968 1968 Espalhamento de elétrons por prótons Espalhamento de elétrons por prótons indicam a existência de quarks (Rutherford!)
indicam a existência de quarks (Rutherford!)
1973 1973 Gell-Man and Fritzsch : QCDGell-Man and Fritzsch : QCD
O zoológico cresce...
O zoológico cresce...
CERN
Fermila b
O que sabemos: Modelo O que sabemos: Modelo
Padrão Padrão
Toda a matéria é composta de um pequeno Toda a matéria é composta de um pequeno
número de partículas elementares que número de partículas elementares que
interagem trocando outras partículas interagem trocando outras partículas
Partículas Elementares Partículas Elementares
Quarks c
charme t
top estranhos b
beleza
Léptons
múon
uup down d
elétrone e
tau
H
higgs
µ
τ µ
ν ν ντ
u u d
Q=2/3
Q=-1 Q=-1/3
Partículas trocadas nas interações Partículas trocadas nas interações
Interação Forte Interação Forte
A interação forte mantém os núcleos coesos A interação forte mantém os núcleos coesos
Quarks tem carga de
O que os mantém juntos para formar prótons e neutrons é a troca de glúons A interação forte entre os quarks de um próton e os quarks de outro próton é
Interação Forte Interação Forte
A interação forte mantém os núcleos coesos A interação forte mantém os núcleos coesos
Quarks tem carga de
O que os mantém juntos para formar prótons e neutrons é a troca de glúons A interação forte entre os quarks de um próton e os quarks de outro próton é
Interação eletromagnética Interação eletromagnética
Prótons e elétrons têm carga elétrica
O que os mantém juntos para formar os átomos é a troca
Interação Fraca Interação Fraca
Interações fracas
Interações fracas são as responsáveis pelo decaimento de quarks e léptons são as responsáveis pelo decaimento de quarks e léptons pesados em quarks e léptons mais leves. Quando partículas fundamentais pesados em quarks e léptons mais leves. Quando partículas fundamentais decaem observamos seu desaparecimento e sua substituição por duas ou decaem observamos seu desaparecimento e sua substituição por duas ou
mais partículas diferentes. Mesmo que o total de massa e energia seja mais partículas diferentes. Mesmo que o total de massa e energia seja conservado, um pouco da massa original da partícula é convertido em conservado, um pouco da massa original da partícula é convertido em energia cinética, e as partículas resultantes sempre têm menos massa que energia cinética, e as partículas resultantes sempre têm menos massa que
u d u u
d d
W− e
ve
Aniquilações Aniquilações
Em uma aniquilação, partículas de matéria e de antimatéria Em uma aniquilação, partículas de matéria e de antimatéria interagem uma com a outra, convertendo a energia de sua prévia interagem uma com a outra, convertendo a energia de sua prévia existência numa partícula transportadora de força muito energética existência numa partícula transportadora de força muito energética (um glúon, um W/Z ou um fóton). Essas transportadoras de força, (um glúon, um W/Z ou um fóton). Essas transportadoras de força,
por sua vez, podem decair em outras partículas.
por sua vez, podem decair em outras partículas.
Como conseguimos entender tudo Como conseguimos entender tudo
isso?
isso?
Observando e experimentando!Observando e experimentando!
objetos sub-atômicos, temos que diminuir radicalmente o
comprimento de onda da nossa “ sonda”
Dualidade onda- partícula : p=h/λ
Para criar partículas de alta massa, temos que aniquilar
partículas de baixa massa a altas
Como conseguimos entender tudo Como conseguimos entender tudo
isso?
isso?
Observando e experimentando!Observando e experimentando!
Aceleradores de partículas Aceleradores de partículas
Aceleradores Aceleradores
Dipolos supercondutores do LHC
Detectores Detectores
Exemplos de detecção Exemplos de detecção
Z µµ
Decaimentos do Z0
Z ττ
τ µνµντ Z qq jatos de hádrons
Desafios tecnológicos atuais Desafios tecnológicos atuais
Alta estatísticaAlta estatística
Muitas colisões Muitas colisões
Eletrônica rápida e resistente a radiação
Alto vácuo
Alta Energia
Supercondutividade
Baixas temperaturas
Alta precisão
Mecânica fina
Desafios computacionais atuais Desafios computacionais atuais
Simulação de eventosSimulação de eventos
Processos físicos, passagem pela matéria, Processos físicos, passagem pela matéria, etc.etc.
Enorme volume de dados Enorme volume de dados
Aquisição em tempo realAquisição em tempo real
Compartilhamento de dadosCompartilhamento de dados
ReconstruçãoReconstrução
Estudos estatísticosEstudos estatísticos
Tudo isso para : Tudo isso para :
Sucesso do Modelo Padrão Sucesso do Modelo Padrão
Permitiu prever a Permitiu prever a existência de várias existência de várias partículas que foram partículas que foram
posteriormente posteriormente
descobertas descobertas
Descreve uma enorme Descreve uma enorme quantidade de
quantidade de processos, com processos, com
precisão surpreendente precisão surpreendente
Mas... O que ainda não sabemos?
Mas... O que ainda não sabemos?
Por que três famílias ?Por que três famílias ?
Por que massas tão diferentes ?Por que massas tão diferentes ?
O bóson de Higgs existe ?O bóson de Higgs existe ?
Os elétrons e quarks são mesmo elementares ?Os elétrons e quarks são mesmo elementares ?
Como se misturam os neutrinos e qual a sua Como se misturam os neutrinos e qual a sua massa ?
massa ?
Matéria escura, energia escura ?Matéria escura, energia escura ?
Grande unificação ?Grande unificação ?
E o início do universo ? E o início do universo ?
Matéria X Antimatéria
No início:
matéria e anti-matéria foram produzidas em igual quantidade
Atualmente:
Muito mais matéria
Astrofísica: 10-10
Medidas aceleradores: 10-20
Ainda temos muito a descobrir Ainda temos muito a descobrir
FermilabFermilab: colisor p-anti-p, D0 e CDF (Higgs, Física do B, top, : colisor p-anti-p, D0 e CDF (Higgs, Física do B, top, etc), neutrinos, NLC (ILC)?
etc), neutrinos, NLC (ILC)?
SLAC: SLAC: linear, BABAR (Fábrica de B)linear, BABAR (Fábrica de B)
BNLBNL: Plasma de quarks e gluons: Plasma de quarks e gluons
CESRCESR: colisor electron-positron,CLEO-C, física do B: colisor electron-positron,CLEO-C, física do B
DESYDESY: DIS, descoberta dos glúons, funções de estrutura : DIS, descoberta dos glúons, funções de estrutura QCDQCD
KEKKEK: linear, BELLE B. : linear, BELLE B.
IHEPIHEP: Física hadrônica : Física hadrônica
Auger:Auger: Argentina e USA Argentina e USA
Kamiokande:Kamiokande: Neutrinos Neutrinos
CERNCERN: LHC (Higgs,supersimetria,física além do Modelo : LHC (Higgs,supersimetria,física além do Modelo
Física Experimental de Altas Física Experimental de Altas
Energias no Brasil Energias no Brasil
Neutrinos (USP,Unicamp,PUC, Angra?)Neutrinos (USP,Unicamp,PUC, Angra?)
Raios cósmicos Raios cósmicos
(USP,Unicamp,CBPF,UFRJ) (USP,Unicamp,CBPF,UFRJ)
Plasma de Quarks e Glúons (USP,UFRJ)Plasma de Quarks e Glúons (USP,UFRJ)
Física hadrônica (CBPF,UERJ)Física hadrônica (CBPF,UERJ)
Testes do Modelo PadrãoTestes do Modelo Padrão
Violação de CP (UFRJ,CBPF,UERJ)Violação de CP (UFRJ,CBPF,UERJ)
Higgs (UFRJ,UERJ)Higgs (UFRJ,UERJ)
Colaborações Internacionais Colaborações Internacionais
500-2500 membros500-2500 membros
Tempo entre proposta e início da Tempo entre proposta e início da operação: 10-15 anos
operação: 10-15 anos
Desenvolvimento de hardware e softwareDesenvolvimento de hardware e software
Produção do aparatoProdução do aparato
InstalaçãoInstalação
Desenvolvimento de atividades em gruposDesenvolvimento de atividades em grupos
CERNCERN
Fundado em 1954, atualmente o CERN tem 20 países membros
Há ainda os países e organizações observadores
O conjunto de aceleradores e laboratórios corresponde a um investimento da ordem de
dezenas de bilhões de dolares
É onde fazemos nossos
Exemplo: LHCb Exemplo: LHCb
Colisões p-pColisões p-p
40 MHz40 MHz
10103232 cm cm-2-2ss-1-1
1 ano de 1 ano de operação operação
10101212xbbxbb
400
pesquisadore s
14 países
Exemplo: LHCb Exemplo: LHCb
Large Hadron Collider beauty experiment
Contribuições do LAPE Contribuições do LAPE
Contribuições do LAPE Contribuições do LAPE
Código de identificação de múons
Aperfeiçoamento do sistema de trigger Desenvolvimento de um sistema de monitoramento em tempo real do trigger
Estudos de sensibilidade do
experimento a assimetrias de CP e decaimentos raros
Estudo de erros sistemáticos na identificação do sabor
Conclusão Conclusão
Física de Altas Energias compreende uma área vasta, tanto do Física de Altas Energias compreende uma área vasta, tanto do ponto de vista teórico como experimental
ponto de vista teórico como experimental
Teoria quântica de campos, relatividade, técnicas de teoria de Teoria quântica de campos, relatividade, técnicas de teoria de perturbação, lattice, cosmologia, etc
perturbação, lattice, cosmologia, etc
Física Básica, procura entender os aspectos mais fundamentais Física Básica, procura entender os aspectos mais fundamentais da natureza
da natureza
Fronteira tecnológica: Mecânica, eletrônica, computaçãoFronteira tecnológica: Mecânica, eletrônica, computação
Aplicações médicas: terapia e diagnóstico em medicinaAplicações médicas: terapia e diagnóstico em medicina
VácuoVácuo
SupercondutividadeSupercondutividade
EletrônicaEletrônica
RedesRedes
Muito se aprendeu, mais ainda está por vir !Muito se aprendeu, mais ainda está por vir !
Com Higgs ou sem Higgs Com Higgs ou sem Higgs
Com supersimetria ou sem supersimetria Com supersimetria ou sem supersimetria
Referências Referências
aventuradasparticulas.ift.unesp.braventuradasparticulas.ift.unesp.br
www.cern.chwww.cern.ch
www.fnal.govwww.fnal.gov
Outros sites de universidades pelo mundoOutros sites de universidades pelo mundo
