Partículas Elementares (2008/2009) Mário Pimenta Lisboa, 9/2008

Partículas Elementares (2008/2009)

Mário Pimenta

Lisboa, 9/2008

Programa da cadeira de Partículas Elementares (2008/2009)

Semana 15/9

Introdução. Programa. Avaliação. Unidades e escalas. Secção eficaz. Os constituintes e as interacções fundamentais

A Hipótese Atómica: A experiência de Rutherford. Semana 22/9

Difusão em Mecânica Quântica não relativista. Regra de ouro de Fermi. Cinemática Relativista. A anti-matéria

Os tempos de vida e as larguras das partículas Semana 29/9

Interacção de partículas com a matéria. Detectores e Aceleradores.

Semana 6/10

1a _série

.Leptões, mesões e bariões: 1930 a 1960 Semana 13/10

Rotações e grupos: SO(2), SO(3) SU(2).“The eightfold way”. Os Quarks. A côr. Difusão inelástica profunda de electrões em protões Os partões. A descoberta do J/ψ Semana 20/10

2a _série.

Interacções Fundamentais

Teoria quântica dos campos e diagramas de Feynman.

Semana 27/10

As interacções fracas. O modelo de Fermi

A violação da Paridade. A teoria V-A. A violação de CP. Semana 3/11

3a _série

SU(2)_L X U(1). O mecanismo de Higgs. Semana 10/11

O ângulo de Cabibbo. O mecanismo de GIM

A matriz Kobayashi-MasKawa. O modelo Standard Semana 17/11

Verificação experimental do SM em LEP. m_Z, m_w , sin_θw,m_Higgs, jets, α_s

Semana 24/11

Apresentação dos temas dos trabalhos finais

Semana 1/12, 8/12,15/12

4a _série

O estado da Arte e o Futuro próximo: LHC/Auger/neutrinos/ .

Para além do modelo Standard: GUTs,SUSY, Dark mater e Dark energy.

---17, 18 e 19 Dezembro

Avaliação da cadeira de Partículas Elementares

Os alunos dividem-se em grupos de ~ 2 alunos. Séries de problemas

Cada grupo é responsável por resolver e apresentar ~ 2 problemas nas aulas práticas segundo um esquema de rotação entre os grupos (tipicamente cada grupo apresenta duas vezes no semestre). No fim do semestre existirá ainda uma pequena série de problemas básicos que deve ser resolvida por todos os grupos.

Trabalho final

Cada grupo escolhe um tema (até 16/10) relacionado com a medida de uma dada quantidade numa experiência passada, presente ou futura e efectuará duas apresentações e uma pequena monografia (máximo 20 páginas!!!):

No final de Novembro – Apresentação do tema e índice do trabalho (10 m)

Em Janeiro/Fevereiro – Entrega da monografia e (uma semana depois) apresentação final (30m) Nota final

Nota do trabalho modulada (até ± 2 valores) pelas notas obtidas nas séries de problemas.

Critérios

Nota no trabalho final de:

17/20 Implica uma muito boa compreensão e exposição do tema com a tentativa de obtenção das ordens de grandeza de algumas quantidades relevantes na experiência em causa.

14/16 Implica uma boa compreensão e exposição do tema

Bibliografia da cadeira de Partículas Elementares (2008/2009

)

1- Introduction to Elementary Particles, David Griffiths, John Wiley and Sons

(1st edition -1987, 2nd edition 2008)

2- Experimental Foundations of Particle Physics

Robert N. Cahen and Gerson Goldhaben, Cambridge University Press (1989)

3-Introduction to Nuclear and Particle Physics

Ashok Das and Thomas Ferbel , John Wiley and Sons (1993,2006?)

4-Introduction to High Energy Physics

Donald H.Perkins, Cambridge University Press (4th edition 2000)

5- Detectors for Particle Radiation

Konrad Kleinknecht, Cambridge University Press (1986)

6-Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments

W.R.Leo, Springer Verlag ( 1994)

7- Statistics for Particle and Nuclear Physics

Louis Lyons, Cambridge University Press (1986)

8- Electroweak Theory

E. A. Paschos, Cambridge University Press (2007)

9- Quarks and Leptons

Escalas

de energia

1

10

3

10

6

10

9

10

12

10

15

10

18

10

21

eV

KeV (kilo)

MeV (mega)

GeV (giga)

TeV (tera)

PeV (peta)

EeV (exa)

ZeV (zeta)

Bateria

Reactores nucleares

Aceleradores

Supernovas

Buracos negros / AGN

Raio X, TV

Ordens de grandeza

Apresentação: As potências de 10...

As imagens estão disponíveis em

http://www.powersof10.com

100 ₁₀10 ₁₀20 ₁₀30

10-30 ₁₀-20 ₁₀-10 _metros

Terra-Sol1 Ano-luz Sol-Andrómeda Universo Terra células Átomos Núcleos Partículas Super-cordas ?

Átomo ≈ Å = 10

-8

_{cm = 10}

-10

_m

Núcleo ≈ fm = 10

-15

_m

Tempos (vidas médias):

estrela = 10

18

_{s ; Homem = 10}

9

_s

neutrão= 886 s (15’)

muão = 2x10

-6

_{s ; Z}

0

_=2.6x10

-25

_s

interacção vidas médias

forte 10-23_s

e.m. 10-16s

A “matéria”

As “Forças”

−

e

e

ν

ν

_μ

ν

_τ −

μ

_τ

−

u

b

c

d

t

s

γ, W

+

_,W

-

_{, Z}

0

Leptões:

Quarks:

Int. electrofraca:

Int. forte:

Neutrinos

Reines e Cowan (1956)

Decaimento βeta

conservação E, P

Pauli (1930)

Schwartz, Lederman,

Steinberger (1962)

Neutrinos

atmosféricos

SK-I + SK-II 0 100 200 300 400 -1 -0.5 0 0.5 1 Sub-GeV e-like P < 400 MeV/c 0 100 200 300 400 -1 -0.5 0 0.5 1 Sub-GeV μ-like P < 400 MeV/c 0 100 200 300 400 -1 -0.5 0 0.5 1 Number of Events Sub-GeV e-like P > 400 MeV/c 0 200 400 600 -1 -0.5 0 0.5 1 Sub-GeV μ-like P > 400 MeV/c 0 50 100 150 200 -1 -0.5 0 0.5 1 cosΘ Multi-GeV e-like 0 50 100 150 200 -1 -0.5 0 0.5 1 cosΘ Multi-GeV μ-like ~13000km_~500km~15km

Super Kamiokande (50 kton água)

Os neutrinos oscilam, logo têm massa

Neutrinos Solares

ν

_x

+ e

−

_→

_ν

x

+ e

−

ν

_e

+ d → p + p + e

−

ν

_x

+ d → p + n +

ν

_x

ES

CC

NC

O espectro de Energia

Homestake (

37

_CL)

_{SNO (D}

2

O)

Φ

_e

∼ 0.3 Φ

_SSM

Φ

_e

+ Φ

_μτ

∼ Φ

_SSM

Neutrinos

astrofísicos

Nenhum acontecimento

para E > 10

6

_{GeV !}

Podem escapar a ambientes densos e

chegar à Terra sem interacção!

Neutrinos

Reines e Cowan (1956)

Decaimento βeta

conservação E, P

Pauli (1930)

Schwartz, Lederman,

Steinberger (1962)

Neutrinos

atmosféricos

SK-I + SK-II 0 100 200 300 400 -1 -0.5 0 0.5 1 Sub-GeV e-like P < 400 MeV/c 0 100 200 300 400 -1 -0.5 0 0.5 1 Sub-GeV μ-like P < 400 MeV/c 0 100 200 300 400 -1 -0.5 0 0.5 1 Number of Events Sub-GeV e-like P > 400 MeV/c 0 200 400 600 -1 -0.5 0 0.5 1 Sub-GeV μ-like P > 400 MeV/c 0 50 100 150 200 -1 -0.5 0 0.5 1 cosΘ Multi-GeV e-like 0 50 100 150 200 -1 -0.5 0 0.5 1 cosΘ Multi-GeV μ-like ~13000km_~500km~15km

Super Kamiokande (50 kton água)

Os neutrinos oscilam, logo têm massa

Neutrinos Solares

ν

_x

+ e

−

_→

_ν

x

+ e

−

ν

_e

+ d → p + p + e

−

ν

_x

+ d → p + n +

ν

_x

ES

CC

NC

O espectro de Energia

Homestake (

37

_CL)

_{SNO (D}

2

O)

Φ

_e

∼ 0.3 Φ

_SSM

Φ

_e

+ Φ

_μτ

∼ Φ

_SSM

Neutrinos

astrofísicos

Nenhum acontecimento

para E > 10

6

_{GeV !}

Podem escapar a ambientes densos e

chegar à Terra sem interacção!

A teoria final ?

Unificação e Simetria

Interacções:

electromagnética

fraca

forte

gravítica

?

+ − N S -n p e -νe M.C.Escher

E o Higgs?

Peter Higgs

m

_W

= 80 10

9

m

_Z

= 91 10

9

…

Mas as partículas têm massas!

m

_ν

∼

10

-1

(em eV)

m

_e

= 500 10

3

m

_u

= 5 10

6

m

_t

= 174 10

9

m

_γ

= 0

Interacções com um campo de fundo.

Um novo “eter” …

A matéria escura

velocidade v

raio R

Gravidade :

A energia escura !

O Universo encontra-se numa expansão acelerada !!!

0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 34 36 38 40 42 44 46

z

Gold Dataset (157 SNeIa):

Riess et. al. 2004

Decelerating Accelerating

Diagrama de Huble

m(z)