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a física de partículas elementares

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Instituto Superior Te´cnico
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 1
A F´ısica das Part´ıculas Elementares em 2013
Neutrinos e a descoberta do Bosa˜o de Higgs
Jorge C. Roma˜o
Instituto Superior Te´cnico, Departamento de F´ısica & CFTP
A. Rovisco Pais 1, 1049-001 Lisboa, Portugal
3 de Dezembro de 2013
IST Resumo
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 2
❐ De que e´ feito o Universo?
◆ As Interacc¸o˜es Fundamentais
◆ Os Constituintes Elementares
◆ Mate´ria e Anti-mate´ria
❐ Neutrinos
◆ Os neutrinos e as suas anti-part´ıculas
◆ A velocidade dos neutrinos e a Relatividade Restrita
❐ A Unificac¸a˜o e a estabilidade do prota˜o
❐ A experieˆncia LHC no CERN
◆ A escala mais pequena
◆ A descoberta do bosa˜o de Higgs.
IST As Interacc¸o˜es Fundamentais
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
• Forc¸a
•Como Explicar?
•TC Modernas
• Simetrias Gauge
•Propriedades
•Os Constituintes
• Lepto˜es
•Quarks
•Hadro˜es
•Higgs
•Anti-Mate´ria
•Resumo
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 3
Todos os processos que ocorrem no Universo teˆm por base somente 4
Forc¸as ou Interacc¸o˜es fundamentais.
Forc¸a Descoberta Relevaˆncia
Gravitacional Se´c XVII Corpos Macrosco´picos
Electromagne´tica Se´c XIX Estrutura Ato´mica
Fraca Se´c XX Desintegrac¸a˜o Radioactiva
Forte Se´c XX Coesa˜o dos Nu´cleos
Newton Maxwell Becquerel Yukawa
IST Mapa das Interacc¸o˜es
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
• Forc¸a
•Como Explicar?
•TC Modernas
• Simetrias Gauge
•Propriedades
•Os Constituintes
• Lepto˜es
•Quarks
•Hadro˜es
•Higgs
•Anti-Mate´ria
•Resumo
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 4
IST A Descric¸a˜o Moderna duma Forc¸a
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
• Forc¸a
•Como Explicar?
•TC Modernas
• Simetrias Gauge
•Propriedades
•Os Constituintes
• Lepto˜es
•Quarks
•Hadro˜es
•Higgs
•Anti-Mate´ria
•Resumo
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 5
Modernamente o conceito de forc¸a e´ substitu´ıdo pelo de interacc¸a˜o.
Mecaˆnica Cla´ssica Interacc¸a˜o instantaˆnea (forc¸a)
Electromagnetismo Interacc¸a˜o atrave´s da noc¸a˜o de Campo
Relatividade Restrita Na˜o ha´ interacc¸o˜es instantaˆneas
Mecaˆnica Quaˆntica Interacc¸o˜es descritas por troca de part´ıculas
e−
e−
e−
e−
γ
tempo
Feynman
IST Como Explicar as Interacc¸o˜es?
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
• Forc¸a
•Como Explicar?
•TC Modernas
• Simetrias Gauge
•Propriedades
•Os Constituintes
• Lepto˜es
•Quarks
•Hadro˜es
•Higgs
•Anti-Mate´ria
•Resumo
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 6
Paradigma: O Electromagnetismo
❐ Faraday, Maxwell
◆ Conceito de campo
◆ Velocidade finita de propagac¸a˜o
❐ Transformac¸o˜es de Lorentz
◆ Relatividade: Invariaˆncia, covariaˆncia · · ·
❐ Primeira Unificac¸a˜o
Electromagnetismo ⊃ Electricidade + Magnetismo
❐ Segunda Unificac¸a˜o
Electromagnetismo ⊃ Luz
Faraday Maxwell
Einstein Lorentz
IST Teorias de Campo Modernas
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
• Forc¸a
•Como Explicar?
•TC Modernas
• Simetrias Gauge
•Propriedades
•Os Constituintes
• Lepto˜es
•Quarks
•Hadro˜es
•Higgs
•Anti-Mate´ria
•Resumo
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 7
Os Ingredientes Fundamentais
❐ Relatividade Restrita
Teoria Quaˆntica dos
Campos


❐ Mecaˆnica Quaˆntica
❐ Simetrias de padra˜o (gauge)
QED Yang-Mills
T. Electrofraca QCD
Modelo Padra˜o
IST Simetrias de Padra˜o (Gauge)
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
• Forc¸a
•Como Explicar?
•TC Modernas
• Simetrias Gauge
•Propriedades
•Os Constituintes
• Lepto˜es
•Quarks
•Hadro˜es
•Higgs
•Anti-Mate´ria
•Resumo
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 8
Teorias Modernas Simetrias de Gauge
Electromagnetismo V ou V ′ = V + V0 o mesmo ~E
V 1−→ V1
2
−→ V12
V 2−→ V2
1
−→ V21
Grupo Abeliano
V12 = V21
2 + 3 = 3 + 2
Interacc¸a˜o Forte & Fraca Grupo Na˜o Abeliano
RyRz 6= RzRy
Ry Rz
Rz Ry
y y y
z z z
x x x
y y y
z z z
x x x
Weyl
Yang & Mills
IST Propriedades Gerais das Interacc¸o˜es
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
• Forc¸a
•Como Explicar?
•TC Modernas
• Simetrias Gauge
•Propriedades
•Os Constituintes
• Lepto˜es
•Quarks
•Hadro˜es
•Higgs
•Anti-Mate´ria
•Resumo
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 9
Interacc¸a˜o Alcance Intensidade Portador Massa
Gravitacional Infinito 10−40 Gravita˜o 0
Fraca < 10−18 m 10−5 W+, W−, Z0 6= 0
Electromagne´tica Infinito 10−2 fota˜o (γ) 0
Forte < 10−15 m 1 8 gluo˜es 0
Interacc¸a˜o Relativista Quaˆntica Designac¸a˜o
Gravitacional Sim Na˜o Relatividade Geral
Fraca Sim Sim
Electromagne´tica Sim Sim
Forte Sim Sim Cromodinaˆmica Quaˆntica
Teoria Electrofraca
Modelo Padra˜o
IST Os Constituintes Elementares
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
• Forc¸a
•Como Explicar?
•TC Modernas
• Simetrias Gauge
•Propriedades
•Os Constituintes
• Lepto˜es
•Quarks
•Hadro˜es
•Higgs
•Anti-Mate´ria
•Resumo
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 10
❐ Mate´ria (Spin 0)
◆ Bosa˜o de Higgs
❐ Mate´ria (Spin 1/2)
◆ Lepto˜es: So´ interacc¸a˜o electrofraca
◆ Quarks: Interacc¸a˜o electrofraca e forte
❐ Portadores da Interacc¸a˜o (Spin 1)
◆ Boso˜es de gauge
Interacc¸a˜o Alcance Intensidade Portador Massa
Fraca < 10−18 m 10−5 W+, W−, Z0 6= 0
Electromagne´tica Infinito 10−2 fota˜o (γ) 0
Forte < 10−15 m 1 8 gluo˜es 0
IST Mate´ria: Os Lepto˜es
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
• Forc¸a
•Como Explicar?
•TC Modernas
• Simetrias Gauge
•Propriedades
•Os Constituintes
• Lepto˜es
•Quarks
•Hadro˜es
•Higgs
•Anti-Mate´ria
•Resumo
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 11
❐ Os lepto˜es teˆm so´ interacc¸a˜o electrofraca.
❐ Quais sa˜o os lepto˜es? Os mais conhecidos sa˜o o electra˜o e o neutrino.
❐ Mas a Natureza apresenta uma repetic¸a˜o que na˜o sabemos explicar.


νe
e


︸ ︷︷ ︸
Mate´ria Normal


νµ
µ




ντ
τ


︸ ︷︷ ︸
Produzidos em Laborato´rio
❐ mτ = 3484×me, mµ = 212×me
LEP: Nu´mero de neutrinos leves: 2.994± 0.012
IST Mate´ria: Os Quarks
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
• Forc¸a
•Como Explicar?
•TC Modernas
• Simetrias Gauge
•Propriedades
•Os Constituintes
• Lepto˜es
•Quarks
•Hadro˜es
•Higgs
•Anti-Mate´ria
•Resumo
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 12
Quais sa˜o os quarks? Tanto quanto se sabe hoje ha´ seis espe´cies
diferentes. Verifica-se a mesma repetic¸a˜o que no caso dos lepto˜es:


u
d


︸ ︷︷ ︸
Mate´ria Normal


c
s




t
b


︸ ︷︷ ︸
Produzidos em Laborato´rio
Q = +2/3
Q = −1/3
Prota˜o=
d
u u
Neutra˜o=
u
d d10−15 m 10−15 m
IST Hadro˜es: Meso˜es e Bario˜es
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
• Forc¸a
•Como Explicar?
•TC Modernas
• Simetrias Gauge
•Propriedades
•Os Constituintes
• Lepto˜es
•Quarks
•Hadro˜es
•Higgs
•Anti-Mate´ria
•Resumo
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 13
IST Como Gerar a Massa? O bosa˜o de Higgs
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
• Forc¸a
•Como Explicar?
•TC Modernas
• Simetrias Gauge
•Propriedades
•Os Constituintes
• Lepto˜es
•Quarks
•Hadro˜es
•Higgs
•Anti-Mate´ria
•Resumo
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 14
Quebra espontaˆnea de simetria
F
-2
0
2
-2
0
2
-20
0
20
40
-2
0
2
T. de Goldstone:
Ha´ uma part´ıcula
sem massa
T. de Goldstone + Simetria de Gauge = Mecanismo de Higgs
❐ Campos de Gauge adquirem massa
MW = 80.4 GeV/c
2, MZ = 91.2 GeV/c
2, Mγ = 0, Mg = 0
❐ Um bosa˜o de Higgs e´ uma part´ıcula real. Descoberta no LHC!
IST Dirac e as anti-part´ıculas
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
• Forc¸a
•Como Explicar?
•TC Modernas
• Simetrias Gauge
•Propriedades
•Os Constituintes
• Lepto˜es
•Quarks
•Hadro˜es
•Higgs
•Anti-Mate´ria
•Resumo
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 15
❐ Em 1928, Paul Dirac propoˆs, como consequeˆncia da sua
equac¸a˜o relativista para o electra˜o, a existeˆncia de anti-
part´ıculas. O anti–electra˜o, positra˜o, teria a mesma massa
mas a carga oposta.
❐ Mostrou tambe´m que isto devia ser verdade para todas as
part´ıculas (na altura so´ era conhecido o electra˜o e o prota˜o).
❐ Em 1932, Carl D. Anderson descobriu o positra˜o em coliso˜es
de raios co´smicos.
❐ Posteriormente foram descobertos o anti–prota˜o, o anti–
neutra˜o e anti-part´ıculas para todas as part´ıculas conheci-
das.
❐ Como na˜o teˆm carga, as part´ıculas neutras podem ser
ideˆnticas a`s suas pro´prias anti-part´ıculas, caso do fota˜o (e
talvez do neutrino?), ou diferentes como no caso do neutra˜o.
Neste u´ltimo caso sa˜o as propriedades das interacc¸o˜es fortes
que as distinguem.
Dirac
Anderson
IST Resumo das Interacc¸o˜es e Constituintes
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
• Forc¸a
•Como Explicar?
•TC Modernas
• Simetrias Gauge
•Propriedades
•Os Constituintes
• Lepto˜es
•Quarks
•Hadro˜es
•Higgs
•Anti-Mate´ria
•Resumo
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 16
IST Neutrinos
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
•Neutrinos
•Majorana
• ν, c e Relatividade
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 17
❐ Em 1931, Wolfgang Pauli introduziu o neutrino para “salvar” a lei da con-
servac¸a˜o de energia nos decl´ınios radioactivos designados por decl´ınios β.
d
u
d
d
u
u
W
e
ν
neutra˜o prota˜o
❐ Foi Enrico Fermi que deu o nome neutrino, que em italiano significa pequeno
e neutro.
❐ Ha´ pelo menos 3 tipos de neutrinos. O primeiro a ser descoberto foi o neutrino
do electra˜o por Frederick Reines e Clyde Cowan em 1956 (Pre´mio Nobel de
1995).
❐ Devido a terem somente interacc¸a˜o fraca as suas interacc¸o˜es sa˜o muito dif´ıceis
de detectar e exigem detectores enormes e muito tempo de detecc¸a˜o. Um
neutrino que atravesse a Terra tem, em me´dia, uma interacc¸a˜o.
Pauli
Fermi
Reines
Cowan
IST Os neutrinos teˆm massa?
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
•Neutrinos
•Majorana
• ν, c e Relatividade
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 18
❐ Durante muito tempo os f´ısicos pensaram que os neutrinos na˜o tinham massa.
As experieˆncias davam so´ um limite superior por ser muito dif´ıcil fazer esta
medida. A massa era compat´ıvel com ser zero, dentro do erro experimental.
❐ Em 1957, Bruno Pontecorvo, sugeriu uma maneira indirecta de detectar a
massa dos neutrinos. Se tivessem massa, os neutrinos produzidos nas in-
teracc¸o˜es fracas poderiam oscilar e mudar o seu “cara´cter”.
❐ Experieˆncias com os neutrinos produzidos no Sol e na Atmosfera demonstraram
que era esse o caso. Raymond Davis Jr. e Masatoshi Koshiba tiveram o Pre´mio
Nobel de 2002 pelas suas contribuic¸o˜es para este resultado.


νe
νµ
ντ


Oscilam


ν1
ν2
ν3


Estados pro´-
prios das
interacc¸o˜es
Estados
pro´prios de
massa
❐ Em cada segundo passam atrave´s de no´s 100000000000000 = 1014 neutrinos
vindos do Sol!
Pontecorvo
Davis
Koshiba
IST Os neutrinos sa˜o as suas pro´prias anti-part´ıculas?
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
•Neutrinos
•Majorana
• ν, c e Relatividade
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 19
❐ O f´ısico italiano Ettore Majorana, que desapareceu misteriosamente aos 32 anos
em 1938, avanc¸ou a hipo´tese de que os neutrinos sa˜o as suas pro´prias anti-
part´ıculas. Em memo´ria do seu nome, uma part´ıcula que seja a sua pro´pria
anti-part´ıcula, e´ designada part´ıcula de Majorana.
❐ Esta e´ uma questa˜o em aberto que, como sempre em F´ısica, deve ser decidida
experimentalmente.
❐ Em 1935, Maria Goeppert-Mayer previu que, em alguns nu´cleos, e´ poss´ıvel
que ocorram simultaneamente dois decl´ınios β, processo designado por duplo
decl´ınio β. Neste processo dois neutro˜es passam a proto˜es com a emissa˜o
de dois electro˜es e de dois neutrinos. Tal como no decl´ınio β os neutrinos so´
sa˜o detectados indirectamente, atrave´s do balanc¸o energe´tico. Este processo e´
extremamente raro, mas ja´ foi verificado experimentalmente.
d
u
d
d
u
u
W
e
ν
e
d
u
d
u
u
d
W
ν
neutra˜o
neutra˜o
prota˜o
prota˜o
Majorana
Goeppert-Mayer
IST Os neutrinos sa˜o as suas pro´prias anti-part´ıculas?
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
•Neutrinos
•Majorana
• ν, c e Relatividade
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 20
❐ Em 1939, Wolfgang Furry propoˆs que um duplo decl´ınio β sem a emissa˜o de
neutrinos fosse poss´ıvel. Para que isto acontec¸a, os neutrinos teˆm que ter
massa e serem as suas pro´prias anti-part´ıculas (part´ıculas de Majorana).
d
u
d
d
u
u
W e
ne p
ν e
d
u
d
u
u
d
W
ne p
❐ Neste momento esta˜o, ou em comec¸o de operac¸a˜o ou em construc¸a˜o, um
nu´mero grande de experieˆncias destinadas a baixar este limiar de detecc¸a˜o e a
demonstrar o caracter de Majorana dos neutrinos.
Majorana
Furry
IST Ettore Majorana
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
•Neutrinos
•Majorana
• ν, c e Relatividade
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 21
Numa noite de Marc¸o de 1938, o f´ısico italiano Ettore Majorana apanhou um navio
de Na´poles, onde trabalhava ha´ pouco tempo, para Palermo e desapareceu para sem-
pre. Levava o passaporte e o equivalente a 50 mil euros. Tinha 31 anos. Ningue´m
sabe o que aconteceu, o corpo nunca foi encontrado. Suicidou-se, pois afinal es-
tava deprimido ha´ cinco anos? Ou quis isolar-se de todos, incluindo de uma ma˜e
dominadora, refugiando-se num mosteiro?
Ningue´m sabe, mas podem ver esta personagem fascinante em . . .
Joa˜o Magueijo
IST A velocidade dos Neutrinos e a Relatividade Restrita
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?Neutrinos
•Neutrinos
•Majorana
• ν, c e Relatividade
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 22
❐ A teoria da Relatividade Restrita de Eintein (1905) tem como
consequeˆncia que ha´ uma velocidade limite a velocidade da luz
c = 300000 Km/s. Nenhuma part´ıcula pode viajar a uma velocidade
superior a c
❐ A experieˆncia OPERA envia um feixe de neutrinos do CERN ate´ ao
laborato´rio Gran Sasso em Ita´lia, numa distaˆncia de 732 Km. Uma
das coisas que medem e´ a velocidade destes neutrinos.
❐ Os resultados apre-
sentados em 2011
apareceram em todo
o lado pois con-
tradiziam a teoria de
Einstein. Contudo
havia um erro experi-
mental. Um cabo es-
tava mal ligado!
IST Na pa´gina da colaborac¸a˜o
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
•Neutrinos
•Majorana
• ν, c e Relatividade
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 23
IST Nas Not´ıcias
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
•Neutrinos
•Majorana
• ν, c e Relatividade
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 24
E´ interessante analizar o impacto que este resultado teve nas not´ıcias. Ver
por exemplo
❐ Anu´ncio da colaborac¸a˜o no CERN
http://www.youtube.com/watch?v=OBnm9-pi6yo
❐ Nas not´ıcias: Einstein estava errado!
http://www.youtube.com/watch?v=WFzM16w9UOM
❐ Afinal um cabo estava mal ligado!
http://www.youtube.com/watch?v=DhYv3QsJh5M
IST Einstein e a Busca da Teoria Unificada
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
•Einstein
•Modelo Padra˜o
•Unificac¸a˜o
•Decaimento p
• SuperK
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 25
Porqueˆ quatro e na˜o so´ uma interacc¸a˜o?
❐ Semelhanc¸as entre Electromagnetismo e a Relatividade Geral:
◆ Longo alcance: fota˜o e gravita˜o com massa nula
◆ Variac¸a˜o com 1/r2
❐ Einstein tentou durante 30 anos duas vias:
◆ Teorias de Kaluza Klein a 5 dimenso˜es
◆ Modificac¸o˜es da me´trica do espac¸o-tempo a 4 dimenso˜es
IST O (In)Sucesso de Einstein
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
•Einstein
•Modelo Padra˜o
•Unificac¸a˜o
•Decaimento p
• SuperK
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 26
Em Subtle is the Lord (1982), o bio´grafo de Einstein, Abraham Pais, e´
muito cr´ıtico dos trabalhos sobre a Unificac¸a˜o. No entanto a nossa
compreensa˜o hoje e´ diferente.
❐ Na altura (∼ 1930) so´ se conheciam o electra˜o e o prota˜o.
❐ Apesar de tudo a gravitac¸a˜o ainda resiste a` unificac¸a˜o.
❐ As teorias de Kaluza-Klein esta˜o na base de todas as tentativas
modernas de unificac¸a˜o que incluam a gravitac¸a˜o, como por exemplo
as teorias de cordas.
❐ Tal como no caso da constante cosmolo´gica, Einstein possivelmente
estava certo antes de tempo!
IST O Modelo Padra˜o: Um Modelo de Sucesso
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
•Einstein
•Modelo Padra˜o
•Unificac¸a˜o
•Decaimento p
• SuperK
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 27
❐ O Modelo Padra˜o: Teoria Electrofraca de Glashow- Weinberg-Salam
(Pre´mio Nobel de 1979) mais a Cromodinaˆmica Quaˆntica (QCD)
❐ Avanc¸os do lado teo´rico: Prova da renormalizac¸a˜o (Pre´mio Nobel de
1999) e liberdade assimpto´tica (Pre´mio Nobel de 2004).
❐ Avanc¸os do lado experimental: Descoberta das correntes neutras
(CERN 1973), descoberta do W± e do Z0 (CERN 1983, Pre´mio
Nobel de 1984), resultados do LEP (CERN 1989-2000).
Glashow Weinberg Salam
’t Hooft Veltman Gross Politzer Wilczek
Rubbia Van der Meer
Conduziram hoje a uma situac¸a˜o em que
este modelo esta´ testado ao n´ıvel de 0.1%.
1979
1984
1999 2004
IST O Sonho de Einstein: Unificac¸a˜o das Interacc¸o˜es
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
•Einstein
•Modelo Padra˜o
•Unificac¸a˜o
•Decaimento p
• SuperK
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 28
Modelo Padra˜o Supersimetria
0 5 10 15 20
Log(Q/GeV)
0
10
20
30
40
50
60
1
/
α
i
0 5 10 15 20
Log(Q/GeV)
0
20
40
60
1
/
α
i
α−11
α−12
α−13
α−11
α−12
α−13
αi =
g2i
4π


g1
g2
g3




UY (1)
SUL(2)
SUc(3)


Teoria Electrofraca
Cromodinaˆmica
IST Decaimento do prota˜o e Super-Kamiokande
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
•Einstein
•Modelo Padra˜o
•Unificac¸a˜o
•Decaimento p
• SuperK
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 29
❐ No Modelo Padra˜o o prota˜o e´ absolutamente esta´vel
❐ Em teorias de Grande Unificac¸a˜o (GUT) o prota˜o pode decair
❐ Super-Kamikande e´ o maior detector (50 000 toneladas de a´gua pura)
para observar o decaimento do prota˜o. Esta´ situado 1 Km debaixo do
solo em Hida-city, Gifu no Japa˜o.
❐ Ate´ ao momento na˜o ha´ qualquer candidato o que da´ um limite de
τp > 8.2× 10
33 anos
❐ Para comparar a idade do Universo e´
τUniverso = 13.75× 10
9 anos
IST Super-Kamiokande e o decaimento do prota˜o
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
•Einstein
•Modelo Padra˜o
•Unificac¸a˜o
•Decaimento p
• SuperK
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 30
4
2
m
IST A experieˆncia LHC no CERN
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
•Escalas
•O S´ıtio
•O Acelerador
•Energia do LHC
•Um Detector
• F´ısica Ba´sica
O Higgs em 2013
Aprender Mais
Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 31
Vamos aqui tentar explicar porque e´ que os f´ısicos constroiem grandes
ma´quinas para explorar os segredos do infinitamente pequeno.
❐ Ha´ alguma part´ıcula mais pequena do que os quarks?
◆ Escalas e Energia
◆ O LHC
❐ A descoberta do bosa˜o de Higgs
◆ O que e´ o bosa˜o de Higgs?
◆ Os resultados experimentais
◆ As implicac¸o˜es
IST Escalas e Energia
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
•Escalas
•O S´ıtio
•O Acelerador
•Energia do LHC
•Um Detector
• F´ısica Ba´sica
O Higgs em 2013
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 32
Princ´ıpio de Incerteza de Heisenberg
Para ver distaˆncias cada vez mais pequenas
sa˜o necessa´rias energias cada vez maiores
∆x ∆p ≥ ~
Escala Energia Relevaˆncia
1 A˚ = 10−10 m ∼ 1 keV A´tomos e Mole´culas
(Raios X)
1 fermi= 10−15 m ∼ 100 MeV Nu´cleos
(Pequenos Aceleradores)
10−18 m ∼ 100 GeV Distaˆncia mais pequena
observada (LEP)
IST LHC: Large Hadron Collider (Colisionador de Hadro˜es)
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
•Escalas
•O S´ıtio
•O Acelerador
•Energia do LHC
•Um Detector
• F´ısica Ba´sica
O Higgs em 2013
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 33
IST O acelerador LHC
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
•Escalas
•O S´ıtio
•O Acelerador
•Energia do LHC
•Um Detector
• F´ısica Ba´sica
O Higgs em 2013
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 34
Superconducting
magnets
SPS
PS
CMS
Compact Muon Solenoid
Beams Energy Luminosity
e+ e- 200 GeV 1032 cm-2s-1
p p 14 TeV 1034
Pb Pb 1312 TeV 1027
LEP
LHC
The Large Hadron Collider (LHC)
ATLAS
LHC-B
ALICE
FromLEP to LHC
IST A Energia dosFeixes do LHC: 14 TeV
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
•Escalas
•O S´ıtio
•O Acelerador
•Energia do LHC
•Um Detector
• F´ısica Ba´sica
O Higgs em 2013
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 35
O LHC acelera 3×1014 proto˜es a velocidades de 99.99999999%
da velocidade da luz. A energia desse feixe corresponde a
uma manada de 1000 elefantes deslocando-se a 30 m/s (108
km/hora) ou a 3µg de anti-mate´ria.
IST O Detector CMS
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
•Escalas
•O S´ıtio
•O Acelerador
•Energia do LHC
•Um Detector
• F´ısica Ba´sica
O Higgs em 2013
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 36
GIF – Annecy 2001 26
The CMS Detector
MUON BARREL
CALORIMETERS
Silicon Microstrips
Pixels
ECAL
Scintillating 
PbWO4 crystals
Cathode Strip Chambers ( )CSC
Resistive Plate Chambers ( )RPC
Drift Tube
Chambers ( )DT
Resistive Plate
Chambers ( )RPC
SUPERCONDUCTING
COIL
IRON YOKE
TRACKER
MUON
ENDCAPS
Total weight : 12,500 t
Overall diameter : 15 m
Overall length : 21.6 m
Magnetic field : 4 Tesla
HCAL
Plastic scintillator/brass
sandwich
IST A F´ısica Ba´sica no LHC
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
•Escalas
•O S´ıtio
•O Acelerador
•Energia do LHC
•Um Detector
• F´ısica Ba´sica
O Higgs em 2013
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 37
l
l
jet
Particle
jet
Proton-Proton (2835 x 2835 bunches) 
Protons/bunch 1011
Beam energy 7 TeV (7x1012 eV)
Luminosity 1034 cm-2 s-1
Crossing rate 40 MHz
Collisions ≈ 107 - 109Hz
SUSY.....
Higgs
Zo
Zo
Parton
(quark, gluon)
Proton
Selection of 1 in 10,000,000,000,000
Collisions at LHC
Bunch
Higgs
e+
e+
e-
e-
IST LHC: Primeiros acontecimentos no ATLAS
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
•Escalas
•O S´ıtio
•O Acelerador
•Energia do LHC
•Um Detector
• F´ısica Ba´sica
O Higgs em 2013
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 38
IST LHC: Primeiros acontecimentos no CMS
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
•Escalas
•O S´ıtio
•O Acelerador
•Energia do LHC
•Um Detector
• F´ısica Ba´sica
O Higgs em 2013
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 39
IST O Mecanismo de “Higgs”
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
•Evoluc¸a˜o
•Exemplo CMS
•Exemplo Atlas
•Nobel Prize
•WWW
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 40
❐ Quem teve a ideia em 1964?
Higgs Kibble Englert Brout Hagen Guaralnik
❐ O que fizeram?
◆ A resposta e´ muito te´cnica
T. de Goldstone + Simetria de Gauge = Mecanismo de Higgs
◆ Ver videos de divulgac¸a˜o
❐ Quem descobriu?
◆ LHC no CERN
◆ Os resultados e dificuldade em ter a certeza
◆ O futuro
IST Artigo na Physics Letters
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
•Evoluc¸a˜o
•Exemplo CMS
•Exemplo Atlas
•Nobel Prize
•WWW
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 41
IST Artigo na Physical Review Letters
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
•Evoluc¸a˜o
•Exemplo CMS
•Exemplo Atlas
•Nobel Prize
•WWW
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 42
IST O Modelo Standard em Quatro Linhas · · ·
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
•Evoluc¸a˜o
•Exemplo CMS
•Exemplo Atlas
•Nobel Prize
•WWW
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 43
O CERN tem uns produtos a` venda que duma forma sucinta, resumem
todo o modelo standard, mas so´ para especialistas, claro!
IST V´ıdeos no You Tube sobre o bosa˜o de Higgs
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
•Evoluc¸a˜o
•Exemplo CMS
•Exemplo Atlas
•Nobel Prize
•WWW
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 44
❐ The Higgs Boson, Part I
http://www.youtube.com/watch?v=9Uh5mTxRQcg&feature=relmfu
❐ The Higgs Boson, Part II: What is Mass
http://www.youtube.com/watch?v=ASRpIym jFM&feature=relmfu
❐ The Higgs Boson, Part III: How to discover
http://www.youtube.com/watch?v=6guXMfg88Z8&feature=fvwrel
❐ Fermilab video
http://www.youtube.com/watch?v=RIg1Vh7uPyw&feature=related
❐ CERN video
http://www.youtube.com/watch?NR=1&feature=endscreen&v=QG8g5JW64BA
Animated Video
❐ Peter Higgs
http://www.youtube.com/watch?v=4Pi1EE8nutc&feature=related
IST Os dados em 4 de Julho de 2012 · · ·
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
•Evoluc¸a˜o
•Exemplo CMS
•Exemplo Atlas
•Nobel Prize
•WWW
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 45
IST A evoluc¸a˜o do resultado com o tempo
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
•Evoluc¸a˜o
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•Exemplo Atlas
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IST Os dados em 2013 · · ·
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
•Evoluc¸a˜o
•Exemplo CMS
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 47
 [GeV]Hm
110 115 120 125 130 135 140 145 150
0
L
o
c
a
l
 
p
-1410
-1210
-1010
-810
-610
-410
-210
1
210
410
510
σ1
σ2
σ3
σ4
σ5
σ6
σ7
 (category)
0
Observed p
 (category)
0
Expected p
 (inclusive)
0
Observed p
 (inclusive)
0
Expected p
 = 7 TeVsData 2011, 
-1Ldt = 4.8 fb∫
 = 8 TeVsData 2012, 
-1Ldt = 20.7 fb∫
ATLAS Preliminary
γγ→H
IST Os dados em 2013 · · ·
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
•Evoluc¸a˜o
•Exemplo CMS
•Exemplo Atlas
•Nobel Prize
•WWW
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 48
100 110 120 130 140 150 160
E
v
e
n
t
s
 
/
 
2
 
G
e
V
2000
4000
6000
8000
10000
ATLAS Preliminary
γγ→H
-1Ldt = 4.8 fb∫ = 7 TeV, s
-1Ldt = 20.7 fb∫ = 8 TeV, s
Selected diphoton sample
Data 2011+2012
=126.8 GeV)
H
Sig+Bkg Fit (m
Bkg (4th order polynomial)
 [GeV]γγm
100 110 120 130 140 150 160
E
v
e
n
t
s
 
-
 
F
i
t
t
e
d
 
b
k
g
-200
-100
0
100
200
300
400
500
IST Exemplo de CMS
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
•Evoluc¸a˜o
•Exemplo CMS
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 49
IST Exemplo de Atlas
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
•Evoluc¸a˜o
•Exemplo CMS
•Exemplo Atlas
•Nobel Prize
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 50
IST Pre´mio Nobel 2013
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
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•Exemplo CMS
•Exemplo Atlas
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 51
IST CERN: Onde nasceu a “World Wide Web”
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e oCERN
O Higgs em 2013
•Evoluc¸a˜o
•Exemplo CMS
•Exemplo Atlas
•Nobel Prize
•WWW
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 52
Fez vinte anos em 2009, que algo aconteceu no CERN que mudou o mundo
para sempre: Tim Berners-Lee entregou um documento ao seu superior Mike
Sendall com o t´ıtulo “Gesta˜o de Informac¸a˜o: uma Proposta”. “Vago mas
excitante” foi como Mike a descreveu e lhe deu autorizac¸a˜o para desenvolver
a ideia. No ano seguinte a Net, tal como a conhecemos hoje, tinha nascido.
IST Aprender Mais ...
Introduc¸a˜o
De que somos feitos?
Neutrinos
Unificac¸a˜o
LHC e o CERN
O Higgs em 2013
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Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 53
❐ /http://public.web.cern.ch/Public/Welcome.html
❐ http://www.particlephysics.ac.uk/teach/useful-links.html
❐ http://particleadventure.org/
❐ http://en.wikipedia.org/wiki/Higgs
❐ http://www.exploratorium.edu/origins/cern/ideas/higgs.html
❐ http://www.phy.uct.ac.za/courses/phy400w/particle/higgs.htm
❐ http://universe-review.ca/F02-cosmicbg.htm
❐ http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/html/cpviolationtoc.htm
❐ http://www.auger.org/
❐ http://cms.cern.ch/
❐ http://atlasexperiment.org/
❐ htts://cernland.web.cern.ch/
❐ http://cftp.ist.utl.pt/livrodanatureza/
	Introdução
	De que somos feitos?
	As Interacções Fundamentais
	Mapa das Interacções
	A Descrição Moderna duma Força
	Como Explicar as Interacções?
	Teorias de Campo Modernas
	Simetrias de Padrão (Gauge)
	Propriedades Gerais das Interacções
	Os Constituintes Elementares
	Matéria: Os Leptões
	Matéria: Os Quarks
	Hadrões: Mesões e Bariões
	Como Gerar a Massa? O bosão de Higgs
	Dirac e as anti-partículas
	Resumo das Interacções e Constituintes
	Neutrinos
	Neutrinos
	Os neutrinos têm massa?
	Os neutrinos são as suas próprias anti-partículas?
	Os neutrinos são as suas próprias anti-partículas?
	Ettore Majorana
	A velocidade dos Neutrinos e a Relatividade Restrita
	Na página da colaboração
	 Nas Notícias
	Unificação
	Einstein e a Busca da Teoria Unificada
	O (In)Sucesso de Einstein
	O Modelo Padrão: Um Modelo de Sucesso
	O Sonho de Einstein: Unificação das Interacções
	Decaimento do protão e Super-Kamiokande
	Super-Kamiokande e o decaimento do protão
	LHC e o CERN
	A experiência LHC no CERN
	Escalas e Energia
	LHC: Large Hadron Collider (Colisionador de Hadrões)
	O acelerador LHC
	A Energia dos Feixes do LHC: 14 TeV
	O Detector CMS
	A Física Básica no LHC
	LHC: Primeiros acontecimentos no ATLAS
	LHC: Primeiros acontecimentos no CMS
	O Higgs em 2013
	O Mecanismo de ``Higgs''
	Artigo na Physics Letters
	Artigo na Physical Review Letters
	O Modelo Standard em Quatro Linhas @let@token 
	Vídeos no You Tube sobre o bosão de Higgs
	Os dados em 4 de Julho de 2012 @let@token 
	A evolução do resultado com o tempo
	Os dados em 2013 @let@token 
	Os dados em 2013 @let@token 
	Exemplo de CMS
	Exemplo de Atlas
	Prémio Nobel 2013
	CERN: Onde nasceu a ``World Wide Web''
	Aprender Mais
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