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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 Aprender Mais 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 Aprender Mais 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 Aprender Mais 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 Aprender Mais 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 Aprender Mais 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 Aprender Mais 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 Aprender Mais 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 Aprender Mais 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 Aprender Mais 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 Aprender Mais 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 Aprender Mais 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 Aprender Mais 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 Aprender Mais 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 Aprender Mais 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 Aprender Mais 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 Aprender Mais 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 Aprender Mais 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 Aprender Mais 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 •Exemplo CMS •Exemplo Atlas •Nobel Prize •WWW Aprender Mais Jorge C. Roma˜o HiggsNeutrinos2012 – 46 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 Aprender Mais 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 Aprender Mais 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 •Exemplo Atlas •Nobel Prize •WWW Aprender Mais 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 •WWW Aprender Mais 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 •Evoluc¸a˜o •Exemplo CMS •Exemplo Atlas •Nobel Prize •WWW Aprender Mais 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 Aprender Mais 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 Aprender Mais 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 Aprender Mais ...
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