MasterClass 2010

SPRACE

Centro Regional de Análise de São Paulo

Do que o mundo é feito:

As partículas e suas interações

Explorando o mundo subatômico:

Aceleradores e detectores

Um pouco de história:

Descobertas do último século

O Large Electron Positron Collider e o Z

Exercício MasterClass:

Identificando eventos no decaimento do Z2010 SPRACE

Programa

2

Parte 1

2010 SPRACE 3

SPRACE 4

Do que é feito o Universo?

SPRACE

ChinaChina5.000 AC5.000 AC

GréciaGrécia500 AC500 AC

MendeleievMendeleiev18501850

Século XXSéculo XX

42010

Física de Partículas???

“Física de Partículas” é uma maneira vaga de se falar… Esse é o nome moderno que se dá ao antigo esforço de compreender as leis da Natureza

Nós usamos “Física de Partículas” como uma abreviatura para essa longa e difícil busca pois durante o século XX as partículas subatômica desempenharam um importante papel

2010 SPRACE 5

Edward WittenPublic Lecture at the

34th International Conference on High Energy Physics (ICHEP08)

2010 SPRACE 6

Do Átomo aos Quarks

2010 SPRACE

10-9

7

Essas 3 partículas formam todo o universo!

As 3 Famílias

Quarks Leptons

up

down

charm

strange

top

bottom

elétron múon tau

neutrino

do elétron

neutrino do múon

neutrino do tau

Os Sabores

charm

strange topelétron neutrino

do múon

down

2010 9SPRACE

Construindo o Universo

prótons nêutrons

Multiplique isso agora por bilhões e bilhões e bilhões …

elétrons

Átomo de Hélio

2010 10SPRACE

E você terá o Universo

2010 11SPRACE

2010 SPRACE 12

Áto

mos

Para cada tipo de partícula Existe uma antipartícula

E a antimatéria?

Partículas e antipartículas possuem carga elétrica oposta (e sabor e cor)

mas mesma massa (e spin)

up

down

elétron

neutrino do elétron

anti-up

anti-down

pósitron

Antineutrino do elétron

Mas até onde sabemos, o Universo é composto basicamente de matéria.

Anti-Tom Hanks Tom Hanks

Matéria versus Antimatéria

Seria na realidade muito

parecido com ele

Mas quando eles se encontram…

Matéria versus Antimatéria

2010 15SPRACE

As Forças da Natureza

2010 SPRACE

Força gravitacional

1010-40-40

Força Eletromagnética

1010-2-2

16

Força Forte

11

Força Fraca 1010-5-5

3H 3He

A cor

+−++

− −

Interação Eletromagnética Interação Forte

2010 17SPRACE

A cor: bárions e mésons

Bárions

Mésons2010 18SPRACE

Interações, Sabor e Cor Interação Forte:

troca a cor

Interação Fraca: troca o sabor

2010SPRACE

19

q (azul)

q (verde)

g (azul-

antiverde)u (+2/3)

d (-1/3)W (-1)

Férmions: Léptons Elétron:

1897 Thomson

Múon: 1937 Neddermeyrer, Anderson

Tau: 1975 Perl

Neutrino do Elétron 1956 Cowan, Reines

Neutrino do Múon 1962 Lederman

Neutrino do Tau 2000 DONUT Collab., Fermilab

2010 SPRACE

SaborMassa(Gev)

Carga

NeutrinoLeve

(0-0,13)X10-9 0

Elétron 0,000511 -1

NeutrinoMédio

(0,009-0,13)X10-9 0

Múon 0,106 -1

NeutrinoPesado

(0,04-0,14)X10-9 0

Tau 1,777 -1

20

Férmions: Quarks

Up, Down, Strange 1964 Gell Mann

Charm 1974 Ting, Richter

Bottom 1977 Herb et al.

Top 1995 CDF, DØ

2010 SPRACE

SaborMassa(Gev)

Carga

Up 0,002 2/3

Down ~ 0,005 -1/3

Charm 1,3 2/3

Strange ~ 0,1 -1/3

Top 173 2/3

Bottom 4,2 -1/3

21

Bósons Intermediários Fóton

1923 Compton

W e Z 1983 UA1/2 Collab. (CERN)

Glúon– 1979 MARKJ/TASSO/PLUTO/JADE

(Desy)

2010 SPRACE

SaborMassa(Gev)

Carga

Fóton 0 0

W+ 80,39 1

Z0 91,19 0

W- 80,39 -1

Glúon 0 0

22

Massas muito diferentes

2010 SPRACE

ttbb

ccss

uu

dd

pp

23

Resumo: Partículas e Interações

2010 SPRACE

Gluons (8)

Quarks

Mesons Barions Núcleo

Graviton ? Bosons (W,Z)

ÁtomosLuzQuímicaEletrônica

Sistema SolarGalaxiasBuracos Negros

Decaimento do NêutronRadioatividade BetaInteração dos NeutrinosBrilho do Sol

Forte

Fóton

Gravitacional Fraca

Eletromagnética

Tau

Muon

Elétron

TauNeutrino

MuonNeutrino

ElétronNeutrino

-1

-1

-1

0

0

0

Bottom

Strange

Down

Top

Charm

Up

2/3

2/3

2/3

-1/3

-1/3

-1/3

cada quark: R, B, G 3 cores

Quarks

Carga Elétrica

Léptons

Carga Elétrica

24

Algumas Questões em Aberto Matéria X Antimatéria

Apesar de terem sido criadas em igual quantidade no início do universo, porque vemos praticamente apenas matéria atualmente?

Origem da Massa Seria possível compreender de forma mais

profunda a origem da massa de todas as partículas? Seria realmente o mecanismo de Higgs o responsável por essa massa?

Matéria Escura e Energia Escura Uma forma invisível de matéria domina a matéria

observada nas galáxias e clusters. Seria constituída de um novo tipo de partículas?

Universo em Aceleração A expansão do Universo parece estar acelerando.

Existira uma nova interação ou dimensões extras do espaço?

2010 SPRACE 25

2010 SPRACE 26

SPRACE 27

Isso aumenta a sua resistência ao movimento, ou ele adquire massa como uma

partícula se movendo no campo de Higgs

O Campo de HiggsO Campo de Higgs

Quando um cientista famoso entra na sala ele causa uma tumulto e atrai vários admiradores para junto de si

Uma sala cheia de cientistas conversando é parecido com o espaço preenchido

apenas pelo campo de Higgs

2010

SPRACE 28

E o Bóson de Higgs...E o Bóson de Higgs...

Cria uma espécie de aglomeração, só que agora, entre os próprios

cientistas que estão na sala. Esses aglomerados são parecidos com o

bósons de Higgs

Se um rumor é anunciado através da sala...

2010

O brilho das estrelas e a interação fraca

SPRACE 29

• Estrelas convertem H em He através de:– Cadeia próton-próton (pp)– Ciclo carbono-nitrogênio-oxigênio (CNO)

• A cadeia pp é a mais importante em estrelas menores como o Sol – Devido a barreira eletromagnética, esse

processo é muito lento (10 bilhões de anos): por isso o Sol brilha a tanto tempo.

– Ocorre em 2 etapasFusão de 2 núcleos de H dando 3H

Pósitron emitido se aniquila com elétron dando origem a 2 fótons

Fusão núcleo de deutério e H Dando origem a 3He e 1 fóton

2010