Matéria/dimensões X Interações Fundamentais (V Escola do CBPF)

LHC-3: Higgs
IF-USP/São
e
SUSY.
Carlos
OUT 2013
J. A. Helayël
CBPF / MCTI
GFT – JLL.
Algumas celebrações ~ Modelo-Padrão
“On the Constitution of Atoms and Molecules”
N. Bohr, Philos. Mag. 26 (1913) 1 (Part I), 476 (Part II).
“Tentativo di uma Teoria dell’Emissione dei Raggi-Beta”
E. Fermi, Ric. Scientifica 4 (2) (1933) 491.
“The Field Theory of Superconductivity”
Progr. Theor. Phys. 9 (1953) 550.
Rubbia (UA1) - Jenni (UA2) (1983)
Bósons – (W e Z) no Super-Proton Synchrotron.
Nobel-2013: Englert-Higgs (de 7 para 2!)
• Salam; [Brout, Englert]; Higgs; [Guralnik, Hagen, Kibble].
• “for the theoretical discovery of a mechanism that
contributes to our understanding of the origin of mass of
subatomic particles, and which recently was confirmed
through the discovery of the predicted fundamental
particle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN's
Large Hadron Collider.”
• 23 Prêmios Nobel relativos ao M-P (1933 – 2013).
O que são as Interações Fundamentais?
(Em que medida uma interação é considerada fundamental?)
Gravidade (GN )
Eletromagnetismo (α)
Força Nuclear Forte (gs)
Força Nuclear Fraca (GF)
5a Força?
(composição
do Higgs)
Interações Fundamentais ~ Escalas distintas
Como pensar em
Unificação?
Esquema geral de um programa de unificação
• Setor de matéria/representações especiais do grupo da
simetria de unificação.
• Setor de bósons vetoriais.
• Como gerar as escalas ? (Nambu/Supercondutividade): que
elemento novo trazer com este fim?
• Vínculos: simetria relativística e vácuo não-trivial.
• Chega-se a um setor extra à matéria e aos bósons
intermediários: setor de Higgs.
• (O que dizer sobre a elementaridade de escalares?)
M-P e novos cacifes/desafios em 2013
Cacifando:
ABR 2013: CMS – 6.7 Sigma para H em ZZ, com 125.8 GeV;
H é escalar. (Pseudo-escalar e s=2 excluídos. )
Nature JUL 2013: “Let it B”. Violação de CP no decaimento do Bs0 .
OUT 2013: Q
w
(p) – medição da carga fraca do próton.
Desafiando:
PRL JUN 2013: evidência de uma nova categoria de hádrons
(mésons de 4 quarks, tipo-charmonium).
PRL AGO 2013: excesso de e+ com E>10 GeV em raios cósmicos.
ATLAS, CMS
Novo bóson identificado
“Observation of a new particle in the search for the SM Higgs boson
with the ATLAS detector at the LHC”
Phys. Lett. B716 (2012) 1.
“Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS
experiment at the LHC”
Phys. Lett. B716 (2012) 30.
ABR 2013: CMS – 6.7 Sigma para H em ZZ, com 125.8 GeV;
H é escalar.
LHCb ~ Modelo-Padrão resiste
A presente situação
.
.
“First evidence for the decay of Bs 0 into µ+ µ-”
Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 021801.
MSSM sofre abalo com o decaimento raro dos Bs 0
M-P OK.
Problema com a SUSY? (“SUSY hospitalizada?”)
Ou com algum mecanismo específico?
.
Simetrias, Representações, Mecanismos:
reflexão teórica que nos localiza na questão.
Simetria: em nosso caso, a SUSY.
Representações: campos/partículas parceiras (supermultipletes).
Mecanismos: implementação e quebra da SUSY.
Escala da SUSY: SUSY presente nos aceleradores?
Naturalidade: mSUSY ~ O (1 TeV).
SUSY define modelos específicos
SM ~ 19 parâmetros
MSSM ~ 124 parâmetros
Uma quebra particular de SUSY define um
modelo específico.
Gravity-mediated SUSY
(mSUGRA ou CMSSM)
Gauge –mediated SUSY
Anomaly-mediated SUSY
Como localizar a SUSY frente ao M-P?
• Por que uma ΦaMP?
• SUSY seria o melhor candidato a uma nova Φ ?
• Busca de uma (ou mais) escala (s) para a quebra da SUSY;
• Relação entre SUSY e Higgs;
• Novas simetrias, novos parâmetros, Higgses com carga;
• Parceiros supersimétricos nos loops:
efeitos de precisão detectáveis em aceleradores.
Momento magnético anômalo do muon
• Teste de precisão do M-P.
• aμ
SM
= a μ (QED) + a μ (EW) + a μ (had).
• Sensível a uma Φ além da escala eletrofraca.
• a μ = 116 591 801 x 10 -11
• a μ (exp) = 116 592 089 (54) x 10 -11
• Δa μ = 288 x10 -11 : possível nova Φ.
TQCs
.1926: Dirac
e
IFs
- Formalização da MQ.
. 1927: Dirac, Jordan - Fundamentos das TQCs.
. 1927: Dirac - TQ da Dispersão
(Fundamentos da QED.)
(Ano também do Princípio da Incerteza.)
. 1º/01/1928: Dirac - TQR para o elétron (pósitron virá em 1931).
. 1930: Fermi / Majorana – Pauli / Weisskopf
QED (trabalhando na formulação: problema dos escalares).
Fazem sentido escalares/bósons carregados em uma TQR?
Repercussões
Charles Darwin to Bohr (DEC 1927):
‘Dirac has now got a completely new system of equations for the electron
which does the spin right in all cases and seems to be “the thing”.’
Heisenberg to Bohr (JUL 1928):
“I find the present situation quite absurd and on that account, almost out of
despair, I have taken up another field, trying to understand magnetism.”
Heisenberg to Pauli (AUG 1928):
“The saddest chapter of modern Physics is and remains the Dirac theory.”
Avanços em TQCs : Simetrias
.
.1930: Dirac - “The Proton” (Nature) (bases para a sim-C).
.1931: Pauli -
Hipótese dos neutrinos (só aparecem em 1956).
.1931: Dirac – Predição do pósitron, anti-próton (sim-C);
monopólos magnéticos;
quantização da carga.
Três grandes questões em um único trabalho:
Proc. Roy. Soc. A133 (1931) 60.
.1º/OUT/1931: Histórico seminário em Princeton – Dirac e Pauli.
Motivação fundamental do Dirac: universalidade da carga.
Germinando a Física das Interações Fracas
(Anos-’30)
.1932: Descobertas – pósitron e nêutron (Rutherford: 1920).
(O anti-próton só foi descoberto em 1955.)
.1933: Fermi – “On QED”.
Fermi propõe o 4º campo: interações fracas.
(A Nature não aceita o paper: “muito fora da realidade”.)
.1935: Yukawa prevê a existência dos mésons-π (fortes/fracas).
.1936:
Descoberta segunda família: múons (Poderiam ser os πs ?)
(πs somente em ‘47, em raios cósmicos; ’48, em aceleradores.)
.1938: Oskar Klein: “A Theory of Everything”.
Repensando o Método Científico
Rutherford: “I would have liked it better if the theory had
Arrived after the exper ’l facts had been established.”
Repensando a relação
abstrato/teoria x concreto/experimentação.
Dirac: PRS (Edinburgh, 1939)
“On the Relation between Physics and Mathematics”.
Fase-anos ‘50 do Programa das Is Fracas
(Diálogo contínuo teoria/experimentos: definindo direções.)
• 1949 – 1950: Feynman-Schwinger-Tomonaga.
• 1951, 1952: Salam - QED para portadores escalares
•
(Em 1963, QED para portadores com spin-1.)
• 1952: Salam – TCs para a Supercondutividade.
• 1954: Teorias de Yang-Mills-Shaw.
Bósons vetoriais sem massa.
Problema da geração de escala.
• s=0 x s=1.
.
Fase-anos ‘50 do Programa das IFs
• 1956: ICPPh - Seattle: Lee – Yang: Violação da Paridade.
• 1957: Salam revê os resultados de de Y-M-S:
Simetria quiral e reforça a questão dos portadores de s=1
e o papel dos escalares (novos acoplamentos: Yukawa)
Sinal verde para o Higgs: escalares acoplam os setores-L
e -R.
• Escalares restauram unitariedade violada por bósons
vetoriais massivos.
• 1958: Nambu (Spcondutividade em Física de Partículas)
P. W. Anderson (1962: “Plasmons, Gauge Invariance and Mass”).
Fase-anos ‘60 do Programa das Is Fracas
(Fenomenologia)
.1961: Gell-Mann/Ne’eman – SU(3), Eightfold Way (u, d, s).
.1962: Lederman: 2’a espécie de neutrinos : neutrino-μ.
.1963: Cabibbo – “Unitary Symmetry and Leptonic Decays” (PRL)
Supressão de correntes neutras com variação de estranheza:
idéia de um ângulo de mixing entre (d,s) (base para CKM).
.1964: Bjorken/Glashow – “Elementary Particle and SU(4)”
Novo quark: charm, completando a 2’a família de quarks.
.1964: Cronin-Fitch detectam violação de CP em sistema de káons.
.1968: SLAC – (Fenômeno: DIS) – Evidência dos quarks.
.1970: GIM – Nova argumentação para o charm.
Fase-anos ‘60 do Programa das IFs
(Teoria de Campos – Problema: geração de massa)
.1960: Nambu – “A Superconductor Model of Elementary Particles”.
.1961: Glashow – “Partial-Symmetries of Weak Interactions”.
.1961: Gell-Mann, Glashow – “Gauge Theories and Vector Particles”.
.1962: Goldstone, Salam, Weinberg – “Broken Symmetries”.
.1964: Higgs – “Broken symmetries, Massless Particles, and Gauge Fields”.
.1964: Englert, Brout – “Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Bosons”.
.1964: G, H, K -
“Global Conservation Laws and Massless Particles”.
.1964: Salam, Ward: “Electromagnetic and Weak Interactions”.
.1966: Higgs – “SSB without Massless Bosons”.
.1967: Weinberg - “A Model of Leptons”.
.1968: Salam – “Weak and Electromagnetic Interactions”.
O Prof. Higgs torna-se o Bóson
• “A Phenomenological Profile of the Higgs Boson”
NP B106 (1976) 292
Ellis, Gaillard, Nanopoulos
Última frase do paper que batiza o Bóson:
“..... For these reasons, we do not want to encourage big
experimental searches for the Higgs boson, but we do feel
that people performing experiments vulnerable to the Higgs
boson should know how it may turn up.”
O essencial da Física do Higgs
(O Higgs no cenário Eletrofraco)
Decaimento-β do nêutron: (u, d) (e, νe ) + réplicas/espécies.
Simetria: SU(2) x U(1), correspondentes #s quânticos.
Como se localiza o Higgs: (φ,h), dublete de SU(2) com carga U(1).
Interações com a matéria: y
ψL h ψR , g ψL A ψL , g ψR A ψR .
Acoplamentos mais robustos com os léptons mais massivos:
y ~ mf.
Interações com os bósons vetoriais: g h B2, g2 h2 B2. {Ws, Z0 , fóton}.
O essencial da Física do Higgs
(O Higgs no cenário Eletrofraco)
Auto-interação:
V = a h2+ b h4
.
Vácuo não-trivial: h = v0 + H (H flutua estavelmente).
y, g, v fornecem as escalas de massa
0
(Massas no setor de quarks: matriz de CKM.)
Escala de energia gerada: v = 246 GeV
0
(escala eletrofraca).
19 parâmetros na Teoria Eletrofraca!
Cenário quântico: SuSy? Por quê?
.
Teoria Eletrofraca + QCD: Modelo-Padrão.
• 1960 – 1968: Teoria Eletrofraca é constituída.
Interações e.m. e nucleares fracas têm origem
comum: UNIFICAÇÃO em 246 GeV.
• 1973: Kobayashi, Maskawa - violação-CP
previsão teórica da 3’a geração de quarks.
• Gargamelle Chamber – CERN: descoberta as correntes
neutras em experimentos com neutrinos.
Teoria Eletrofraca + QCD: Modelo-Padrão.
No setor FORTE:
. 1969: Novo fenômeno - Scaling em DIS (SLAC).
Symanzik: Liberdade Assintótica
(em que bases fundamentar?)
. 1972 – 1973: Liberdade assintótica nas teorias de Y-M:
SU(3)cor ~ QCD.
(Gross, Politzer, Wilczek).
Configura-se o M-P: SU(3) x SU(2) x U(1), com
quebra de simetria induzida pelo Higgs (E~ 246 GeV)
para SU(3) x U(1), que são as simetrias presentes
nas energias acessíveis.
q's: (u, d); (c, s); (t, b).
l's: (e, ve); (μ, vμ); (τ, vτ).
Bósons de gauge
Higgs
Monopólos Magnéticos.
Interações X Dimensões
Visão de Yang-Mills
(Geometrização)
Anos ’70: Gravitação, SUSY e SUGRA (FaMP)
• 1973: Retomada da Quantum Gravity.
• 1973: SUSY no cenário das IFs.
• 1974 – 1978: do M-P para a Grande-Unificação.
• 1975: SUSY QED (fotino).
SUSY e problemas relativos a escalares.
• 1976: SUSY e Gravitação: SUGRA (gravitino).
• 1978: SUSY e dimensões > 4: K-K renasce; Preons.
Grandes Questões???
•3 gerações de matéria observadas; 4’a geração?
Uma nova dinâmica preônica para a quebra e-f.
• Partícula de Higgs e massa da matéria (LHCb: violação-CP;
fase da matriz de CKM sensível a uma фaMP;
sensível a possíveis Higgses carregados: B-decays.)
•Monopólos magnéticos.
•Dimensões (GUTs).
•Novas partículas (SUSY).
•Decaimento do próton / SUSY (1033 anos)
• Neutrinos massivos/oscilações.
Física com/sem Higgs
Unitariedade perturbativa: ~ 710 GeV (composto? Nova física?)
M-P em boa forma indica Higgs ~ 125 GeV.
Medições da massa do quark-t e dos bósons-W são compatíveis com a
massa do Higgs nesta mesma escala.
DEZ/2011:
Resultados do ATLAS e do CMS excluem, conjuntamente,
Higgs abaixo de 122.5 GeV e entre 129 e 539 GeV.
O Higgs fica armadilhado entre 122.5 e 129 GeV.
JUL/2012:
ATLAS e CMS identificam bóson na faixa 125 – 126 GeV.
Se o bóson encontrado é o Higgs do M-P: o que significa esta descoberta?
Se o Higgs é descartado: restam alternativas ao M-P? Novos cenários?
O que o LHC/ATLAS-CMS
poderia revelar?
Bóson de Higgs
Partículas supersimétricas x SUSY
Dinâmica (forte) da quebra eletrofraca
Novas gerações de quarks/léptons
Novos bósons de gauge (W’ , Z’)
Preons
LEDs
Grávitons massivos
Buracos negros
Matéria escura (strangelets/ALICE)
Monopólos magnéticos
Unparticles.
Lembrando que
LHC é também ALICE, LHCb, LHCf.