1% - TÓPICOS EM FíSICA GERAL I
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FÍSICA DE PARTÍCULAS EXPERIMENTAL NO LHC SANDRA AMATO 27 ABRIL 2017 TÓPICOS EM FÍSICA I PLANO DA PALESTRA • O que é Física de Partículas? • • • O que sabemos e o que não sabemos Como é um experimento de Física de Partículas? • Exemplo: o experimento LHCb • O que se mede em um experimento? • Quais os desafios tecnológicos e computacionais Como o Laboratório de Física de Partículas Elementares do Instituto de Física da UFRJ participa desses experimentos? 2 FÍSICA DE PARTÍCULAS O que procuramos entender??? Quais são os constituintes elementares da matéria e como eles interagem entre si 3 DOS GREGOS ATÉ HOJE… Pré-Socráticos: Quatro elementos 460-320 a.C. Demócrito: Toda matéria é constituída de partículas indivisíveis: ÁTOMO 1868: Já existiam 63 átomos ainda considerados elementares: Mendeleev propõe a tabela de elementos 4 PRIMEIRA METADE DO SÉCULO XX 1900 - 1930: Surge a “Física Moderna” : Relatividade, Mecânica Quântica 1911 - Estrutura Nuclear - Rutherford 1931 - Partículas conhecidas: prótons, elétrons, neutrons e fótons Conhecendo-se as partículas fundamentais foi possível entender a Tabela Periódica. Todas as partículas necessárias para explicar o mundo em que vivemos já haviam sido descobertas. PRONTO???? 5 DESCOBERTA DE NOVAS PARTÍCULAS Avanços tecnológicos: emulsões nucleares para se observar raios cósmicos, câmara de Wilson, aceleradores de partículas 1934- Anderson: pósitron antipartícula do elétron pares elétron-pósitron 6 MAIS PARTÍCULAS 1934 - Fermi introduz a ideia de interação fraca, decaimento Yukawa descreve interação nuclear pela troca de uma partícula nova, píon, e estima sua massa em ~200me 1946 - Observação de uma nova partícula. PÍON? MÚON 1947 - Descoberta píon - Lattes, Occhialini e Powel 7 LINHA DO TEMPO Uma nova tabela periódica? 8 MODELO DE QUARKS 1964 - Gell-Mann e Zweig - quarks u, d, s… a princípio apenas um modelo matemático…. Previsão e descoberta do ⌦ 9 A FÍSICA DE PARTÍCULAS ATUAL Confirmação Impressionante do Modelo de Quarks 10 O QUE SABEMOS: MODELO PADRÃO A matéria é composta de um pequeno número de partículas elementares que interagem trocando outras partículas 11 O QUE APRENDEMOS ATÉ HOJE Molécula Átomo >10-3m 10-2m a 10-10m Próton / Neutron 10-10m Quark - 10-15m Elétron 10-18m Núcleo Méson 12 10-14m COMPONENTES FUNDAMENTAIS DA MATÉRIA 10-18m MODELO PADRÃO qqq bárion méson qq 13 MASSAS 14 CONSTITUINTES DA MATÉRIA DO NOSSO DIA A DIA 15 MÉSONS 16 BÁRIONS 17 MODELO ATÔMICO ATUAL Modelo atômico atual - FORA DE ESCALA Em escala: 99,99999999999999% do volume de um átomo é apenas espaço vazio! p e n com 1cm de diâmetro è elétrons a 10 km A matéria é vazia!!! 18 O QUE UNE A MATÉRIA? O que observamos: quarks se unem em hádrons prótons e neutrons se unem para formar núcleos, mas como, já que cargas iguais se repelem? núcleos podem se desintegrar por efeitos radioativos os elétrons se ligam aos núcleos formando átomos neutros átomos se unem para formar moléculas moléculas se unem para formar estruturas mais complexas corpos massivos se atraem, nós estamos presos à Terra, a Lua orbita em torno da Terra, a Terra orbita em torno do Sol… 19 QUATRO INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS 20 ELETROMAGNETISMO Interação atrativa ou repulsiva Carga: elétrica - apenas as partículas carregadas sofrem essa interação Teoria de Maxwell, eletrodinâmica quântica partícula intermediária: Fóton Forças interatômicas: Interação residual responsável por todas as forças do dia a dia (exceto peso) 21 INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA 22 INTERAÇÃO FORTE Como os núcleos podem ser estáveis? Carga: "cor" (3 cores). Quarks possuem cor. Apenas as partículas com carga de cor sofrem essa interação Cromodinâmica quântica (QCD) partícula intermediária: Glúons - também possuem "cor" 23 INTERAÇÃO FORTE (CONT) CONFINAMENTO Todas as partículas formadas por quarks são neutras de cor (“brancas") Quarks não existem isoladamente, a força forte aumenta quando eles são separados Interação forte residual 24 INTERAÇÃO FRACA Decaimento beta Carga: “sabor” - afeta todas as partículas partículas intermediárias: W+ W- Z0 São extremamente pesadas: (Mp = 1GeV/c2) MW = 80,4 GeV/c2 MZ = 91,2 GeV/c2 é a única interação que permite mudança de indentidade 25 Sempre atrativa GRAVITAÇÃO Carga: massa Lei de Newton da Gravitação, Relatividade Geral de Einstein É a mais baixa intensidade partícula intermediária: graviton ??? 26 ANIQUILAÇÃO Ocorre entre duas partículas que formam um par matéria antimatéria. Ambas se aniquilam, transformando-se em uma das partículas transportadoras de força (photon, glúon, W ou Z) . Essas por sua vez se transformam em outros pares de partículas-antipartículas Os estágios intermediários ocorrem em um intervalo de tempo extremamente pequeno e não são observáveis 27 O MODELO PADRÃO 28 SUCESSO DO MODELO PADRÃO Permitiu prever a existência de várias partículas que foram posteriormente descobertas, inclusive o bóson de Higgs Descreve uma enorme quantidade de processos com precisão surpreendente 29 O QUE NÃO SABEMOS? N. de famílias, porque 3? MATÉRIA ESCURA ENERGIA ESCURA MATÉRIA HADRÔNICA Massas: mν ≈ 0, mμ ≈ me, mt >> mp , ... matéria X antimatéria Intensidade das interações Gravitação << fraca << eletromagnética << forte Gravidade Quântica? Grande Unificação Matéria e Energia escuras 30 COMO OBSERVAR? Para “vermos" objetos subatômicos diminuir radicalmente o comprimento de onda da sonda 31 INGREDIENTES DE UM EXPERIMENTO TÍPICO Dualidade Onda-Partícula : λ = h/p Ingredientes de um experimento Típico: Espalhamento: Feixe de Partículas, Alvo, Detetor 32 COMO CRIAR PARTÍCULAS Queremos criar partículas não usuais, instáveis, de massa alta Temos nas mãos partículas estáveis usuais (p, e), LEVES Einstein nos diria: Sem problema! ACELERE as que você tem em mãos (p, e) aumenta momento aumenta energia faça colidir com outras energia se converte em massa NOVAS PARTÍCULAS SÃO CRIADAS 33 PODEMOS ENCONTRÁ-LAS NA NATUREZA RAIOS CÓSMICOS Altíssimas energias, não atingidas por nenhum acelerador, geram cascatas na atmosfera. o fluxo de partículas ao nível do mar é de 1/(cm2.s), …mas a estatística é baixa e não conhecemos nem controlamos o feixe 34 SOLUÇÃO: PRODUZI-LAS EM ACELERADORES Prótons e/ou Elétrons são acelerados através de campos elétricos até atingirem a energia desejada (possível) 35 Acelerar??? E = 500 GeV v/c = 0.999998 E = 7000 GeV v/c = 0.99999999 Física de Partículas = Física de Altas Energias 1 eV = 1.6 x 10 -19 1 MeV = 106 eV 1 GeV = 109 eV 1 TeV = 1012 eV J Altas Energias??? 1 TeV ~ energia de um mosquito voando… mas um próton ~ 10-20 tamanho de um mosquito 36 COMO ACELERAMOS E COLIDIMOS PARTÍCULAS? Existem basicamente DOIS tipos de aceleradores: Partículas carregadas (e,p) são aceleradas através de campos elétricos LINEARES E CIRCULARES LINAC Energia final limitada pelo tamanho do LINAC 37 Partículas aceleradas a cada volta. Magnetos encurvam as trajetórias TIPOS DE EXPERIMENTOS Alvo Fixo Colisores A colisão se dá mais frequentemente (o alvo é denso) a colisão é bem mais rara a energia disponível é o dobro da energia de um dos feixes A energia disponível pra criar novas partículas é menor que a energia do feixe (√E) 38 DETETORES Como saber o que aconteceu durante a colisão? Registrar o evento Reconstruir as trajetórias das partículas que atravessam o detetor Analisar os dados Estrutura de um detetor 39 Passagem Radiação pela materia 40 COMO OBSERVAR AS PARTÍCULAS "INSTÁVEIS"? Quanto cada uma dessas partículas anda, em média, antes de decair? 0 D ~ 1 cm K ~ 10 m π ~ 100 m 𝝁 ~ 1 km ep𝝂 partículas estáveis 41 0 COMO OBSERVAR UMA PARTÍCULA INSTÁVEL, P.EX., D ? + π 0 D K 42 CERN 12316 MAIOR PESQUISADORES COMPLEXO DEREGIS ACELERADORES TRADOS EMJÁ JANEIRO CONS TRUÍDO DE 2016 ~1% 3 x 108 m/s 43 LHC - LARGE HADRON COLLIDER Proposto em 1984, construção aprovada em 1996! está a ~100m de profundidade Túnel de 27 km de comprimento Colisor próton-próton ou íon-íon (chumbo) Energia atual 13 TeV 44 OS FEIXES Cada feixe de prótons é como se fosse um trem com vários vagões (2808). Cada vagão é uma espécie de núvem com cerca de 10¹¹ prótons. A nuvem tem alguns cm de comprimento e mm de área. Essa área fica 1000 vezes menor no ponto de colisão. Duas nuvens se cruzam a cada 25 ns nos 4 experimentos. 45 NÚMEROS IMPRESSIONANTES Dois tubos independentes, vácuo ultra-alto – 10⁻¹³ atm 1/10 da pressão da Lua “The emptiest space in the Solar System...” Magnetos supercondutores, a -271 °C 1232 dipolos de 15 m (encurvar), 392 quadrupolos de 5-7 m (focalizar), 4 para concentrar as partículas antes de cada colisão. 60 ton de hélio liquido a 1.9 Kelvin “The hottest spots in the galaxy, but even colder than outer space.. (pois a colisão gerará temperaturas > 10⁵ do centro do Sol) Custo de cada criodipolo: US$ 0.5 milhão. São 1232 deles. Custo total do acelerador + experimentos ~ US$ 5 bilhões 46 OS EXPERIMENTOS DO LHC Quatro grandes experimentos: Atlas CMS LHCb ALICE Alguns pequenos Cada experimento uma Colaboração diferente 47 CBPF, PUC-Rio, UFRJ, UFTM 42 membros 4 instituições 3,6% UFRJ: 13 professores 48 1151 membros 69 instituições 16 países A Colaboração LHCb 49 LHCB Tamanho: 21m x 10m (altura) x 13m (largura), 5600 toneladas Especializado no estudo de assimetria entre matériaantimatéria e em decaimentos raros das partículas pesadas (que contém quarks b e c) Se assemelha a um detetor de alvo fixo Físicos do IF-UFRJ, CBPF e PUC-Rio 50 LHCb 51 LHCb 52 ANÁLISE DOS DADOS Antigamente: poucos eventos fotografados. Hoje: milhões coletados eletronicamente: 1 colisão a cada 25 ns Histogramas Ajustes de curvas Análise estatística 53 DESAFIOS • Alta estatística 40 MHz -> Aquisição em tempo real • Eletrônica rápida e resistente à radiação • Alto Vácuo • Alta energia • Supercondutividade • Baixas temperaturas • Alta precisão - Mecânica fina • Simulação de eventos • Processos físicos • passagem da radiação pela matéria • efeitos do detetor, eficiência, ruído, materiais, etc • Enorme volume de dados (coletados/ experimento/ano 2.000.000 DVDs) • Compartilhamento de dados (Armazenamento e processamento) • Reconstrução, reconhecimento de padrão, redes neurais • Estudos Estatísticos •GRID -> rede de computadores mundial para armazenamento processamento 54 e SPIN OFFS 24 anos de WWW (30/04/1993) 55 SPIN OFFS http://www.symmetrymagazine.org/article/a-second-chance-at-sight 56 SPIN OFFS http://www.symmetrymagazine.org/article/january-2014/particle-accelerators-join-fight-against-brain-cancer 57 SPIN OFFS http://www.symmetrymagazine.org/article/august-2010/accelerator-apps-cargo-scanning 58 SPIN OFFS http://www.symmetrymagazine.org/article/june-2010/accelerator-apps-sterilizing-medicalsupplies 59 LABORATÓRIO DE FÍSICA DE PARTÍCULAS ELEMENTARES http://lape.if.ufrj.br/ • • • • • • Projetos em Análise de dados: Assimetria entre matéria e anti-matéria no Universo medidas do modelo padrão busca por novas partículas Projetos em tecnologias: Detetores de silício Computação de alta performance (GPU) Simulações de detetores (GEANT) 60 INSTRUMENTAÇÃO EXEMPLO DE TECNOLOGIA MEDIPIX - HYBRID PIXEL DETECTOR 61 GENTILMENTE CEDIDO POR K. AKIBA (IF/UFRJ) MEMBROS IF-UFRJ IF-UFRJ 11 professores (2 do Campus de Xerém) ~20 teses de mestrado ~15 teses de doutorado Destino dos alunos 4 são atuais professores do IF 2 em outras Universidades Federais Alguns ainda em Doutorado ou pós-doc no exterior 1 área tecnológica 62 REUNIÃO COM ALUNOS DE IC 63 CONCLUSÃO Física de altas energias compreende uma área vasta, tanto do ponto de vista teórico como experimental Física básica, procura entender os aspectos mais fundamentais da natureza Fronteira tecnológica: Aplicações médicas: terapia e diagnóstico em medicina Vácuo Supercondutividade redes computacionais Mecânica fina Eletrônica de alta performance Computação Muito se aprendeu, mais ainda está por vir! 64 REFERÊNCIAS The Particle Adventure: http://www.particleadventure.org CERN: http://public.web.cern.ch/public/ Wikipedia: http://simple.wikipedia.org História: http://www.weburbia.com/pg/historia.htm http://timeline.aps.org/APS/Timeline/ 65
