O O Bóson-125.3 GeV Bóson-125.3 GeV de 4 de Julho de 4 de Julho ee

O O HiggsHiggs do Modelo-Padrão do Modelo-Padrão

J. A. Helayël J. A. Helayël

CBPF / MCTICBPF / MCTI

GFT – JLLGFT – JLL..

O que são as Interações Fundamentais? (Em que medida uma interação é considerada fundamental?)

Gravidade

Eletromagnetismo

Força Nuclear Forte

Força Nuclear Fraca

5a Força? (composição do Higgs)

Interações Fundamentais ~ Escalas distintas

Energia ~ Comprimento ~ Tempo

Unificação procede?

• Motivações para se pensar em unificação (retorno a Dirac, 1928 - 1931):

Origem da massa, do spin, da carga elétrica.

(m, s): Wigner, em 1939.

e: Kaluza-Klein (1919, 1925, 1927, 1938).

• Escolha de uma (ou mais) simetrias de partida:

degenerescência/multipletes.

• Grupo de simetria: #s quânticos da interação considerada.

*Elementaridade / Unificação e geração das escalas corretas*

*Esquema geral do *Esquema geral do programa de unificaçãoprograma de unificação**

• Setor de matéria/representações especiais do grupo de simetria.

• Setor de bósons vetoriais (por que não bósons escalares ?)

• Como gerar escalas de massa? (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: Higgses. (O que dizer sobre a elementaridade de escalares?)

TQCTQCss ee IFIFss

.1926: Dirac - 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 depois).

. 1930: Fermi / Majorana – Pauli / Weisskopf QED (trabalhando na formulação: problema dos escalares).

Fazem sentido escalares/bósons carregados em uma TQR?

RepercussõesRepercussões

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 TQCAvanços em TQCs s :: 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 Germinando a Física das Interações FracasFísica das Interações Fracas (Anos-’30)(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 CientíficoRepensando 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 mesmo só assumiu publicamente

a existência do pósitron em 1933.

Fase-anos ‘50Fase-anos ‘50 do Programa das do Programa das IIss Fracas Fracas(Diálogo contínuo teoria/experimentos: definindo direções.)(Diálogo contínuo teoria/experimentos: definindo direções.)

.1949 – 1951: Feynman-Schwinger-Tomonaga; Salam: QED (para férmions e bósons carregados) concluída.

.1952: Salam – Teoria de Campos para a Supercondutividade.

.1954: Teorias de Yang-Mills-Shaw. Bósons vetoriais. [s = 0 ou 1 ?]

.1956: ICPPh - Seattle: Lee – Yang: Violação da Paridade.

.1957: Salam revê o paper de Y-M: Simetria quiral e redimensiona Y-M (portadores)

e escalares (novos acoplamentos: Yukawa) Sinal verde para o Higgs.

Escalares restauram unitariedade violada por bósons (s=1) massivos.

.1958: Nambu (Spcondutividade em Física de Partículas) P. C. Anderson (percebe o mecanismo de Higgs na Teoria-BCS).

Fase-anos ‘60Fase-anos ‘60 do Programa das do Programa das IIs s FracasFracas(Fenomenologia)(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 ‘60Fase-anos ‘60 do Programa das do Programa das IIss Fracas Fracas((Teoria de CamposTeoria de Campos – – Problema: Problema: geração de massageração 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: 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 essencial da Física do HiggsO essencial da Física do Higgs(O Higgs no cenário Eletrofraco)(O Higgs no cenário Eletrofraco)

Decaimento-β do nêutron: (u, d) (e, nu ), e 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 (fermion-L) (higgs) (fermion-R)

Interações mais fortes com os léptons mais massivos: y ~ massa do férmion.

Interações com os bósons vetoriais: g h BB, (g^2) hh BB. {Ws, Z, fóton}.Auto-interação: V = a hh + b hhhh.

Vácuo não-trivial: h = v0 + H (H flutua estavelmente).

y, g, v0 fornecem as escalas de massa.

(Massas no setor de quarks: incorporar ângulo de Cabibbo.)

Escala de energia gerada: v0 = 246 GeV (escala eletrofraca).

22 parâmetros na Teoria Eletrofraca! Cenário quântico: SuSy?

Teoria EletrofracaTeoria Eletrofraca + + QCDQCD: : Modelo-PadrãoModelo-Padrão..

.1960 – 1968: Teoria Eletrofraca é constituída. Interações e.m.s e nucleares fracas têm origem comum: UNIFICAÇÃO em 246 GeV.

. 1973: Kobayashi, Maskawa - violação-CP e previsão teórica da 3’a geração de quarks.

Gargamelle Chamber – CERN: descoberta as correntes neutras em experimentos com neutrinos.

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.

Interações Fundamentais ~ Teorias de Yang-Mills (1954)

Modelo-Padrão Simetrias

Universalização

Interações (origem comum ~ unificação)

Simetrias e Dimensões

Organização da Matéria: quarks, léptons (preons?)

Matéria Escura?

q's: (u, d); (c, s); (t, b).

l's: (e, ve); (mu, vu); (tau, vt).

Bósons de gauge

Higgs

Monopólos Magnéticos.

Interações X Dimensões.

Visão de Yang-Mills.

(Geometrização).

Anos ’70: Gravitação, SUSY e SUGRA (Anos ’70: Gravitação, SUSY e SUGRA (FaMPFaMP))

• 1973: Retomada da Quantum Gravity.

• 1973: SUSY no cenário das IFs.

• 1974 – 1978: do M-P para a Grande-Unificação.

• 1975: SUSY QED (fotino).

• 1976: SUSY e Gravitação: SUGRA (gravitino).

• 1976: O Prof. Higgs torna-se o Bóson.

“A Phenomenological Profile of the Higgs Boson” (Ellis, Gaillard, Nanopoulos).

• 1978: SUSY e dimensões > 4: K-K renasce; Preons.

Reflexão: Física X Matemática.

Interações fundamentais: Teoria e (nova) Matemática, Fenomenologia-Experimento.

Geometrização das interações x Novas Dimensões

Lei da Gravidade (~0.2 mm, LEDs)

Gravidade em questão.

Matéria Escura (Interações Fundamentais)

Energia Escura (Cosmo).

Novas modalidades de Matéria.

Novas Simetrias.

Grandes desafios teóricos e experimentos da Física de Interações Fundamentais:

LHC (2009-2014).

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 FaMP;

sensível a possíveis Higgses carregados: B-decays.)

Única partícula prevista pelo M-P ainda não encontrada.

•Monopólos magnéticos.

•Dimensões (GUTs).

•Novas partículas (SUSY).

•Decaimento do próton / SUSY (1033 anos)

n: decaimento-beta (880 segundos).

• Neutrinos massivos/oscilações.

Física Física com/semcom/sem Higgs 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 indicam massa do Higgsnesta 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.

(LHC ainda não seu sinal de uma nova Física além do M-P; FERMILAB aponta para FaMP: Física do B.)

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 HiggsPartículas supersimétricas x SUSYDinâmica (forte) da quebra eletrofracaNovas gerações de quarks/léptonsNovos bósons de gauge (W’ , Z’)PreonsLEDs

Grávitons massivosBuracos negrosMatéria escura (strangelets/ALICE)Monopólos magnéticos.

Lembrando que

LHC é também ALICE, LHCb, LHCf.