O bóson de Higgs e a massa das coisas

Universidade de São PauloInstituto de Física

F.S. Navarra

navarra@if.usp.br

Parte I

O lado qualitativoO lado qualitativo

O Modelo Padrão

Matéria:quarks e leptons

Portadores de força

Higgs

meio contínuo,“líquido” : campo de Higgs

meio atrapalhao movimento da partícula: inércia

para balançar

Higgs: o campo e a partícula

onda é quantizada:partícula deHiggs

partícula pode“balançar” o meio : onda

para balançar o meio:

Muita energia !

LHC : colisões a altíssimas energias

9 bilhões de dólares: vale a pena ?

“A ciência pura é como um recém – nascido”

1916 - Relatividade Geral 1994 - GPS

Precisão:

com RG: 10 m

sem RG: 10 km

Colisões próton-próton

Aumentando a energia vemos flutuações:

Próton observado a altas energias

q

qg

q

qq

Esperamos observar o vidro de cor no LHC

“vidro de cor”

Colisão próton-próton

quark

antiquark

Produção

H

Decaimento

H

Observação do bóson de Higgs

“canais” de decaimento H dois fótons teoria versus dados

pH m125m = 2

p c/GeV1m =Depende da massa do Higgs

O fim da mais longa espera !

O Higgs e as massas das coisas

Todas as coisas são feitas de protons, neutrons e eletrons

Massa do próton = massa do nêutron = 2000 massa do elétron

Massa das coisas = massa do protons + massa do neutrons

A massa do próton vem do Higgs ?

Higgsmassa do elétron :

em

massa do quark u :em20

massa do quark d :em20

eduu m60mmm =++

A massa do próton

ep m2000m =

Higgs gera apenas 3 % da massa do próton e das coisas !

De onde vem 97 % da massa do próton ?

O que é o próton ?

Até 1960 : uma bolinha com carga elétrica

1962: uma bola feita de pions (modelo de Skyrme)

1964 - 1969: três quarks (Gell-Mann, Bjorken, ...)

1974: três quarks confinados numa “sacola” (MIT bag ) q

qq

2003: quarks ligados por “cordas” feitas de gluons

2cmE =Massa do próton = energia que contém :

CONFINADA …AGLOMERADA

OBJETOMIMIT Bag Model

massas = 100

= 3 = 7

50 kg = 0,025 kg

+ 49,975 kg elétrons núcleos

A massa de uma pessoa:

núcleos = prótons + nêutrons

1,5 kg quarks

3,5 kg vazio

44,975 kg energia cinética + potencial

Conclusão

A do descoberta do Higgs é um dos maiores feitos da história da ciência

Mais uma vitória do modelo padrão

Ainda há muito o que fazer...

Parte II

Um pouco de matemática

(evolução da letra “m”)

A massa na física

Isaac Newton

Mecânica Clássica

amF i= massa inercialamF i= massa inercial

2

g

gr

mMGF −=

massa gravitacional “peso”

mmm ig ==

Ftd

xdm

2

2

=xd

Vd

td

xdm

2

2

−=

Mecânica Lagrangiana

)x(Vxm2

1)x(VTL 2 −=−= &Lagrangiana

xd

Ld

xd

Ld

td

d=

& xd

Vd

td

xdm

2

2

−=Euler-Lagrange

2vm2

1E =Partícula livre

xdxdtd=

& xdtdm

2−=Euler-Lagrange

equação de movimento

Mecânica Relativística

Einstein22

2

2

22 vm

2

1cm

c

v1

cmcmE +≅

−

=γ=

Partícula livre

massa = energia de repouso Não é conservada...2cmE = massa = energia de repouso Não é conservada...2cmE =

42222 cmcpE =− m é independente de v , “invariante”, “escalar”

2

2

c

v1

vmvmp

−

=γ= 42222 cmcpE +=

Mecânica Quântica Relativística

42222 cmcpE =−

)t,x()t(x φ→

xip

∂∂

−→ h

∂

φ=φ

∂∂

−∂∂

− 22

2

22

2

2

2

2

cmxtc

hh

tiE

∂∂

→ h

)z,y,x,ct(x =µ

1c ==h

)z,y,x,ct(x −−−=µ

3,2,1,0=µφ=φ

∂∂

∂∂

−µ

µ2m

xxφ=φ∂∂− µ

µ2m

equação de movimento

LV

LL =→ Densidade de Lagrangiana

Teoria de Campos

22m2

1

2

1L φ−φ∂φ∂= µ

µ ))(

L(

x

L

φ∂∂∂

∂∂

=φ∂

∂µ

µ

φ=φ∂∂− µµ

2m

massa = número que multiplica na densidade de Lagrangiana !2φ

)(V2

1L φ−φ∂φ∂= µ

µ

Teoria com interação (energia potencial) :

422

4

1

2

1V φλ+φµ+=

!massa02 →>µ

!massasem02 →<µ

Vácuo “cheio” e geração de massa

Vácuo = estado de menor energia

O mínimo do potencial :

0p → 0x→

∂φ∂

0E → 0t→

∂φ∂ 0=φ∂φ∂ µ

µ

0)(V 22 =φλ+µφ=φ∂

∂

002 =φ→>µ

v02 ±=φ→<µ

λµ−

=2

v

)x(v)x( η+=φ422 111L φλ−φµ−φ∂φ∂= µ

02 <µ

Escolhemos:

)x(v)x( η+=φ422

4

1

2

1

2

1L φλ−φµ−φ∂φ∂= µ

µ

const4

1vv

2

1L 4322 +ηλ−ηλ−ηλ−η∂η∂= µ

µ

número positivo: é massa ! 2v2m λ=η

quebra da simetria )x()x( η−→η

Conclusão

A massa “m” mudou bastante nos últimos 300 anos

Ainda aparece nas equações de movimento e representa inércia

É uma forma de energia e pode se transformar em outra

No modelo padrão ela vem da interação das partículas com o vácuo

O vácuo é preenchido por v , o valor do campo de Higgs

“v “ gera massa e quebra simetrias

Mas...

O vácuo é ainda muito mais complicado :

Ainda vem muito mais por aí...

Muito obrigado !!!

Elétron = Partícula e Onda Puntiforme e Extenso

+ = dualidade complementaridade

Física Quântica

Não existe trajetória bem definida

Menos poder de previsão

(princípio da incerteza)

(probabilidades)

Não dá prá entender...

Relatividade

Contração do espaço

Equivalência entremassa e energia

massamassa

massa e energia

2cmE =

luz luz

x

k m

X=0

h>∆∆ xp

Um caso simples

vmp =

HeisenbergA mola nunca está em repouso na origem !

“energia de ponto zero”

Vácuo da QCD

Confina os quarks em “sacolas”

q

qq

vácuo mésonbárion

Podemos cavar buracos neste meio! Podemos derretê-lo!

Colisão próton-próton

Encontrar o inesperado !

Chico Bacon !

MUITO OBRIGADO !

Além do mundo ordinário...

o meio...

a observação...

O Modelo Padrão

Matéria:quarks e leptons

“estável”

Portadores de força

luz , radiação , campo

efêmero

ainda não observado: boson de Higgs

),( 2

2 Qxfg ∫= ),,(2),( 2 brx bdrxdipσ

LHC e colisões

Massa das coisas

Definições de massa

O bóson de Higgs

Produção

HDecaimento