Partículas Elementares (2008/2009)

Mário Pimenta Lisboa, 9/2008

Programa da cadeira de Partículas Elementares (2008/2009) Semana 15/9Introdução. Programa. Avaliação. Unidades e escalas. Secção eficaz. Os constituintes e as interacções fundamentaisA Hipótese Atómica: A experiência de Rutherford.Semana 22/9Difusão em Mecânica Quântica não relativista. Regra de ouro de Fermi.Cinemática Relativista. A anti-matériaOs tempos de vida e as larguras das partículasSemana 29/9Interacção de partículas com a matéria. Detectores e Aceleradores. Semana 6/101a série.Leptões, mesões e bariões: 1930 a 1960Semana 13/10Rotações e grupos: SO(2), SO(3) SU(2).“The eightfold way”. Os Quarks. A côr.Difusão inelástica profunda de electrões em protões Os partões. A descoberta do J/ψSemana 20/102a série. Interacções FundamentaisTeoria quântica dos campos e diagramas de Feynman.Eq. de Klein-Gordon e de Dirac O campo electromagnético. Invariância de gauge.

Semana 27/10As interacções fracas. O modelo de FermiA violação da Paridade. A teoria V-A. A violação de CP.Semana 3/113a sérieSU(2)L X U(1). O mecanismo de Higgs. Semana 10/11O ângulo de Cabibbo. O mecanismo de GIMA matriz Kobayashi-MasKawa. O modelo StandardSemana 17/11Verificação experimental do SM em LEP. mZ, mw , sinθw,mHiggs, jets, αsSemana 24/11Apresentação dos temas dos trabalhos finaisSemana 1/12, 8/12,15/124a sérieO estado da Arte e o Futuro próximo: LHC/Auger/neutrinos/ .Para além do modelo Standard: GUTs,SUSY, Dark mater e Dark energy. -----------------------------------17, 18 e 19 DezembroPASC Winter School – Sesimbra.

Avaliação da cadeira de Partículas ElementaresOs alunos dividem-se em grupos de ~ 2 alunos.

Séries de problemas Cada grupo é responsável por resolver e apresentar ~ 2 problemas nas aulas práticas segundo um esquema de rotação entre os grupos (tipicamente cada grupo apresenta duas vezes no semestre). No fim do semestre existirá ainda uma pequena série de problemas básicos que deve ser resolvida por todos os grupos.Trabalho finalCada grupo escolhe um tema (até 16/10) relacionado com a medida de uma dada quantidade numa experiência passada, presente ou futura e efectuará duas apresentações e uma pequena monografia (máximo 20 páginas!!!):No final de Novembro – Apresentação do tema e índice do trabalho (10 m)Em Janeiro/Fevereiro – Entrega da monografia e (uma semana depois) apresentação final (30m)Nota finalNota do trabalho modulada (até ± 2 valores) pelas notas obtidas nas séries de problemas.

CritériosNota no trabalho final de:

17/20 Implica uma muito boa compreensão e exposição do tema com a tentativa de obtenção das ordens de grandeza de algumas quantidades relevantes na experiência em causa.14/16 Implica uma boa compreensão e exposição do tema10/13 Implica uma razoável compreensão e exposição do tema

Bibliografia da cadeira de Partículas Elementares (2008/2009)

1- Introduction to Elementary Particles, David Griffiths, John Wiley and Sons(1st edition -1987, 2nd edition 2008)

2- Experimental Foundations of Particle PhysicsRobert N. Cahen and Gerson Goldhaben, Cambridge University Press (1989)

3-Introduction to Nuclear and Particle PhysicsAshok Das and Thomas Ferbel , John Wiley and Sons (1993,2006?)

4-Introduction to High Energy PhysicsDonald H.Perkins, Cambridge University Press (4th edition 2000)

5- Detectors for Particle RadiationKonrad Kleinknecht, Cambridge University Press (1986)

6-Techniques for Nuclear and Particle Physics ExperimentsW.R.Leo, Springer Verlag ( 1994)

7- Statistics for Particle and Nuclear PhysicsLouis Lyons, Cambridge University Press (1986)

8- Electroweak TheoryE. A. Paschos, Cambridge University Press (2007)

9- Quarks and LeptonsFrancis Halzen and Alan D. Martin, John Wiley and Sons (1984)

Escalas de energia

1

103

106

109

1012

1015

1018

1021

eV

KeV (kilo)

MeV (mega)

GeV (giga)

TeV (tera)

PeV (peta)

EeV (exa)

ZeV (zeta)

Bateria

Reactores nucleares

Aceleradores

Supernovas

Buracos negros / AGN

Raio X, TV

Massa do protão

Ordens de grandeza

Apresentação: As potências de 10...As imagens estão disponíveis em

http://www.powersof10.com

100 10301020101010-30 10-20 10-10 metros

Terra-Sol1 Ano-luz

Sol-Andrómeda

Universo

TerracélulasÁtomos

Núcleos

Partículas

Super-cordas ?

Átomo ≈ Å = 10-8 cm = 10-10 mNúcleo ≈ fm = 10-15 m

Tempos (vidas médias):estrela = 1018s ; Homem = 109sneutrão= 886 s (15’)muão = 2x10-6s ; Z0=2.6x10-25 s

interacção vidas médiasforte 10-23se.m. 10-16sfraca 10-13s : 103s

A Física de Partículas

A “matéria”

As “Forças”−eeν μν τν

−μ −τu

bc

dt

s

γ, W+,W-, Z0

Leptões: Quarks:

Int. electrofraca: Int. forte:G1,, …., G8

Mesões e Bariões

Neutrinos Reines e Cowan (1956)

Decaimento βeta

conservação E, P

Pauli (1930)

Schwartz, Lederman, Steinberger (1962)

Cada família tem o seu neutrino!

Neutrinos atmosféricos

SK-I + SK-II

0

100

200

300

400

-1 -0.5 0 0.5 1

Sub-GeV e-likeP < 400 MeV/c

0

100

200

300

400

-1 -0.5 0 0.5 1

Sub-GeV μ-likeP < 400 MeV/c

0

100

200

300

400

-1 -0.5 0 0.5 1

Num

ber

of E

vent

s Sub-GeV e-likeP > 400 MeV/c

0

200

400

600

-1 -0.5 0 0.5 1

Sub-GeV μ-likeP > 400 MeV/c

0

50

100

150

200

-1 -0.5 0 0.5 1

cosΘ

Multi-GeV e-like

0

50

100

150

200

-1 -0.5 0 0.5 1

cosΘ

Multi-GeV μ-like

~13000km ~15km~500km

Super Kamiokande (50 kton água)

Os neutrinos oscilam, logo têm massa

Os νμ desaparecem !

Neutrinos Solares

ν x + e− →ν x + e−

ν e + d → p + p + e−

νx + d → p+ n +νx

ESCC

NC

O espectro de EnergiaHomestake (37CL) SNO (D2O)

Φe ∼ 0.3 ΦSSM

Φe + Φμτ ∼ ΦSSM

Resultados combinados (SNO,SK)

Reacções no Sol

Sol por SK

Neutrinos astrofísicos

Nenhum acontecimento para E > 106 GeV !

Podem escapar a ambientes densos e chegar à Terra sem interacção!

Neutrinos Reines e Cowan (1956)

Decaimento βeta

conservação E, P

Pauli (1930)

Schwartz, Lederman, Steinberger (1962)

Cada família tem o seu neutrino!

Neutrinos atmosféricos

SK-I + SK-II

0

100

200

300

400

-1 -0.5 0 0.5 1

Sub-GeV e-likeP < 400 MeV/c

0

100

200

300

400

-1 -0.5 0 0.5 1

Sub-GeV μ-likeP < 400 MeV/c

0

100

200

300

400

-1 -0.5 0 0.5 1

Num

ber

of E

vent

s Sub-GeV e-likeP > 400 MeV/c

0

200

400

600

-1 -0.5 0 0.5 1

Sub-GeV μ-likeP > 400 MeV/c

0

50

100

150

200

-1 -0.5 0 0.5 1

cosΘ

Multi-GeV e-like

0

50

100

150

200

-1 -0.5 0 0.5 1

cosΘ

Multi-GeV μ-like

~13000km ~15km~500km

Super Kamiokande (50 kton água)

Os neutrinos oscilam, logo têm massa

Os νμ desaparecem !

Neutrinos Solares

ν x + e− →ν x + e−

ν e + d → p + p + e−

νx + d → p+ n +νx

ESCC

NC

O espectro de EnergiaHomestake (37CL) SNO (D2O)

Φe ∼ 0.3 ΦSSM

Φe + Φμτ ∼ ΦSSM

Resultados combinados (SNO,SK)

Neutrinos astrofísicos

Nenhum acontecimento para E > 106 GeV !

Podem escapar a ambientes densos e chegar à Terra sem interacção!

A teoria final ?

Unificação e Simetria

Interacções:

electromagnética

fraca

forte

gravítica

? + −

N S

-

n

p

e-

νe

M.C.Escher

E o Higgs? Peter Higgs

mW = 80 109

mZ = 91 109

…

Mas as partículas têm massas!mν∼ 10-1(em eV)

me = 500 103

mu = 5 106

mt = 174 109

mγ = 0

Interacções com um campo de fundo. Um novo “eter” …

CERN – inspired David J Miller

A matéria escura

velocidade vraio R

Gravidade :G M(r) / r2 = v2/ r

A energia escura !

O Universo encontra-se numa expansão acelerada !!!

0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75

34

36

38

40

42

44

46

z

Gold Dataset (157 SNeIa):

Riess et. al. 2004

DeceleratingAccelerating

Diagrama de Huble

m(z)

Energia escura – anti-gravítica

O que (não) sabemos