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Partículas Elementares (2009/2010)

Mário Pimenta Lisboa, 9/2009

pimenta@lip.pt

Introdução

Programa da cadeira de Partículas Elementares (2009/2010) Semana 14/9Introdução. Programa. Avaliação. Unidades e escalas. Secção eficaz. Os constituintes e as interacções fundamentaisSemana 21/9A Hipótese Atómica: A experiência de Rutherford. Difusão em Mecânica Quântica não relativista. Regra de ouro de Fermi.Cinemática Relativista.Semana 28/9Interacção de partículas com a matéria. Detectores e Aceleradores. Semana 5/10A anti-matéria. Leptões, mesões e bariões: 1930 a 1960Os tempos de vida e as larguras das partículasSemana 12/101a sérieRotações e grupos: SO(2), SO(3) SU(2)“The eightfold way”. Os Quarks. A côrSemana 19/10Difusão inelástica profunda de electrões em protões Os partões. A descoberta do J/ψ Interacções FundamentaisTeoria quântica dos campos e diagramas de Feynman.Eq. de Klein-Gordon e de Dirac

Semana 27/102a série.O campo electromagnético. Invariância de gauge.As interacções fracas. O modelo de FermiA violação da Paridade. Semana 2/11A violação de CP. A teoria V-A. SU(2)L X U(1). O mecanismo de Higgs. Semana 9/113a sérieO ângulo de Cabibbo. O mecanismo de GIMA matriz Kobayashi-MasKawa. O modelo StandardSemana 16/11Introdução à QCD.Verificação experimental do SM em LEP. mZ, mw , sinθw,mHiggs, jets, αsSemana 23/11Apresentação dos temas dos trabalhos finaisSemana 30/11,7/12,14/124a sérieO estado da Arte e o Futuro próximo: LHC/Auger/neutrinos/ .Para além do modelo Standard: GUTs,SUSY, Dark mater e Dark energy. -----------------------------------19, 20 e 21 Dezembro : PASC Winter School – Sesimbra.

Avaliação da cadeira de Partículas ElementaresOs alunos dividem-se em grupos de ~ 2 alunos. (lista dos grupos até 25/09 !!!)Séries de problemas Cada grupo é responsável por resolver um conjunto limitado de problemas ao longo do semestree apresentar esses problemas (no todo ou em parte) nas aulas práticas segundo um esquema derotação entre os grupos (tipicamente cada grupo apresenta duas vezes no semestre). No fim dosemestre existirá ainda uma pequena série de problemas básicos que deve ser resolvida por todosos grupos. Os problemas devem ser entregues em ficheiros pdf .Trabalho finalCada grupo escolhe um tema (até 19/11) 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 ParticlesDavid Griffiths, John Wiley and Sons (1st edition -1987, 2nd edition 2008)

2-Introduction to Elementary Particle Physics Alessandro Bettini, Cambridge University Press (2008)

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

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

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

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

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

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

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

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

A Física de Partículas

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 “matéria”

As “Forças”−eeν μν τν

−μ −τu

bc

dt

s

γ, W+,W-, Z0

Leptões: Quarks:

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

As partículas “elementares”

Mesão = (q q ) Barião = (q q q )

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

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

me = 500 103

mu = 5 106

mt = 174 109

mγ = 0

mW = 80 109

mZ = 91 109

…

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

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

Unidades

Secção eficaz (σ)

Um feixe contra um alvo

Um feixe contra um bloco de matéria (alvo fixo)

Um feixe contra um feixe (anel de colisão)

Secção eficaz elástica e inelástica

Secção eficaz protão-protão

Qual é a energia de abertura do canal inelástico???

Porque é que σe+e−( ) e σpp( ) ?s s

Secção eficaz e+e-→ hadrões

Comprimentos de interacção

NA

N

dxdN Avog ρσ

−= int0

Lx

eNN−

=

,

)(cmNAL

Avogtotalcoll ρσ

= )(int cmN

ALAvoginl ρσ

=

Lint(H2) = 50.8 Lint(D2) = 54.7Lint(Be) = 75.2Lint(C) = 86.3 Lint(Xe) = 169Lint(Pb) = 194

Lint nuclear (g cm-2)

Lcoll(H2) = 43.3 Lcoll(D2) = 45.7Lcoll(Be) = 55.8Lcoll(C) = 60.2 Lcoll(Xe) = 103Lcoll(Pb) = 116

Lcoll nuclear (g cm-2)

Como é que varia Lxx com A?

Qual é o valor da secção eficaz total numa interacção e.m.???

Secção eficaz diferencial

Secção eficaz : exemplos (I)

Resolução (I)

Secção eficaz : exemplos (II)

Resolução (II)

Conversão de Unidades