O “Large Hadron Collider” e a
Física de Partículas Elementares
Rogério Rosenfeld
Instituto de Física Teórica
UNESP
www.ift.unesp.br
Escola Móbile - 13/05/2010
Tópicos da palestra:
O que é o LHC?
Como funciona o LHC?
O que esperamos aprender com o LHC?
R. Rosenfeld
O que é o LHC?
LHC é a sigla em inglês de Large Hadron Collider
Uma possível tradução seria Grande Colisor de
Hádrons
Hádrons: partículas que possuem interação forte
No caso do LHC, na maior parte do tempo serão
estudadas colisões entre prótons
(núcleos do átomo de hidrogênio).
R. Rosenfeld
O que é o LHC?
O LHC é o maior e mais complexo instrumento
científico já construído.
O LHC é um acelerador de partículas construído
em um túnel subterrâneo circular de 27 km de
extensão e 100 m de profundidade no laboratório
do CERN (fundado em 1954), em Genebra, Suiça.
European Organization for Nuclear Research
R. Rosenfeld
O que é o LHC?
CERN
LHC
O que é o LHC?
R. Rosenfeld
O que é o LHC?
R. Rosenfeld
O que é o LHC?
Existem 4 grandes detectores construídos em
volta do LHC que buscarão por novas partículas
da Natureza:
• ATLAS
• CMS
• LHCb
• ALICE
R. Rosenfeld
O que é o LHC?
O rap do LHC
Original do CERN
R. Rosenfeld
Como funciona o LHC?
O LHC acelera feixes de partículas eletricamente carregadas,
aumentando sua energia antes de fazer 2 feixes colidirem
frontalmente.
Unidade de energia usada em Física de Partículas: elétron-volt
1 eV: energia cinética de um elétron após passar por uma
diferença de potencial elétrico de 1 volt.
1 eV = 1.60×10−19 J
1 TeV: energia cinética de um
mosquito voando.
Como funciona o LHC?
Sequência de aceleradores (50 anos de história do CERN):
Linac →Booster→PS →SPS →LHC: prótons acelerados a 7 TeV
Como funciona o LHC?
R. Rosenfeld
Alguns números
O LHC levou 20 anos para ser projetado e construído.
Custou €3.6 bilhões.
Cada feixe têm 3x1012 prótons, divididos em 2800 pacotes.
Cada pacote tem a espessura de 16 µm e 80 mm de comprimento.
A energia de um feixe é de 315 MJ, suficiente para derreter 500
kg de cobre.
O LHC vai usar 200 MW de eletricidade, equivalente a metade do
que Genebra consome.
Como funciona o LHC?
O LHC é o lugar mais frio de universo!!
O LHC usa eletroímãs supercondutores de 8.4
Tesla (corrente de 12.000 A) para confinar os feixes
de prótons em sua órbita circular. Os ímãs
necessitam ser resfriados a uma temperatura de
1.9 K usando hélio superfluido.
R. Rosenfeld
Dipoles
Quadrupoles
Sextupoles
Octupoles/decapoles
Orbit correctors
Others
Total
1232
400
2464
1568
642
376
~ 6700
Como funciona o LHC?
O LHC tem um dos lugares mais vazios do
universo!!
O LHC precisa de um alto vácuo para que os feixes
de prótons não se degradem em colisões com
moléculas: vácuo de 10-10 Torr (3 milhões de
moléculas/cm3 ≈ densidade do meio intergaláctico!)
R. Rosenfeld
O LHC vai recriar condições que só
existiram próximas ao início do universo?
O que esperamos aprender com o
LHC?
• Qual é a origem da massa das partículas
elementares? (Partícula de Higgs)
• Qual é a origem da assimetria entre
matéria e antimatéria no universo?
• Qual é a origem da matéria escura no
universo?
R. Rosenfeld
O que esperamos aprender com o
LHC?
• Existem outras simetrias na natureza?
(Supersimetria)
• Existem dimensões extras?
• Pode-se produzir mini-buracos negros?
• Quais são as propriedades do plasma de
quarks e gluons?
R. Rosenfeld
Como vamos estudar esses assuntos?
Detectores no LHC:
“enxergam” as novas partículas
• ATLAS
• CMS
• LHCb
• ALICE
R. Rosenfeld
Detectores de partículas
Detectores no LHC são construídos ao redor dos pontos onde os
prótons viajando em sentido opostos colidem.
Os detectores tem com função medir a energia e velocidade das
centenas de partículas produzidas na colisão de prótons com
energia total de 14 TeV.
As novas partículas em geral existem por um pequeno intervalo
de tempo, e se desintegram em outras partículas conhecidas
(elétrons, fótons, múons, …) dentro do detector.
R. Rosenfeld
ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
37 países (participa a UFRJ)
167 Instituições
2100 Autores
Ímã toroidal
Diâmetro
Comprimento
Peso
25 m
46 m
7000 Tons
Animação da construção do
ATLAS
R. Rosenfeld
Realidade da construção do
ATLAS
R. Rosenfeld
O Detector CMS (Compact Muon Solenoid)
Participam CBPF, UERJ e IFT-UNESP
O Detector CMS (Compact Muon Solenoid)
Enxergando partículas no CMS
LHCb
O LHCb estudará partículas que possuem o
quark b (participação da UFRJ e CBPF).
O detector ALICE será dedicado para o
estudo de colisões de íons pesados: plasma
de quarks e gluons (participação da USP)
ALICE
30
Análise dos dados do LHC
Balão
(30 Km)
LHC produzirá em 1 ano um volume de
dados de aproximadamente 10 Petabytes
1 Petabyte = 109 MB
Pilha de CDs com
1 ano de dados
do LHC
(~ 20 Km)
Worldwide LHC Computing Grid (WLCG)
WWW foi desenvolvido no
CERN
Tier-1 (11 centres):
•Permanent storage
•Re-processing
•Analysis
Tier-2 (>200
centres):
• Simulation
• End-user analysis
50 CD-ROM
= 35 GB
6 cm
Tier-0 (CERN):
•Data recording
•First-pass
reconstruction
•Data distribution
Concorde
(15 Km)
Mt. Blanc
(4.8 Km)
31
Física no LHC
R. Rosenfeld
As partículas elementares hoje
As 4 interações da Natureza
Gravitação
Eletromagnetismo
QED
Interações fortes
QCD
Interações fracas
Protons são feitos de 3 quarks “colados”
por partículas chamadas gluons.
partons (Feynman) = quarks (Gell-Mann)
Origem da massa
De onde surge a massa do elétron, por exemplo?
No modelo atual, existe um mecanismo que gera essa massa,
conhecido como mecanismo de Higgs.
Esse mecanismo postula a existência de um campo permeando
todo o espaço, como um lago. A interação de partículas com
esse campo seria responsável pela origem de suas massas.
As perturbações desse campo, como ondas em um lago, se
comportam como uma nova partícula, denominada bóson de
Higgs.
O bóson de Higgs deve ser produzido no LHC, e se desintegrar
rapidamente.
Mecanismo de Higgs
September 12, 2008
The Daily Galaxy: News from Planet Earth & Beyond
Hawking vs Higgs: Heavyweight Bout at CERN's LHC
Tuesday, 9 September 2008 07:01 UK
On the hunt for the Higgs boson
The sum of human knowledge could be massively increased on Wednesday –
but Professor Stephen Hawking could find himself $100 poorer.
"I think it will be much more exciting if we don't find the Higgs.
That will show something is wrong, and we need to think again.
I have a bet of $100 that we won't find the Higgs."
From The Times
September 11, 2008
Peter Higgs launches attack against Nobel rival Stephen Hawking
Professor Higgs, who first postulated the existence of the particle 44 years
ago, reacted with visible irritation. “I have to confess I haven’t read the
paper in which Stephen Hawking makes this claim,” he said.
“But I have read one he wrote, which I think is the basis for the kind of
calculation he does.
And frankly I don’t think the way he does it is good enough.
Como detectar o bóson de
Higgs no LHC?
SM
Tevatron New Phenomena, Higgs
working group
arXiv:0903.4001v1
Fermilab- Batavia, Illinois
Higgs é visto no LHC!!
Peter Higgs visita o LHC.
Por quê existe mais matéria do que
antimatéria no universo?
Como gerar essa assimetria entre matéria e antimatéria a partir de
um estado inicial simétrico?
Uma condição necessária é haver a quebra de
uma simetria chamada CP.
A quebra dessa simetria já foi observada na Natureza.
Infelizmente, a intensidade observada não é suficiente para explicar
a assimetria.
Novas fontes de violação de CP? LHCb
Origem da matéria escura
De acordo com vários dados observacionais, apenas 5% de
nosso universo é feito de átomos.
Existe uma grande quantidade de matéria em uma forma
desconhecida, que não é visível, denominada matéria escura.
Acredita-se que a matéria é composta por novas partículas
ainda desconhecidas.
Em alguns modelos de física de partículas, é possível produzir
diretamente essas partículas no LHC.
Composição do Universo
4%
A matéria escura ainda não foi
detectada em laboratórios.
Dezenas de experimentos para
desvendar a natureza do lado
escuro do Universo
Mini-buracos negros no LHC
"The operation of the LHC is safe, not only in the old sense of that word, but in the more general
sense that our most qualified scientists have thoroughly considered and analyzed the risks involved
in the operation of the LHC. [Any concerns] are merely hypothetical and speculative, and
contradicted by much evidence and scientific analysis."
Prof. Sheldon Glashow, Nobel Laureate in Physics, Boston University,
Prof. Frank Wilczek, Nobel Laureate in Physics, Massachusetts Institute of Technology,
Prof. Richard Wilson, Mallinckrodt Professor of Physics, Harvard University
Mini-buracos negros no LHC
Pergunta: o que aconteceria se a Lua se transformasse em um
buraco negro?
Buracos negros não são totalmente negros: emitem radiação
(Hawking).
Quanto menor (mais leve) o buraco negro, mais radiação é
emitida.
Buracos negros, se produzidos no LHC, serão microscópicos e
se desintegrarão em frações de segundo.
Situação atual do LHC
Os primeiros feixes de prótons circularam no LHC no dia
10/09/08 (grande cobertura da mídia).
Em 19/09/08, uma conexão defeituosa entre dois ímãs resultou
em um acidente no túnel (sem fatalidades).
Parte dos ímãs (53) tiveram que ser retirados do túnel para
reparos.
O LHC voltou a funcionar em 20/11/2009 (feixes circulando).
Primeiras colisões em 23/11. Recorde mundial de energia em
30/11 (1.18 TeV).
Colisões de prótons a uma energia de 7 TeV em 30/03/2010.
Continuará em operação por 18 a 24 meses.
Perguntas não respondidas
• Origem da massa? Mecanismo de Higgs?
• As 3 forças podem ser unificadas? Teorias de grande unificação?
• Por quê 3 famílias de partículas? Existem mais?
• Existem novas simetrias que não foram descobertas?
Supersimetria?
• E a gravitação? Teoria de supercordas?
• As partículas que hoje chamamos de elementares são de fato
elementares?
• O espaço têm 3 dimensões?
• Afinal de contas, do que é feito o universo? (apenas 5% são
átomos; 25% é matéria esura e 70% é uma forma de energia de
vácuo (quintessência))
EXPERIMENTOS
Novos modelos serão testados no LHC.
• Modelo de Higgs para origem da massa
• Supersimetria
• Dimensões extras
O LHC poderá responder algumas
dessas perguntas, expandindo nosso
conhecimento acerca do Universo.
Surpresas podem acontecer
Event rate:
N = L x  (pp)  109 interactions/s
Mostly soft ( low pT ) events
Interesting hard (high-pT ) events are rare
 very powerful detectors needed
56
Enxergando partículas no ATLAS