O Bóson-125.3 GeV de 4 de Julho
e
O Higgs do Modelo-Padrão
J. A. Helayël
CBPF / MCTI
GFT – 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?
*Elementaridade / Unificação e geração das escalas corretas*
• 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.
*Esquema geral do programa 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?)
TQCs
.1926: Dirac
e
IFs
- 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?
Repercussões
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 TQCs : 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 Física das Interações Fracas
(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 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 ‘50 do Programa das Is Fracas
(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:
.1957:
Violação da Paridade.
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 ‘60 do Programa das Is Fracas
(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 ‘60 do Programa das Is Fracas
(Teoria de Campos – Problema: geração 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 Higgs
(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 = v + H (H flutua estavelmente).
0
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 Eletrofraca + QCD: Modelo-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:
(Gross, Politzer, Wilczek).
SU(3)cor
~ QCD.
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 (FaMP)
• 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 com/sem 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 Higgs
nesta 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 Higgs
Partículas supersimétricas x SUSY
Dinâmica (forte) da quebra eletrofraca
Novas gerações de quarks/léptons
Novos bósons de gauge (W’ , Z’)
Preons
LEDs
Grávitons massivos
Buracos negros
Matéria escura (strangelets/ALICE)
Monopólos magnéticos.
Lembrando que
LHC é também ALICE, LHCb, LHCf.