A FÍSICA DO LHC: Conceitos fundamentais e principais
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A FÍSICA DO LHC: Conceitos fundamentais e principais
Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão A FÍSICA DO LHC: Conceitos fundamentais e principais resultados 3a Aula Carla Göbel Depto. de Física - PUC-Rio 1/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Tópicos de Hoje 1 Matéria-Antimatéria e Violação de CP Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão 2 Teoria Eletrofraca e Higgs Interação fraca e bósons massivos Teoria Eletrofraca: SU (2)L U (1)Y Mecanismo de Higgs 3 Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão 2/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão Matéria-Antimatéria e Violação de CP 3/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria 4/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão A AntiMatéria ... Como vimos, para toda partícula de matéria, existe uma partícula de antimatéria, com números quânticos aditivos opostos carga elétrica, número bariônico ou leptônico, estranheza, etc 5/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão A AntiMatéria ... Desde a descoberta do pósitron em 1932 ... Tentando produzir antimatéria “que nem a nossa ordinária” F 1955 descoberta do anti-próton (Nobel para Segre e Chamberlain em 1959) F 1956 descoberta do anti-nêutron F 1965 observação do anti-dêuteron (núcleo de anti-próton e anti-nêutron) F 1995 produção do primeiro anti-hidrogênio (estado ligado do anit-próton e pósitron) 6/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão Produção e aniquilação Processos comuns: a conversão de massa em energia em ação ! aniquilação em fótons produção de pares aniquilação e produção de pares 7/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão Onde está a antimatéria? 8/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão Onde está a antimatéria? 9/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão Onde está a antimatéria? Vista pela última vez nas mãos deste senhor enquanto corria .... 10/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão Onde está a antimatéria? observamos anti-matéria sendo produzida na colisão de partículas de raios cósmicos com a atmosfera podemos produzir partículas de anti-matéria nas colisões em aceleradores a altas energias ... mas em ambos casos logo “desaparece” : encontra seu par de matéria e se aniquilam onde está a anti-matéria? balões a altíssimas altitudes para detecção de anti-partículas primárias nos raios cósmicos ) ) radio-telescópios, satélites com detecção de raios e raios X sem evidência para anti-matéria em 1 bilhão de anos-luz princícipio cosmológico: não estamos em lugar privilegiado conclusão: não há anti-matéria no nosso universo Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula 11/ 69 Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão Como tudo começou ... 12/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão Como tudo começou ... matéria e antimatéria criadas em igual quantidade no Big Bang a T alta: produção ↔ aniquilação de pares universo expande ... esfria .... ? produção para ? apenas aniquilação continua ? muitos fótons (radiação) produzidos fótons produzidos nesta época ainda ficam “presos” no plasma de partículas carregadas toda matéria com antimatéria finalmente se aniquilam toda? (não, que sorte, por isto estamos aqui!) Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula 13/ 69 Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão Radiação Cósmica de Microondas temperatura da radiação 2.725 K com menos de 0.01% de variação ! evidência de época em que o universo era “pequeno” e todos os fótons estavam em equilíbrio térmico 14/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão A assimetria matéria-antimatéria F a matéria do universo seria o remanescente de um mínimo desbalanço de partículas sobre anti-partículas nos primeiros instantes após o Big Bang nbarions −nantibarions nfotons ∼ 10−9 , 10−10 15/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão A assimetria matéria-antimatéria ♣ Condições de Sakharov (67) para a geração da assimetria 1 violação de número bariônico quando o número de quarks + antiquarks no estado final é diferente do inicial permitiria o decaimento do próton 2 violação de C e CP 3 estado fora de equilíbrio térmico 16/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão Violação de Carga-Paridade 17/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão Relembrado: Paridade e Carga P : operação que inverte as coordenadas espaciais P (x ; y ; z ) ! ( x ; y ; z ) ) reflexão em relação à origem transforma um sistema de coordenadas mão–direita em mão–esquerda C : transforma partícula em sua antipartícula, deixando todas as outras variáveis dinâmicas intactas troca o sinal dos chamados “números quânticos aditivos” : carga: + ! − sabor: s ! s̄ ; u ! ū ; etc C jp i C jn i = jp i = jn i C j + i = C j 0 i = j i j0i 18/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão A Conjugação “Carga-Paridade” (CP) Na década de 50, verificou-se experimentalmente que paridade era uma simetria violada pelas interações fracas sistema de káons neutros observação de (apenas) neutrinos mão-esquerda e anti-neutrinos mão-direita Porém, esperava-se que CP fosse ainda uma boa simetria: 19/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão Violação de CP para káons neutros | K 0 e K 0 são produzidos via interação forte p ! K 0 0 p ! K 0K 0p mas são instáveis e decai por interações fracas | Dois estados diferentes são observados KL0 ) (KL0 ) = 0:5 10 7 s KS0 ) (KS0 ) = 0:9 10 10 s que decaem como: KL0 ! 0 e KS0 ! | Estes dois estados têm paridade oposta: + P ( + 0) = 1 e P ( + + ) = +1 que, de fato, é devido à violação de P em decaimentos fracos 20/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão Violação de CP para káons neutros | K 0 e K 0 não são autoestados de CP 0 CP jK 0 i = C jK 0 i = jK i 0 0 CP jK i = C jK i = jK 0 i Mas jK10i p12 jK 0i jK 0i ) jK10i p12 jK 0i + jK 0i ) | Então foi natural associar K10 $ KS0 KS0 ! 0 0 K2 $ KL KL0 ! CP jK10 i = +jK10 i CP jK20 i = CP CP jK20i = +1 = 1 21/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão Violação de CP para káons neutros Mas ... 1964: Kronin & Fitch | KL0 e KS0 são are quase autoestados de CP: KS0 = KL0 = jKp10 i+jK20 i 1+jj2 jKp20 i+jK10 i 1+jj2 com jj 3 10 3 CP é violada nas interações fracas Matéria e Antimatéria NÃO se comportam exatamente da mesma forma!!! Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula 22/ 69 Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão Violação de CP para káons neutros | Além disso: BR(KL0 BR(KL0 ! ! o que significa que KL0 KL0 ! + e e + 0 jKL0 ij2 e e ) / jhK + e e ) / jhK 0 jKL0 ij2 ! / j1 j2 / j1 + j2 e + e é 0.7% mais provável que ) podemos sem ambiguidade dizer que o elétron (matéria) é aquele que é produzido menos frequentemente em decaimentos de KL uma distinção absoluta entre matéria e antimatéria 23/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão Violação de CP no Modelo Padrão 24/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão Temos explicação para a Violação de CP? Vejamos ... início −→ expansão /resfriamento decaimentos −→ hoje 25/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão Temos explicação para a Violação de CP? Como vimos, até o início dos anos 70, acreditava-se que havia apenas 2 famílias de quarks Interações fracas: transições entre as famílias descrita pela Matriz de Cabibbo 2 2 não permite CP / em 1973, Kobayashi & Maskawa sugerem matriz 3 3 matriz 3 3 permite uma fase complexa ) permite CP / dois novos quarks: t e b 26/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão Violação de CP & Matriz de CKM 27/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão Violação de CP & Matriz de CKM 28/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão Violação de CP & Matriz de CKM 29/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão Violação de CP & Matriz de CKM CP / no setor hadrônico vem da natureza complexa da Matriz de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa uma parametrização conveniente CP / aparece em transições dos quarks do setor d ) mésons K (s q) e B (b q) Modelo Padrão prediz CP / nula ou muito pequena para mésons charmosos (c q ) ⇒ decaimentos de mésons B são os melhores para estudar Violação de CP 30/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Assimetria Matéria-Antimatéria Violação de Carga-Paridade Violação de CP no Modelo Padrão Violação de CP & Matriz de CKM 2001 : CP / observada no setor b Babar - Slac (USA) Belle - KEK (Japão) 2008 : Nobel para Kobayashi & Maskawa 31/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Interação fraca e bósons massivos Teoria Eletrofraca: SU (2)L U (1)Y Mecanismo de Higgs Teoria Eletrofraca e Higgs 32/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Interação fraca e bósons massivos Teoria Eletrofraca: SU (2)L U (1)Y Mecanismo de Higgs Interação fraca e bósons massivos 33/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Interação fraca e bósons massivos Teoria Eletrofraca: SU (2)L U (1)Y Mecanismo de Higgs Interações Fracas Após enorme êxito da QED ) tentativas de escrever a teoria fraca como uma teoria de Gauge W + e W : bósons de Gauge, de spin 1, responsáveis pela interação fraca carregada como vimos, devem ser massivos para explicar o curto alcance possível teoria de Gauge: tripleto de mediadores W + ; W ; W 0 ) predição de correntes fracas neutras 68 e observação em 1974!! ? bósons mediadores massivos ? Dois Problemas termo de massa na lagrangeana quebra invariância de gauge a corrente neutra devido a Z 0 não é ? puramente (V-A) ) O tripleto não fecha! 34/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Interação fraca e bósons massivos Teoria Eletrofraca: SU (2)L U (1)Y Mecanismo de Higgs Teoria Eletrofraca: SU (2)L U (1)Y 35/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Interação fraca e bósons massivos Teoria Eletrofraca: SU (2)L U (1)Y Mecanismo de Higgs Teoria Eletrofraca Solução (1968): Glashow, Weinberg, Salam (Nobel de 1979) no “início” ) duas forças - grupos de simetria SU (2)L [tripleto W+ ; W ; W3 ] e U (1)Y [singleto B ] um campo escalar (campo de Higgs) universo expande e esfria: quebra espontânea da simetria SU (2)L U (1)Y ) acoplamento do campo eletrofraco com o campo de Higgs cria mecanismo de geração de massa os dois campos neutros W3 e B se misturam em estados ortonormais A = B cos W + W3 sin W ! não massivo: o fóton ! massivo: o bóson Z 0 Z = B sin W + W3 cos W W também adquirem massa 36/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Interação fraca e bósons massivos Teoria Eletrofraca: SU (2)L U (1)Y Mecanismo de Higgs O que é Quebra Espontânea de Simetria A quebra espontânea de simetria acontece quando um sistema, que respeita alguma simetria (é descrito por um grupo de simetria), vai para um estado fundamental que não é simétrico. Variados exemplos na natureza alta temperatura baixa temperatura Uma vez vivendo num mundo de simetria quebrada, é dificil “perceber” sua simetria - ela está escondida 37/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Interação fraca e bósons massivos Teoria Eletrofraca: SU (2)L U (1)Y Mecanismo de Higgs Teoria Eletrofraca Ao “misturar” os dois campos vetorias neutros, as constantes de acoplamento fraca e EM ficam relacionadas g sin W = g 0 cos W = e e e W determinados experimentalmente: sin2 W = 0:23119(14) massas de W e Z relacionadas por MW = MZ cos W ao medir W e MW pode-se predizer MZ encontra-se: MW = 80:398(25)GeV ) MZ = 80:398 0:8768 = 91:69GeV MZ = 91:1876(21)GeV (medida) tudo isto acontece pelo acoplamento do campo de Higgs ao campo eletrofraco... 38/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Interação fraca e bósons massivos Teoria Eletrofraca: SU (2)L U (1)Y Mecanismo de Higgs Mecanismo de Higgs 39/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Interação fraca e bósons massivos Teoria Eletrofraca: SU (2)L U (1)Y Mecanismo de Higgs O Mecanismo de Higgs, em poucas palavras... dada a simetria do potencial do campo de Higgs há infinitas possibilidades para o estado de menor energia aonde o Higgs “cai” determina a física que se forma a partir de então em particular a escolha foi tal que o fóton permanecesse não massivo o Higgs tem massa, mas tem números quânticos do vácuo o “vácuo” é na realidade populado por partículas de Higgs virtuais os férmions (quarks e léptons) também ganham massa pela interação com o campo de Higgs 40/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Interação fraca e bósons massivos Teoria Eletrofraca: SU (2)L U (1)Y Mecanismo de Higgs O Mecanismo de Higgs, em poucas palavras... dada a simetria do potencial do campo de Higgs há infinitas possibilidades para o estado de menor energia aonde o Higgs “cai” determina a física que se forma a partir de então em particular a escolha foi tal que o fóton permanecesse não massivo Mas por que o Higgs é fundamental? O Modelo Padrão é uma bela o “vácuo” é na realidade populado por teoria, que explica todas as partículas de Higgs virtuais observações até agora, tem grande poder preditivo .... os férmions (quarks e léptons) também sempre e quando exista o ganham massa pela interação com o HIGGS !!! campo de Higgs o Higgs tem massa, mas tem números quânticos do vácuo 41/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Interação fraca e bósons massivos Teoria Eletrofraca: SU (2)L U (1)Y Mecanismo de Higgs Geração de Massa via Interação com o campo de Higgs quando uma partícula viaja no vácuo, interage com o campo de Higgs: ) partícculas, antes não massivas, aparecem massivas quanto maior o acoplamento com o campo de Higgs, maior a massa gerada para a partícula ... portanto quanto maior a massa, maior o acoplamento com o Higgs W ; Z ; t com suficiente energia, deve ser possível criar o Higgs e assim confirmar a Teoria Eletrofraca Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula 42/ 69 Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Interação fraca e bósons massivos Teoria Eletrofraca: SU (2)L U (1)Y Mecanismo de Higgs O Higgs - Status pré LHC A massa do Higgs não é predita pelo Modelo Padrão Está restrita a MH < 1TeV para respeitar unitariedade em espalhamento W + W análise combinada dava MH < 200GeV (95% CL) buscas diretas MH > 114 GeV (95% CL) limites devido às massas do W e do top 80.50 direct (1σ) indirect (1σ) all data (90% CL) 00 80.45 MH MW [GeV] 00 80.40 MH 80.35 MH 80.25 150 155 160 165 170 175 180 V Ge =4 00 MH V Ge =2 00 80.30 V Ge =1 V Ge =8 185 190 mt [GeV] 43/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Interação fraca e bósons massivos Teoria Eletrofraca: SU (2)L U (1)Y Mecanismo de Higgs LEP observou o Higgs? 44/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão Física Além do Modelo Padrão 45/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas 46/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão Testes de Precisão do Modelo Padrão O Modelo Padrão (MP) descreve com grande precisão as interações fortes e eletrofracas ENORME ÊXITO !! Porém: requer a existência de um Higgs leve . 200GeV=c2 as massas de todos os férmions devem ser geradas pelo Higgs, mas sem predição do Modelo Padrão há 20 parâmetros no MP apesar de todos os êxitos, atualmente não se acredita que o MP seja um modelo completo 47/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão Algumas questões nâão respondidas pelo MP ... Por que existem 3 famílias de quarks e léptons? Por que as cargas do elétron e próton têm mesmo valor? ou ainda: porque carga elétrica é quantizada? Por que 4 forças? Serâão elas manifestações de uma única força unificada? E a gravidade? Gravitação Quântica? Existem dimensões extra? Por que existe mais matéria do que antimaéria? Por que os neutrinos têm massa tão pequenas? Conhecemos apenas 4% da densidade de matéria/energia do Universo 23% é devido à Matéria Escura 73% é devido à Energia Escura o que são? 48/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão Além do Modelo Padrão 49/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão Além do Modelo Padrão 50/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão Supersimetria Supersimetria – SUSY – é uma das extensões ao MP mais bem aceitas Ela relaciona os graus de liberdade de bósons e férmions: Q jF i = jB i Q jB i = jF i seus spins diferem por 1/2 unidade portanto, dobra o número de partículas elementares!! devem ser muito pesadas caso contrário já as teríamos observado 51/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão SUSY (cont.) SUSY soluciona o problema de “naturalidade” : MH diverge para grandes (escala de Nova Física) ) requereria ajuste superfino SUSY gera cancelamento da divergência ao incluir contribuições de partículas e parceiros supersimétricos SUSY possibilita uma escala de unificação para as constantes de acoplamento: escala GUT 1016 52/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão SUSY (cont..) Mas, SUSY é mais complicada: requer ao menos 5 Higgs (no modelo SUSY mínimo) novo número quântico:paridade R partículas normais têm R = +1 partículas SUSY têm R = 1 se R paridade é conservada: partículas SUSY devem ser produzidas em pares a partir de matéria ordinária a partícula SUSY mais leve deve ser estável ) não interage com a matéria ordinária: se produzida em uma colisão vai escapar do detector: energia e momentum faltantes) ótima candidata para matéria escura no SUSY mínimo, massas são preditas na faixa 100 1000 GeV ) LHC deveria encontrá-las! Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula 53/ 69 Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão Gravitação e Dimensões Extras A Gravitação não está incluída no MP; problemas formulação quântica–relativística (teoria de campos) que a descreva longo alcance (1=r 2 ) não-massivo, spin 2 ) gráviton supersimetria ajuda ... teoria de cordas: forças e partículas como vibrações das supercordas. tem consistência quântica, mas requer mais 7 dimensões 54/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão Dimensões Extras dimensões extras estariam “enroladas” todas as partículas e forças vivendo no mundo 4D, mas gravidade se propaga em todas as dimensões estas dimensões poderiam ser da ordem de mm sem violar nenhuma medida até hoje possibilidade de criação de mini-buracos negros .... 55/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão Exótica Strong gravity - Large extra dimensions (ADD) traria escala de Plack para TeV gráviton escapa detecção monojato, monofóton mini-buracos negros: decaimento isotrópico (multi-jatos) Ressonâncias Pesadas Preditas por várias extensões do Modelo Padrão teorias tipo GUT, Little Higgs ) bósons de gauge pesados Z’, W’ technicolor ) technihadrons de pequena largura Randall-Sundrum ED ) Kaluza-Klein gráviton Partículas de longa Vida SUSY com violação de paridade-R vértices pesados, separados do primário, associados a múon de alto pT hadrons-R (squarks, gluinos) 56/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão Além do Modelo Padrão - Como buscar? 57/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão Apêndice I: Mecanismo de Higgs 58/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão The not V-A character of the weak neutral current | From neutrino–quark scattering it was found that the weak neutral current JNC is not purely (V-A) | If the charged currents J and a neutral current are expected to form a triplet, then this neutral current should be (V-A) ... J+ = u 21 (1 5 )ue = L eL J = ue 12 (1 5 )u = eL L in terms of a weak lepton dublet L = ee L and ladder operators we can write J = L L the introduction of a neutral current according to SU (2) leads 1 1 3 J = L 2 3 L = 2 L l 12 eL eL or Ji = L 12 i L ) a triplet of weak currents 59/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão Weak Isospin and Hyperchage: SU (2)L U (1)Y | On the other hand the EM current is written as = eR eR eL eL | neither jem or jNC respect SU (2)L | trying to rescue SU (2)L symmetry: form two orthogonal jem = e e combinations by analogy with isospin define weak hypercharge Q = I 3 + 12 Y ! jem = J3 + 12 jY thus JY = 2jem 2J3 = = 2eR eR 2eR eR eL eL L L L eL ) underlying symmetry group SU (2)L U (1)Y : Q ! generator of U (1)em Y ! generator of U (1)Y Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula 60/ 69 Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão The mixture of neutral fields | The basic interaction is written h ~ W ~+ i gJ g0 2 (J Y ) B i W = p12 (W1 iW2 ) describe the W gauge bosons W3 and B are the neutral fields | but: the underlying SU (2)L U (1)Y symmetry is broken and B mix forming orthogonal W3 the two neutral states states (as we’ll see next: Higgs Mechanism) the charged W also acquire mass the coupling constants are related by g sin W = g 0 cos W = e e and W determined by experiment: sin W = 0:23122(15) masses of W and Z related by MW = MZ cos W Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula 61/ 69 Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão An Example: Higgs Model in U (1) | The Lagrangian for a charged fermion interacting with an abelian U(1) local gauge field (e.g. EM) is L = [i (@ (where F = @ A transformations ieA ) m] 1 4 F F @ A ). It is invariant under local gauge ! 0 = ei x ( ) A mass term for A , A ! A0 = A + e1 @ Lmass = 21 mA2 AA would break gauge invariance ! photon needs to be massless ? the same argument holds for other groups, like SU (2) ) BUT ...we need weak bosons to be massive! break of local gauge symmetry: sponteneous symmetry breaking 62/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão Higgs Model in U (1) (cont.) | Couple a complex scalar field = p12 (1 + i 2) to the U (1) gauge field L= 1 4 F F V () = | 2{z jj2} + jD j2 V () such that + a “mass type” term for | j{zj4} a self-coupling term 2 > 0: - true mass term - V () has a minimum at - m = =0 63/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão Higgs Model in U (1) (cont..) for 2 < 0: - minimum of V () occurs for jj = pv2 = q 2 2 ) the ground state (vacuum) does not present the lagrangian symmetry ! breaks U (1) 64/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão Higgs Model in U (1) (cont...) | Take 1 = v , 2 = 0 and expand L about the vacuum in terms of fields h and by writing: = p12 ei v (v + h (x )) p12 [v + h (x ) + i (x )] In terms of h and , L = L is written 1 4 F F 2 2 + h + 12 e 2 v 2 A A + 21 (@ h @ h + @ @ ) evA @ + (h ; interaction terms) From this lagrangean we read p MA = ev ; Mh = 22 ; M =0 65/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão Higgs Model in U (1) (cont...) The term evA @ can be eliminated by a gauge transformation 1 @ A0 = A ev so finally we have L= 1 4 F F + 12 e 2 v 2 A0 A0 + 12 @ h @ h V (h ) ) has disappeared (transformed to longitudinal comp. of A) ! Goldstone Boson ) L describes two interacting massive fields: A and h h is the Higgs Particle This is the Higgs Mechanism (here applied hipothetically to U (1)) 66/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão Higgs Mechanism in the SM | Now appying the same idea for the SM group SU (2) U (1). Introduce a SU(2) Higgs doublet: = p 1 2 1 + i 2 3 + i 4 ! The lagrangian is L = (D)(D ) V () ~ 1 4 W W~ 1 4 B B the last two terms corresponding to the SU (2) and U (1) fields respectively. Coupling of the Higgs field to SU (2) and U (1) ~ i g20 B D = @ i g2 ~ W with 8 B ! U (1) gauge boson > > > < g ! U (1) coupling constant ~ > W ! SU (2) gauge bosons > > : 0 g ! SU (1) coupling constant Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula 67/ 69 Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão Higgs Mechanism in the SM (cont.) Again, if 2 < 0 spontaneous symmetry breaking occurs. Minimum for jj = p12 0 v choice of vacuum breaks SU (2) U (1) Following similar steps as in the U (1) case, the mass terms appearing are v2 8 h g 2 (W1 )2 + (W2 )2 + (g 0 B gW3 )2 i The second term is non-diagonal. After diagonalizing we find: 8 > W p12 W1 > > > < gW3 g 0 B 0 > > > > : = ( + W2 ) ! Z = p 2 02 ! g +g g 0 W 3 +gB A = p 2 02 ! g +g Carla Göbel = gv =2 p MZ = g 2 + g 02 v =2 MA = 0 MW A Física do LHC - 3a Aula 68/ 69 Matéria-Antimatéria e Violação de CP Teoria Eletrofraca e Higgs Física Além do Modelo Padrão Modelo Padrão : êxitos e falhas Além do Modelo Padrão Higgs Mechanism in the SM (cont..) 0 = tan W $ sin W = pg 2g+g 02 A = cos w B + sin W W3 Z = sin w B + cos W W3 masses related by: MW = MZ cos W Defining mixing angle g 0 =g W and Z | In summary: breaking of SU (2) U (1)Y ! SU (2)L U (1)em Higgs Mechanism constructed in such a way to provide masses to W and Z while keeping the photon massless three goldstone bosons absorbed as W and Z longitudinal components predicts mass relation between W and Z 69/ 69 Carla Göbel A Física do LHC - 3a Aula