“Instrumentação para a Física de

Partículas e Altas Energias”

“Instrumentação para a Física de

Partículas e Altas Energias”

Jun Takahashi

IFGW-UNICAMP

Jun Takahashi

IFGW-UNICAMP

VI Escola do CBPFVI Escola do CBPF

2Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

Objetivo Geral do CursoObjetivo Geral do Curso

“O objetivo deste curso é dar uma noção geral sobre os principais tipos de detectores utilizados na física de partículas e na física nuclear, sobre os métodos de análise de dados e sobre os principais experimentos atuais desta área.”

3Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

Índice:Índice:

Aula 01: Revisão sobre a Física de Partículas e noções básicas sobre aceleradores.

Aula 02: Radiações e interação da radiação com a matéria. Princípios gerais de detecção e um resumo sobre os principais tipos de detectores.

Aula 03: Detectores a gás, detectores semicondutores, e cintiladores.

Aula 04: Métodos de análise de dados, estatística, tracking, Vértices Secundários, PID e trigger.

Aula 05: Os experimentos do RHIC e do LHC. Experimentos de neutrinos e o observatório Auger. Aplicações de detectores em outras áreas.

4Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

Bibliografia do CursoBibliografia do Curso

Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments

W.R. Leo, Springer-Verlag

Radiation Detection and Measurements

Glenn F. Knoll

Materiais e Dispositivos Eletrônicos,

Sérgio M. Resende, Editora livraria da Física

Nuclear Instruments and Methods

Particle Data Book

WWW

5Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

Física de Partículas e Altas Energias

Física de Partículas e Altas Energias

A física de partículas é o ramo da física que estuda os constituintes elementares da matéria e da radiação, e a interação entre eles. A física de partículas busca o fundamental, o nível mais básico da matéria e da natureza.

Winkipédia

Do que todas as coisas são feitas?Do que é feita a matéria?1808: Modelo atômico de John Dalton

1895: Descoberta de raios X por Röntgen (PN 1901)

1896: Descoberta da radioatividade por Becquerel (PN 1903)

1897: Descoberta da primeira partículas subatômica, o elétron por JJ Thomson (PN 1906)

e=1,60217×10-19 C

1911: O experimento de Rutherford e o modelo nuclear para o átomo.

1913: A mecânica quântica e o átomo de Bohr (PN 1922)

7Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

O átomo Mas será que os prótons, elétrons e nêutrons são as partículas mais

fundamentais?

A era da física de partículasA era da física de partículas1905: Einstein, E=mc2

1930: Dirac postula a existência de anti-matéira.

1935: Yukawa propõe a existência de píons.

PN:1949Hideki Yukawa

1932: Ernest Lawrence realiza a primeira reação nuclear usando um acelerador.

PN:1939E. Lawrence

1932: Anderson descobre o pósitron em raios cósmicos.

PN:1936D. Anderson

Medida do pósitron efetuado por Andersonem uma cloud chamber

1937: Anderson descobre o múon que ele acha ser o méson de Yukawa.

PN:1921A. Eistein

A descoberta do méson-π

• Lattes, Ochialini e Powel descobrem o méson-π e identificam a radiação de Anderson como sendo o “méson-muon” (1947);

• Mais tarde, constatou-se que se tratava da reação:

+

PN:1950

“Who ordered that?”

O méson- parecia ser a partícula de Yukawa;Com isso, “fechava-se” a teoria atômica;Porém, o méson- era um “filho indesejado” (segundo Gell-Mann) que abria um novo mistério a ser resolvido;Na década de 1950, novos aceleradores de partículas (p+p, e+e) cada vez mais potentes começam a funcionar e não tardou para novas partículas surgirem e “complicarem” a situação…

Isidor I. Rabi

11Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

Começa a surgir um “zoológico” de partículas !!

Começa a surgir um “zoológico” de partículas !!

“Young man, if I could remember the names of these particles, I would have been a botanist”

E. Fermi

+ + -

V10 p -

0 + -

+ 0

+ 0

V+ p 0

O que são todas essas partículas? Elas são partículas elementares? Ou serão compostas de partículas mais

fundamentais?

PN:1938E. Fermi

A solução vem da simetria e do modelo de quarks

PN:1969

1964: Gell-Mann e Zweig e Yuval Ne’eman propõe o modelo de quarks

13Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

S

0-1-1-2

S

0+10-10

A primeira comprovação do modelo de quarks vem de forma estranha, ou

melhor, na estranheza.

A primeira comprovação do modelo de quarks vem de forma estranha, ou

melhor, na estranheza.

14Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

A última peça de “estranheza”: - (1964)

A última peça de “estranheza”: - (1964)

15Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

As comprovações do modelo padrão continuam

As comprovações do modelo padrão continuam

1995 – Comprovação da existência do quark “Top” nos experimentos CDF e D0) do Fermilab

1970 - Hipótese da existência do quark “charm” postulado por Sheldom Glashow, Lliopoulos e Maiani.1974 - Descoberta da partícula J/: confirmação da existência do “charm”

1964 – O Ω– é medido no laboratório de Brookhaven, validando o modelo das partículas estranhas.

PN:1976Burton Richter, Samuel C.C. Ting

1953 – Hipótese de um novo número quântico: a “estranheza”.

16Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

Interações entre partículas:Interações entre partículas:

A 5a Força de Interação ?Seria a interação de Higgs Mediada pelo Boson de Higgs.Esta interação seria responsável pela formação da massa das partículas. O Bóson de Higgs ainda não foi observado experimentalmente, masModelos prevêem que teria massa bem acima de 80 GeV/c2.

PN:1979S.Lee

Glashow,A.SalamSteven Weinberg

PN:1984S.van der Meer,

C. Rubbia

17Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

O Modelo PadrãoO Modelo Padrão

É a teoria que descreve as partículas elementares que compõe o universo, as interações entre elas e as leis de simetria existentes.2 tipos de partículas elementares:

Férmions (spin ½).• Quarks/ Anti-Quarks• Léptons

Bósons (spin 1).

5 tipos de interação: Forte. Fraca Eletromagnética Gravitacional Higgs.

Partículas estáveis: Bárions/Anti-bárions. Mésons. Léptons.

Evolução do UniversoEvolução do Universo

Estado inicial de densidade de energia extremaSérie de transições de fase previstas pelo modelo padrão. Estado Inicial: Quark Glúons Plasma

Sopa de quarks e glúons livres, universo ainda quente de mais para o acoplamento dos mesmos.

Gás de Hádrons:Prótons e nêutrons livres, universo ainda quente para formação de núcleos.

Nucleossíntese primordial, até He.

Exp

ansã

o e

Res

fria

men

to

Plasma EM:Universo ainda quente para o acoplamento dos elétrons com os núcleos para formar átomos e moléculas.

Universo hoje (2.7 K)

Características Globais do nosso universo hoje

está ligado às propriedades destas transições de fase.

PREVISÕES da QCD: - Desconfinamento (Tc~170 MeV)

-restauração da simetria quiral num QGP

Questões Fundamentais do Modêlo Padrão- Transição de fase

- simetrias da natureza

- origem das massas no Universo

ASTROFÍSICA NUCLEAR• nucleossíntese• processos violentos• limites da matéria nuclear

20Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

Física Experimental de Partículas e Altas Energias

Física Experimental de Partículas e Altas Energias

Teste do modelo PadrãoAlém do modelo PadrãoEstrutura do nucleon.Espectroscopia hadrônicaViolação de CPHiggsNeutrinosQuark-Gluon Plasma

21Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

AceleradoresAceleradores

O que fazem?

Produzem feixes de partículas carregadas (elétrons, Prótons e nucleos) com energias desde alguns keV a TeV que são então arremessados contra um alvo gerando colisões nucleares.

Para que servem?Para investigar estruturas subatômicas dos núcleos e nucleons.Da dualidade onda-partícula temos que = h/p, assim quanto maior o momento das partículas menor é o comprimento de onda e portanto menor é tamanho mínimo da estrutura a ser “enxergada”.Para gerar novas partículas e novos estados da matéria.A energia cinética das partículas aceleradas pode ser convertida em energia de ligação para criar núcleos mais pesados ou mesmo novas partículas (E=mc2).

22Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

Por que usar aceleradores?Por que usar aceleradores?Por que usar aceleradores?Por que usar aceleradores?

p

23Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

Aceleradores: super-microscópios

Aceleradores: super-microscópios

24Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

Principais tipos de aceleradores

Principais tipos de aceleradores

Aceleradores e Colliders Próton + Próton (Tevatron, LHC) Elétron + Pósitron (SLAC, CESR) Elétron + Próton (LEP, HERA, KEK) Núcleo + Núcleo (RHIC, LHC)

Raios Cósmicos Auger, HiRes, AGASA

Neutrinos Extra-terrestres Terrestres (reatores / aceleradores)

25Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

Como Funcionam os AceleradoresComo Funcionam os Aceleradores

Fonte de íons

Cavidade de Aceleração

Área Experimental

Elementos ópticos

Controle e Aquisição de dados

26Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

Tipos de AceleradoresTipos de Aceleradores

Aceleradores Eletrostáticos: O mais simples dos aceleradores, que utiliza o campo elétrostático gerado por uma diferença de potencial para acelerar partículas carregadas.

F=qE , E=V/d , Energia=qV.

Exemplos: Gerador Van de Graaff, Tandems e Pelletrons.Limite: 30-40 MeV para protons.

e-

0V 1V

27Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

PelletronsPelletrons

0VTensão Terminal

+++++

+++++

Partic. Pos.

Stripper

Partic. Neg.

28Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

Cyclotrons e BetatronsCyclotrons e Betatrons

Devido à dificuldade de manter altas tensões, Ernest Lawrence sugeriu utilizar um campo magnético para curvar a trajetória das partículas e variar a polaridade do campo Elétrico para a cada semi-rotação das partículas, estas sejam aceleradas gradativamente.

29Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

Partículas são aceleradas por campos eletro-magnéticos gerados em cavidades ressonantes de alta freqüência.

Electron Linacs.Stanford 3 Km que produz elétrons de até 20 GeV.

Proton Linacs.Los Alamos tem um Linac de prótons de até 800 MeV.

Heavy Nucleus Linacs.LAFN-IF/USP

Electron Linacs.Stanford 3 Km que produz elétrons de até 20 GeV.

Proton Linacs.Los Alamos tem um Linac de prótons de até 800 MeV.

Heavy Nucleus Linacs.LAFN-IF/USP

Aceleradores Lineares (Linacs)Aceleradores Lineares (Linacs)

30Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

Partículas são aceleradas em cavidades rf como no caso dos Linacs, porém, o feixe é mantido em uma trajetória circular de forma que as partículas sofram aumento de energia a cada volta. Dipolos magnéticos são utilizados para curvar o feixe de partículas e quadrupolos são utilizados para manter o mesmo colimado.

Synchrotrons podem acelerar elétrons, prótons e nucleos mais pesados. Synchrotrons de elétrons emitem grande quantidade de fótons de baixo comprimento de onda, conhecido como radiação de luz sínchroton.

Synchrotrons podem acelerar elétrons, prótons e nucleos mais pesados. Synchrotrons de elétrons emitem grande quantidade de fótons de baixo comprimento de onda, conhecido como radiação de luz sínchroton.

LNLS em Campinas SP

SynchrotronsSynchrotrons

31Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

O preço que se paga para trabalhar no referencial do laboratório é muito grande. Experimentos de alvo fixo perdem muita energia devido ao movimento do centro de massa. No caso de colliders, com feixes de mesma massa, o CM é fixo, e toda energia dos feixes é convertido para a reação. Por exemplo, a colisão de 2 feixes de prótons a 21.6 GeV corresponde a um experimento de alvo fixo com feixe de 1 TeV.

Colliders

32Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

Se utiliza de todas as tecnologias para acelerar as partículas.

Super Colliders: RHICSuper Colliders: RHIC

RHIC Tour

34Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

LHC@CERN: Large Hadron Collider

35Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

Pb+Pb collision at

1200 TeV ~ 0.2 mJ ~ 0.2 mJ

36Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

Partículas com altas energias oriundas do espaço são medidas na atmosfera terrestre. Em 1991, um observatório de raios cósmicos no Utah, USA, mediu uma partícula de 3.2×1020 eV.

A teoria mais aceita de como estas partículas são aceleradas é através do processo conhecido como “aceleração de Fermi”, onde partículas ganham energia através de interações sucessivas com plasmas magnéticos.

Outros possíveis aceleradores: Supernovas. Pulsares. Colisão entre galáxias. Evaporação de mini-buracos

negros. Dobras do Espaço Tempo.

Aceleradores Cósmicos

37Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

Alguns dos principais aceleradores

BNL (NY)Collider com 2 feixes de núcleos variados (Au) com colisões de até 40 TeV .Em 1974 efetuou se a descoberta do quark charm com a medida da partícula J/juntamente com SLAC.

FERMILAB Collider com 2 feixes de prótons e antiprótons onde se descobriram os quarks top, bottom e o neutrino tau.

SLACAcelerador linear que acelera elétrons e pósitrons para variadas aplicações. Participou da descoberta do quark charm e também do lépton tau.

CERNLHC: Large Hadrons Collider.LEP: Large Electron-Positron Collider.SpS: Super Próton Síncrotron.Descoberta dos bósons W e Z e onde iniciou a Internet.

DESYDois aceleradores: HERA e PETRA que colidem elétrons com prótons.No PETRA foi confirmado a existência do Glúon.

KEKSíncrotron de prótons e de elétrons. Com larga produção de B-mésons. Em conjunto com o Super Kamiokande, investigam a massa do neutrino.

LNLSLaboratório Nacional de Luz Síncrotron em Campinas com energia de operação de 1.37 GeV.

LAFNLaboratório Aberto de Física Nuclear-IF/USP.Tandem de 8MeV + Linac.Importantes estudos nas áreas de física nuclear de baixa e média energia.

38Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

Colliders e+e-

39Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006

Colliders: pp, ep, AA

Obrigado.