“instrumentação para a física de partículas e altas energias”
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“Instrumentação para a Física de Partículas e Altas Energias”. Jun Takahashi IFGW-UNICAMP. VI Escola do CBPF. Objetivo Geral do Curso. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
“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.