S ÃO PAU LO RE S E ARCHAND ANA LY S I S C EN T ER

A Física das Partículas Elementares e suas Interações éuma área que busca elucidar a estrutura íntima da matéria inves-tigando seus constituintes e a forma com que interagem entre si.A investigação experimental dessa área — a Física Experimentalde Altas Energias — utiliza aceleradores de partículas e detectoressofisticados capazes de extrair informação a partir dos produtos dascolisões. Devido à sua magnitude e complexidade, os experimentosmodernos na área são conduzidos em poucos países, por grandescolaborações internacionais com milhares de pesquisadores. Atual-mente, o Large Hadron Collider (LHC), localizado na OrganizaçãoEuropéia para Pesquisa Nuclear (CERN), é o maior e mais avan-çado acelerador de partículas em operação, hospedando diversosexperimentos que estudam os resultados de colisões entre prótonsa energias de centro de massa de até 14 TeV. O São Paulo Researchand Analysis Center (SPRACE) é um centro de pesquisa dedicado àanálise dos dados obtidos pelo Compact Muon Solenoid (CMS), umdos experimentos multipropósito do LHC.

O Modelo Padrão das Partículas e Interações

A estrutura elementar da matéria é um problema que vemfascinando a mente humana desde tempos imemoriais. Da hipótesechinesa dos cinco elementos, passando pela "terra, fogo, água ear"de Empédocles e chegando à tabela periódica de Mendeleiev,a idéia de que a matéria deve ser formada por elementos maissimples é recorrente. Atualmente, o Modelo Padrão das Partículase Interações é a melhor descrição da estrutura da matéria, prevendocorretamente os fenômenos subatômicos em escalas de 10−10 a10−18 m ou energias da ordem de TeV.

Figura 1: Partículas elementares e suasinterações.

Aceleradores e Detectores de Partículas

O desafio experimental de realizar a investigação em escalasde comprimento tão baixas — ou, equivalentemente, a escalas deenergia tão alta — demanda o desenvolvimento de instrumenta-ção especializada. O LHC é a mais recente etapa na evolução dosaceleradores de partículas, capaz de realizar colisões próton-prótona uma energia de centro de massa de até 14 TeV, e com uma umataxa de colisões jamais alcançada (1034 cm−2/s). O detector CMS éposicionado ao redor da região de interação, composto de diversossubsistemas com os quais é possível identificar a natureza e as ca-racterísticas cinemáticas das partículas produzidas na colisão, bemcomo adquirir, digitalizar, filtrar e gravar os dados tomados. Umsistema de computação em grid é capaz de analisar a enorme quan-tidade de dados produzidos pelo experimento, bem como executarsimulações e fazer comparações e reduções de dados.

Figura 2: Visão esquemática do detec-tor CMS, mostrando as interações dosdiferentes tipos de partículas.São Paulo Research and Analysis Center

O grupo do CMS de São Paulo — São Paulo Research andAnalysis Center (SPRACE) — é formado por pesquisadores daUNESP e da UFABC. Os cientistas do SPRACE participam da aná-lise dos dados obtidos pelo CMS, com ênfase nas áreas de FísicaAlém do Modelo Padrão e Física dos Íons Pesados. Além disso, ogrupo atua em áreas correlacionadas, como computação de alto de-sempenho (HPC) e instrumentação científica (eletrônica do trigger).

Física Além do Modelo Padrão

Apesar do enorme sucesso experimental, o Modelo Padrão apre-senta desafios que sugerem a existência de uma estrutura aindamais profunda na matéria, que seria descrita por uma nova teo-ria Física. Embora existam diversas teorias que busquem estendero Modelo Padrão, ainda não existem indícios significativos quefavoreçam nenhuma delas. A origem da oscilação dos neutrinos,a assimetria bariônica do universo e a relação da gravitação comas outras interações fundamentais são algumas das questões emaberto no atual paradigma. Uma das características da Física deAltas Energias é sua capacidade de explorar fenômenos que vãoalém do mundo microscópico. Experimentos na área de Astrono-mia sugerem a existência da chamada matéria escura. A naturezada matéria escura, caso seja formada por alguma partícula desco-nhecida, também pode ser investigada em aceleradores. O grupoSPRACE atualmente analisa os dados do detector CMS em buscade indícios da ocorrência de processos oriundos de nova Física, comênfase na busca por novas ressonâncias e por matéria escura.

(GeV)WVM1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

310×

data

σD

ata-

Fit

-202

Eve

nts

/ ( 1

00 G

eV )

-210

-110

1

10

210

310

410νµCMS Data W+jets

WW/WZ tt

Single Top Uncertainty

100)×=2 TeV (G MBulkG

High-Purity, WW enriched

(13 TeV)-12.2 fb

CMSPreliminary

Figura 3: Eventos utilizados na buscapor ressonâncias no canal WW → `νqq.

G

W

W

g

g

q

q

⌫

`

Figura 4: Diagrama do processoprocurado na figura ao lado: produçãodo gráviton G através da fusão deglúons, e seu decaimento através doprocesso WW → `νqq.

Física de Íons Pesados

O LHC também é capaz de colidir núcleos de chumbo, além deprótons e o detector CMS pode analisar essas colisões entre íonspesados. As primeiras colisões PbPb foram produzidas em 2010e as mais recentes ocorreram no final de 2015 com uma energiade 5.02 TeV. Também vêm sendo estudadas colisões entre pró-tons e íons de Chumbo (pPb) com energias similares no centro demassa da colisão nucleon-nucleon. Esses tipos de colisões forne-cem um rico espectro de fenômenos que permitem investigar aspropriedades da “matéria” quente e densa formada na colisão —às vezes chamada de plasma de quarks e glúons — que tem pro-priedades físicas semelhantes às do universo em seus instantesiniciais, e, em particular, estudos de correlações entre partículas.O grupo SPRACE está envolvido em análises que estudam cor-relações de partículas idênticas, historicamente conhecidas comoefeito Hanbury-Brown e Twiss (HBT), que servem como uma ferra-menta para estimar a dimensão espaço-temporal da fonte emissoraformada em colisões pp, pPb e PbPb.

Prospectos para o Estudante

A área de Física Experimental de Altas Energias está em francaexpansão. O LHC está em operação, e um cronograma de upgrades1 1 Disponível em

http://hilumilhc.web.cern.chestá proposto para a evolução do acelerador e dos experimentos,visando sua operação até a década de 2030. Além disso, discussõessobre possíveis futuros experimentos já estão em andamento.

Figura 5: Colisão de íons pesadosno CMS. A produção de partículasé muito maior do que em colisõespróton-próton, tornando a análisemais desafiadora.

Um estudante que se junte ao grupo SPRACE terá a possibili-dade de realizar física experimental em nível internacional, tendoacesso aos dados tomados pelo detector CMS para realizar análisesfísicas em ambas as áreas em que o grupo atua. O estudante teráa oportunidade de trabalhar na operação e no aprimoramento doexperimento CMS; poderá ter uma estadia de longa duração noCERN; participar do dia-a-dia da colaboração em visitas ocasio-nais ao laboratório. O SPRACE fornece aos seus novos membrospleno acesso aos recursos computacionais e laboratoriais, bem comotodo o suporte dos professores e pesquisadores do grupo para odesenvolvimento de pesquisa.

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