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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

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O b son 125 3 gev de 4 de julho e o higgs do modelo padr o

O Bóson-125.3 GeV de 4 de Julho eO Higgs do Modelo-Padrão

J. A. Helayël

CBPF / MCTI

GFT – JLL.


O b son 125 3 gev de 4 de julho e o higgs do modelo padr o

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?


O b son 125 3 gev de 4 de julho e o higgs do modelo padr o

*Elementaridade / Unificação e geração das escalas corretas*

  • Motivações para se pensar em unificação(retorno aDirac, 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) simetriasde partida:

  • degenerescência/multipletes.

  • Grupo de simetria: #s quânticos da interação considerada.


Esquema geral do programa de unifica o
*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?)


Tqc s e if s
TQCseIFs

.1926: Dirac - 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?


Repercuss es
Repercussões

Charles Darwin to Bohr (DEC 1927):

‘Dirac hasnowgot a completelynew system ofequations for theelectron

which does the spin right in all cases andseems to be“thething”.’

Heisenberg to Bohr (JUL 1928):

“I findthepresentsituation quite absurdandonthataccount, almost out of

despair, I havetakenupanotherfield, trying to understandmagnetism.”

Heisenberg to Pauli (AUG 1928):

“ThesaddestchapterofmodernPhysics is andremainsthe Dirac theory.”


Avan os em tqc s simetrias
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 f sica das intera es fracas anos 30
Germinando a Física das Interações Fracas(Anos-’30)

.1932: Descobertas –pósitronenêutron (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 m todo cient fico
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 i s fracas di logo cont nuo teoria experimentos definindo dire es
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:Violação da Paridade.

.1957: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 i s fracas fenomenologia
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 i s fracas teoria de campos problema gera o de massa
Fase-anos ‘60 do Programa das Is Fracas(Teoria de Campos – Problema: geração de massa)

.1960: Nambu – “A SuperconductorModelofElementaryParticles”.

.1961: Glashow – “Partial-SymmetriesofWeakInteractions”.

.1961: Gell-Mann, Glashow – “GaugeTheoriesandVectorParticles”.

.1962: Goldstone, Salam, Weinberg – “BrokenSymmetries”.

.1964: Higgs –“Brokensymmetries, MasslessParticles, andGaugeFields”.

.1964: Englert, Brout – “BrokenSymmetryandtheMassofGaugeVectorBosons”.

.1964: Salam, Ward: “ElectromagneticandWeakInteractions”.

.1966:Higgs – “SSB withoutMasslessBosons”.

.1967: Weinberg - “A ModelofLeptons”.

.1968:Salam – “WeakandElectromagneticInteractions”.


O essencial da f sica do higgs o higgs no cen rio eletrofraco
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) hhBB.{Ws, Z, fóton}.

Auto-interação:V = ahh+ bhhhh.

Vácuo não-trivial:h= v0+H(Hflutua estavelmente).

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 padr o
Teoria Eletrofraca + QCD: Modelo-Padrão.

.1960 – 1968: Teoria Eletrofracaé 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.

GargamelleChamber – 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: SU(3)cor ~ QCD.

(Gross, Politzer, Wilczek).

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.


O b son 125 3 gev de 4 de julho e o higgs do modelo padr o

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?


O b son 125 3 gev de 4 de julho e o higgs do modelo padr o

q's: (u, d); (c, s); (t, b).

l's: (e, ve); (mu, vu); (tau, vt).

Bósons de gauge

Higgs

Monopólos Magnéticos.

InteraçõesXDimensões.

Visão de Yang-Mills.

(Geometrização).


Anos 70 gravita o susy e sugra famp
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.


O b son 125 3 gev de 4 de julho e o higgs do modelo padr o

Reflexão: Física X Matemática.

Interações fundamentais:Teoria e (nova) Matemática,Fenomenologia-Experimento.

Geometrização das interações xNovas Dimensões

Lei da Gravidade (~0.2 mm, LEDs)

Gravidade em questão.


O b son 125 3 gev de 4 de julho e o higgs do modelo padr o

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).


O b son 125 3 gev de 4 de julho e o higgs do modelo padr o

  • Grandes Questões???

  • 3 gerações de matéria observadas; 4’a geração?

  • Uma nova dinâmica preônica para a quebra e-f.

  • Partícula de Higgse 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.


F sica com sem higgs
Física com/semHiggs

Unitariedade perturbativa: ~ 710 GeV (composto? Nova física?)

M-P em boa forma indica Higgs~ 125 GeV.

Medições da massado quark-t e dos bósons-W indicam massa do Higgs

nesta mesma escala.

DEZ/2011: Resultados do ATLAS e do CMSexcluem, conjuntamente,

Higgsabaixo de 122.5 GeVe 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.

(LHCainda nãoseu sinal de uma nova Física além do M-P;

FERMILAB aponta paraFaMP: 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 b son 125 3 gev de 4 de julho e o higgs do modelo padr o

O que o LHC/ATLAS-CMSpoderia 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.