Instrumentao para a Fsica de Partculas e Altas

“Instrumentação para a Física de Partículas e Altas Energias” Jun Takahashi IFGW-UNICAMP VI Escola do CBPF

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

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

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

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

é feita a matéria? Do. Do queque todas as coisas são feitas? 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) 1911: O experimento de Rutherford e o modelo nuclear para o átomo. 1913: A mecânica quântica e o átomo de Bohr (PN 1922) e=1, 60217× 10 -19 C

O átomo Mas será que os prótons, elétrons e nêutrons são as partículas mais fundamentais? Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 7

A era da física de partículas 1905: Einstein, E=mc 2 1930: Dirac postula a existência de anti-matéira. 1935: Yukawa propõe a existência de píons. 1932: Ernest Lawrence realiza a primeira reação nuclear usando um acelerador. 1932: Anderson descobre o pósitron em raios cósmicos. 1937: Anderson descobre o múon que ele acha ser o méson de Yukawa. PN: 1921 A. Eistein PN: 1949 Hideki Yukawa PN: 1939 E. Lawrence PN: 1936 D. Anderson Medida do pósitron efetuado por Anderson em uma cloud chamber

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? ”Isidor I. Rabi 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…

Começa a surgir um “zoológico” de partículas !! + + - V 10 p 0 + + 0 “Young man, if I could remember the names of these particles, I would have been a botanist” E. Fermi PN: 1938 E. Fermi V+ p 0 O que são todas essas partículas? Elas são partículas elementares? Ou serão compostas de partículas mais fundamentais? Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 11

A solução vem da simetria e do modelo de quarks 1964: Gell-Mann e Zweig e Yuval Ne’eman propõe o modelo de quarks PN: 1969

A primeira comprovação do modelo de quarks vem de forma estranha, ou melhor, na estranheza. S 0 -1 -1 -2 S 0 +1 0 -1 0 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 13

A última peça de “estranheza”: - (1964) Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 14

As comprovações do modelo padrão continuam 1953 – Hipótese de um novo número quântico: a “estranheza”. 1964 – O Ω– é medido no laboratório de Brookhaven, validando o modelo das partículas estranhas. 1970 - Hipótese da existência do quark “charm” postulado por Sheldom Glashow, Lliopoulos e Maiani. 1974 - Descoberta da partícula J/ : confirmação da existência do “charm” 1995 – Comprovação da existência do quark “Top” nos experimentos CDF e D 0) do Fermilab PN: 1976 Burton Richter, Samuel C. C. Ting Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 15

Interações entre partículas: PN: 1984 S. van der Meer, C. Rubbia PN: 1979 S. Lee Glashow, A. Salam Steven Weinberg A 5 a 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, mas Modelos prevêem que teria massa bem acima de 80 Ge. V/c 2. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 16

O Modelo Padrão É a teoria que descreve as partículas elementares que compõe o universo, 2 astipos de partículas Partículas interações entre elas e as leis de simetria existentes. estáveis: elementares: Férmions (spin ½). • Quarks/ Anti-Quarks • Léptons Bósons (spin 1). Bárions/Anti-bárions. Mésons. Léptons. 5 tipos de interação: § Forte. § Fraca § Eletromagnética § Gravitacional § Higgs. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 17

Evolução do Universo Expansão e Resfriamento Estado inicial de densidade de energia extrema Série 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. § Plasma EM: Universo ainda quente para o acoplamento dos elétrons com os núcleos para formar átomos e moléculas. Características Globais do nosso universo hoje está § Universo hoje (2. 7 K) às propriedades ligado destas transições de fase.

ASTROFÍSICA NUCLEAR • nucleossíntese • processos violentos • limites da matéria nuclear PREVISÕES da QCD: - Desconfinamento (T ~170 Me. V) -restauração da simetria quiral num QGP c Questões Fundamentais do Modêlo Padrão - Transição de fase - simetrias da natureza - origem das massas no Universo

Física Experimental de Partículas e Altas Energias Teste do modelo Padrão Além do modelo Padrão Estrutura do nucleon. Espectroscopia hadrônica Violação de CP Higgs Neutrinos Quark-Gluon Plasma Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 20

Aceleradores O que fazem? Produzem feixes de partículas carregadas (elétrons, Prótons e nucleos) com energias desde alguns ke. V a Te. V 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 l= 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=mc 2). Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 21

Por que usar aceleradores? Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 22

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

Principais tipos de aceleradores Aceleradores e Colliders n n Próton + Próton (Tevatron, LHC) Elétron + Pósitron (SLAC, CESR) Elétron + Próton (LEP, HERA, KEK) Núcleo + Núcleo (RHIC, LHC) Raios Cósmicos n Auger, Hi. Res, AGASA Neutrinos n n Extra-terrestres Terrestres (reatores / aceleradores) Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 24

Como Funcionam os Aceleradores Elementos ópticos Fonte de íons Cavidade de Aceleração Controle e Aquisição de dados Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 Área Experimental 25

Tipos de Aceleradores Eletrostáticos: O mais simples dos aceleradores, que utiliza o campo elétrostático gerado por uma diferença de potencial para acelerar partículas carregadas. F=q. E , E=V/d , Energia=q. V. Exemplos: Gerador Van de Graaff, Tandems e Pelletrons. Limite: 30 -40 Me. V para protons. e- 0 V 1 V Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 26

Pelletrons Tensão Terminal 0 V +++++ Partic. Pos. Partic. Neg. +++++ Stripper Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 27

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

Aceleradores Lineares (Linacs) 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 Ge. V. Proton Linacs. Los Alamos tem um Linac de prótons de até 800 Me. V. Heavy Nucleus Linacs. LAFN-IF/USP Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 29

Synchrotrons 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. LNLS em Campinas SP Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 30

Colliders 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 Ge. V corresponde a um experimento de alvo fixo com feixe de 1 Te. V. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 31

Super Colliders: RHIC Se utiliza de todas as tecnologias para acelerar as partículas. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 32

RHIC Tour

LHC@CERN: Large Hadron Collider Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 34

Pb+Pb collision at 1200 Te. V ~ 0. 2 m. J Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 35

Aceleradores Cósmicos 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 e. V. 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. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 36

Alguns dos principais aceleradores FERMILAB LNLS KEK DESY LAFN BNL CERN SLAC (NY) Síncrotron Laboratório Collider Dois Laboratório aceleradores: com de linear Aberto 2 Acelerador LHC: Large prótons Nacional feixes HERA de Física ede de PETRA prótons Nuclear. Luz que Hadrons acelera Collider. núcleos elétrons. Síncrotron e que IF/USP. antiprótons Com onde variados elétrons LEP: Large eem (Au)larga com produção Campinas se colidem Tandem descobriram de elétrons com de B 8 Me. V colisões pósitrons Electron-Positron de para até os 40 mésons. energia quarks com + Linac. de top, operação bottom Te. V variadas Collider. . prótons. Em de e No Importantes 1. 37 conjunto o PETRA neutrino Ge. V. com foi tau. o Em aplicações. Sp. S: 1974 Super efetuou Super confirmado estudos nas aáreas se a Kamiokande, Participou Próton descoberta Síncrotron. da investigam existência de acharm do massa do física descoberta Descoberta quark nuclear do dos dode Glúon. neutrino. baixa com quark bósons a charm medida We emédia Ze eda energia. partícula também onde iniciou do J/ , lépton a juntamente com tau. Internet. SLAC. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 37

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

Colliders: pp, ep, AA Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 39

Obrigado.