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

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

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  1. O Bóson-125.3 GeV de 4 de Julho eO Higgs do Modelo-Padrão J. A. Helayël CBPF / MCTI GFT – JLL.

  2. 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?

  3. *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.

  4. *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?)

  5. 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?

  6. 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.”

  7. 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.

  8. 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”.

  9. 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.

  10. 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).

  11. 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.

  12. 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”.

  13. 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?

  14. 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.

  15. 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?

  16. 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).

  17. 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.

  18. 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.

  19. 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).

  20. 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.

  21. 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?

  22. 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.

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