Física de Partículas com Fontes Naturais (ou sem aceleradores

Física de Partículas com Fontes Naturais
(ou sem aceleradores artificiais)
Sofia Andringa
LIP – Lisboa
CERN, Set. 2007
Física de Partículas com Fontes Naturais
* Mais surpresas! A maior parte das descobertas da Física veio da Natureza,
o estudo detalhado foi depois feito em laboratório e aceleradores!
* Mais baratas, maiores e mais intensas! O Sol é um potente reactor nuclear, um choque de galáxias é um grande acelerador!
* Grandes descobertas recentes na Física de Partículas!
­ Oscilação de Neutrinos, e a Massa dos Neutrinos
* Ligação a outras áreas da física: novas astronomias!
­ Raios Cósmicos de Energia Extrema
O Sol: reactor nuclear
O principal processo que ocorre no Sol
é a fusão de protões em 4He:
p+p+p+p ­­> He (2p+2n) + 2 e + 2 + E(22.7 MeV)! O Sol está em equilibrio, E é emitida em luz.
Luminosidade do Sol=3.8 x1026 W ­­> 2 x1038 neutrinos/s! (E ~ MeV)
Nota: Os neutrinos saem do Sol quase imediatamente,
a luz leva milhões de anos a sair...
γ
ν
Detecção na Terra
Super­Kamiokande: 50 kton de H2O
numa mina a 1km de profundidade no Japão
γ
DETECTORES DE LUZ
γ
BARCO!
ÁGUA
Reparação do Super­Kamiokande 42 m
39 m
ν
ν
Detecção na Terra
Super­Kamiokande: 50 kton de H2O
numa mina a 1km de profundidade no Japão
γ
42 m
39 m
ν
Efeito de Cherenkov
A velocidade da luz só é máxima no vácuo.
A luz é travada nos materiais como a água (ou até o ar)!
partícula carregada
cone de Cherenkov
cria um campo que
vai ficando para trás
e se acumula numa direcção dependente
de v/c' Nota: Os neutrinos não têm carga electrica, o que vemos são os electrões... Ver o Sol em neutrinos
ν
Anel de Cherenkov
dá direcção, e energia
do electrão (e do !)
electrão (da água)
[ v > c'] Ver o Sol em neutrinos
Vemos o Sol em neutrinos!
Mas só com ~30% da ν
intensidade esperada...
Anel de Cherenkov
dá direcção, e energia
do electrão (e do !)
electrão (da água)
[ v > c'] Neutrinos
Não têm carga eléctrica, nem côr, quase não têm massa, mas têm familia (ou sabor).
Perto dos reactores nucleares produzem electrões,
perto dos feixes de protões/piões, produzem muões.
Mas a propagação depende da massa, não do sabor!
νe
νµ
ντ
νe
νµ
ντ
Fase: ­i(E.t – p(m).x)
Oscilação de neutrinos
Produção no Sol com electrões,
detecção na Terra com electrões: são neutrinos do electrão
nos dois lados!
P ~ sin2θ.sin(1.27∆m2 L/E)
H2O ­­­> D2O (detector SNO)
CC: só neutrinos do electrão

l
W
(n+p)
p
p
NC: todos os tipos de neutrinos

(n+p)

Z
n
p
Não temos
energia para criar muões ou taus!
e: 511 keV
:106 MeV
: 1.8 GeV
CC/NC=1/3
NC ~ Sol
Confirmação!
1/3 e + 2/3 (+)
Modelo do
Sol confirmado
e pode ser melhorado!
Nota: A oscilação foi também confirmada com reactores nucleares, que produzem anti­neutrinos do electrão (fissão e não fusão como no Sol)!
Neutrinos Atmosféricos
Neutrinos produzidos na atmosfera, em todas as direcções (cima = baixo) e com rácio de 2 :1e
p
νµ
e
νe
νµ
p
π
µ
Energia é mais elevada ~1 GeV
(podemos detectar muões,
mas ainda não os taus...)
Nota: and  foram descobertos nos Raios Cósmicos, antes de serem produzidos em laboratório (da mesma forma)!
Aneis de Electrões e Muões no SK
Electrão
Nota: A análise é estatística, não olhamos
para cada acontecimento
(só para exemplificar)
Muão
(em falta em relação à
previsão...)
Outra oscilação
Neutrinos produzidos na atmosfera, em todas as direcções (cima = baixo) com rácio de 2 :1e
sem oscilação
com oscilação
de baixo
de cima
Os neutrinos oscilam, conforme a energia e a distância percorrida!
P ~ sin2θ.sin(1.27∆m2 L/E)
Nota: Também confirmado com aceleradores e L/E conhecido!
Nota: Falta­nos ver os taus?
Outra Escala: IceCube
Detector Gigante! 1 km3 de gelo transparente:
efeito de Cherenkov... Nota: Escala dá mais
estatística mas também
permite medir energias mais altas.
Outra Escala: KM3net
Projecto semelhante (mas mais atrasado) no Hemisfério Norte,
1km3 no Mediterrâneo.
Mais complicado de instalar,
menos estável, e mais bio­luminescência!
É também um detector de vida submarina, bom sitio
para oceanógrafos, biólogos, etc Escalas: espectro de raios cósmicos
1 partícula/m2/s
Fluxo
(m2.
sr. s.
GeV)­1
­­> fluxo: 30 ordens de grandeza
­­> energia: 10 ordens de grandeza
­­> o que são 1020 eV?? 16 J!
a energia cinética de um 1 partícula/m2/ano segundo serviço de ténis
(m~0.2 kg; v~43 km/h~12 m/s;
E = 1/2 m.v2= 16 J)
1 partícula/km2/ano
Energia macroscópica numa
partícula microscópica!
1 partícula/km2/século!
Energia(eV)
Escalas: espectro de raios cósmicos
Fluxo
(m2.
sr. s.
GeV)­1
­­> o que são 1020 eV?? 1 partícula/m2/s
O maior acelerador do mundo!
LHC C­C
LHC p­p
(mas menor luminosidade!! 1 partícula/m2/ano e o feixe menos controlado!)
TeVatron p­p
RHIC p­p
HERA ­p
1 partícula/km2/ano
Nota: O raio cósmico tem muita energia mas colide
com um núcleo parado. No centro de massa a energia
é muito menor...
1 partícula/km2/século!
Energia(eV)
Escalas: espectro de raios cósmicos
1 partícula/m2/s
Fluxo
(m2.
sr. s.
GeV)­1
B
A
L
Õ
E
S
1 partícula/m2/ano
1 partícula/km2/ano
E estes??
Como se
detectam?
1 partícula/km2/século !
Energia(eV)
Detecção de raios cósmicos Nemax  E
E>1014 eV:
Cascatas
Atmosféricas Extensas
Xmax  lnE
interacção nuclear de alta energia + km para multiplicar partículas ­­­> 1 hadrão: 100 muões: 10000 e­/e+/
milhões de partículas espalhados por km2
Detecção de raios cósmicos A atmosfera é um bom calorimetro!
Os raios cósmicos produzem milhões de partículas que
emitem Cherenkov e rádio,
excitam as moléculas de N2 (produzindo luz de fluorescência) e algumas chegam ao chão! O Observatório Pierre Auger “Observatório” também para Física de Partículas: E ~ 1­100 LHCs
Com luminosidade razoável: 1/século/km2 ~30/ano/Auger
Detector composto:
­ grande superfície
­ medida (quase­)
directa da energia
­ também para estudar as interacções
O Observatório Pierre Auger “Observatório” também para Física de Partículas: E ~ 1­100 LHCs
Com luminosidade razoável: 1/século/km2 ~30/ano/Auger
O Observatório
Pierre Auger no
Google Earth:
todos os edificios
e todos e cada um
dos tanques...
O IceCube é maior do
que a Torre Eiffel;
Auger é maior que Paris!
O detector de superfície 3000 km2
na Pampa
Argentina
1600 tanques de água pura (~1ton)
espaçados de 1.5 km ­ 10 m2 cada
instalados até ao fim de 2007 O detector de superfície 3000 km2
na Pampa
Argentina
1600 tanques de água pura (~1ton)
espaçados de 1.5 km ­ 10 m2 cada
instalados até ao fim de 2007 Os dados de superfície 1. Reconstruir a direcção (T)
2. Energia proporcional ao número de partículas
O detector de fluorescência 4 “olhos”, 6 telescópios em cada um,
com 440 pixeis cada uma
... a olhar em frente (atmosfera) ... com monitores metereológicos
O detector de fluorescência ­ 2 A atmosfera é parte do detector,
tanto como o telescópio.
A metereolgia de Malargüe é
a mais bem conhecida do mundo.
... temperatura, pressão, humidade, poluição, todas estão medidas em função da altitude e
do tempo
Inverno / Verão @ Malargue
Nota: Só há dados de fluorescência em 10% do tempo: noites sem lua nem nuvens...
É mais preciso, mas menos eficiente.
Os dados de fluorescência 1. imagem no telescópio ­­> plano que contêm a partícula
2. tempo da imagem ­­> distância e direcção 3. intensidade ­­> evolução na atmosfera e energia total!
Ro
To
o
Cascata com v~c e luz com v~c,
e um pouco de trigonometria ­­> (T­To).c = Ro.tg ­o 2
Os dados de fluorescência . imagem no telescópio ­­> plano que contêm a partícula
2. tempo da imagem ­­> distância e direcção 3. intensidade ­­> evolução na atmosfera e energia total!
Pixeis hexagonais e tempos de 100 ns
permitem reconstruir também a imagem no espaço e encontrar a estrutura da
cascata! Acontecimento completo em Auger 1º acontecimento visto por 4 olhos!
21 de Maio de 2007
Raios cósmicos e astrofísica
De onde vêm? O que são? Como são produzidos e acelerados?
Como se propagam, na matéria, nos campos magnéticos, etc? O que podemos aprender com eles?
Propagação de raios cósmicos Energia na fonte
protons
p
p
 (2.7K)
= pCMB ~ 6 Mpc para E~10 eV
Distancia (Mpc)
não se conhecem fontes a estas distâncias!
20
N
Propagação de raios cósmicos Os raios cósmicos de baixa energia parecem vir de todo o lado
porque são deflectidos pelo campo magnético galáctico! Energias mais altas permitem encontrar as direcções originais e as fontes!
Fontes de raios cósmicos Pulsar
SNR
Emax=ZBL
AGN
GRB
Radio Galaxy Lobe
?
?
?
Física de Partículas com Fontes Naturais * O Sol e os Raios Cósmicos serviram recentemente para mostrar que os neutrinos oscilam e têm massa!
Conhecendo as oscilações podemos melhorar modelos do Sol,
começar a medir actividade da Terra, encontrar outras aplicações...
* Os raios cósmicos de energia extrema permitirão encontrar novos
canais de astronomia e perceber melhor os mecanismos da vida das estrelas e galáxias. E dão­nos energias mais elevadas que a dos aceleradores artificiais.
Física de Partículas com Fontes Naturais
links interessantes (a acrescentar no futuro):
http://icecube.wisc.edu ­ fotos do Pólo Sul, instalação...
http://antares.in2p3.fr ­ fotos dos submarinos, instalação...
http://www.auger.org ­ Google Earth, Acontecimentos Reais...
http://www.lip.pt ­ as várias experiências, os nossos contactos e O Telescópio de Raios Cósmicos
(um pequeno/grande Auger)
na 6th Workshop on New Worlds in Astroparticle Physics (Faro, Set.2007)
foi apresentado o primeiro Raio Cósmico visto simultaneamente em duas escolas de Lisboa!