Os Fundamentos da Física de Partículas
Uma visão geral da física de partículas e a busca para entender o universo.
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Índice
A física de partículas é o estudo dos menores blocos de construção conhecidos do universo e as forças que controlam suas interações. Esse campo busca responder perguntas fundamentais sobre a natureza da matéria, energia e do próprio universo. Físicos de partículas investigam partículas como elétrons, prótons e nêutrons, além de partículas mais exóticas como quarks e neutrinos.
O Modelo Padrão
O Modelo Padrão é uma estrutura teórica que descreve as partículas fundamentais e forças do universo. Ele categoriza todas as partículas elementares conhecidas em duas grupos: férmions e bósons. Férmions formam a matéria, enquanto bósons são responsáveis pelas forças. As partículas mais conhecidas do Modelo Padrão incluem:
- Quarks: Blocos de construção de prótons e nêutrons.
- Léptons: Uma família de partículas que incluem elétrons e neutrinos.
- Bósons: Partículas que mediam forças, como fótons para a força eletromagnética e o bóson de Higgs que dá massa a outras partículas.
Esse modelo foi super bem-sucedido, prevendo uma variedade de fenômenos observados em experimentos. Mas ele não explica tudo, como a Matéria Escura ou a gravidade.
Aceleradores de Partículas
Pra estudar partículas, os cientistas usam aceleradores de partículas. Essas máquinas grandes aumentam a velocidade das partículas e as colidem em altas energias. Os resultados dessas colisões permitem que os cientistas criem novas partículas e estudem suas propriedades. Alguns dos aceleradores de partículas mais famosos incluem:
- O Grande Colisor de Hádrons (LHC) do CERN: O maior e mais poderoso acelerador de partículas do mundo, foi crucial pra confirmar a existência do bóson de Higgs.
- Fermilab: Localizado nos Estados Unidos, teve um papel importante no estudo de neutrinos e outras partículas.
Aceleradores de partículas também têm aplicações fora da física, incluindo na medicina e na indústria.
Detectando Partículas
Detectar partículas de colisões de alta energia é uma parte vital da física de partículas. Cientistas usam detectores pra observar as partículas produzidas durante essas colisões. Os detectores podem rastrear os caminhos das partículas, medir sua energia e identificar seus tipos. Alguns tipos comuns de detectores incluem:
- Calorímetros: Medem a energia total das partículas.
- Detectores de rastreamento: Seguem o caminho de partículas carregadas.
- Detectores de Cherenkov: Identificam partículas com base na sua velocidade.
Esses detectores costumam ser enormes e complexos, já que precisam capturar uma quantidade imensa de dados devido à alta taxa de interações que ocorrem durante as colisões.
O Papel da Simetria na Física
A simetria tem um papel crucial na física de partículas. Muitas leis físicas permanecem inalteradas sob certas transformações, o que leva a leis de conservação. Por exemplo, a conservação de energia afirma que a energia não pode ser criada ou destruída. Esses princípios ajudam os físicos a desenvolver teorias e prever resultados de experimentos.
O conceito de simetria também se estende às forças da natureza. Existem quatro forças fundamentais:
- Gravidade: A força que atrai dois corpos um em direção ao outro.
- Força eletromagnética: A força entre partículas carregadas.
- Força nuclear fraca: Responsável pela desintegração radioativa.
- Força nuclear forte: Mantém prótons e nêutrons juntos em um núcleo atômico.
Essas forças estão conectadas por meio de Simetrias, o que ajuda os físicos a entender como elas operam em um nível fundamental.
Além do Modelo Padrão
Embora o Modelo Padrão tenha sido bem-sucedido, os cientistas estão cientes de suas limitações. Existem várias áreas que permanecem inexplicadas, levando os pesquisadores a buscar novas teorias e partículas. Algumas perguntas chave incluem:
- O que é a matéria escura e como ela interage com a matéria normal?
- Por que há mais matéria do que antimateria no universo?
- Como a gravidade é incorporada à estrutura da física de partículas?
Muitos pesquisadores estão investigando teorias como supersimetria e teoria das cordas pra responder a essas perguntas. Essas teorias propõem a existência de partículas e dimensões além do que é conhecido atualmente.
Pesquisa e Experimentos Atuais
Atualmente, físicos de partículas estão realizando inúmeros experimentos pra explorar os aspectos desconhecidos do universo. Colaborações de todo o mundo estão trabalhando juntas pra fazer descobertas inovadoras. Alguns experimentos notáveis incluem:
- Os Experimentos do LHC: Esses experimentos continuam analisando dados de colisões de partículas pra encontrar novas partículas e explorar as propriedades das conhecidas.
- Experimentos de Neutrinos: Esses estudos examinam neutrinos, partículas elusivas que raramente interagem com a matéria. Entender os neutrinos pode esclarecer a origem do universo.
- Busca por Matéria Escura: Muitos experimentos visam detectar partículas de matéria escura diretamente ou estudar seus efeitos na matéria visível.
Com o avanço da tecnologia, novos métodos e abordagens surgem, permitindo que os pesquisadores mergulhem mais fundo nos mistérios da física de partículas.
O Futuro da Física de Partículas
O futuro da física de partículas parece promissor. Com os avanços contínuos em tecnologia e colaboração, os cientistas estão prontos pra descobrir novos conhecimentos sobre o universo. Projetos futuros, como a próxima geração de colisionadores e detectores de partículas, fornecerão ainda mais oportunidades pra estudar partículas e forças.
Conforme os pesquisadores continuam a explorar, podemos chegar a entender questões fundamentais sobre a existência, as origens da matéria e a própria essência da realidade. A busca por conhecimento na física de partículas com certeza vai expandir nossa compreensão do universo e do nosso lugar nele.
Título: Search for a light charged Higgs boson in $t \rightarrow H^{\pm}b$ decays, with $H^{\pm} \rightarrow cb$, in the lepton+jets final state in proton-proton collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector
Resumo: A search for a charged Higgs boson, $H^{\pm}$, produced in top-quark decays, $t \rightarrow H^{\pm}b$, is presented. The search targets $H^{\pm}$ decays into a bottom and a charm quark, $H^{\pm} \rightarrow cb$. The analysis focuses on a selection enriched in top-quark pair production, where one top quark decays into a leptonically decaying $W$ boson and a bottom quark, and the other top quark decays into a charged Higgs boson and a bottom quark. This topology leads to a lepton-plus-jets final state, characterised by an isolated electron or muon and at least four jets. The search exploits the high multiplicity of jets containing $b$-hadrons, and deploys a neural network classifier that uses the kinematic differences between the signal and the background. The search uses a dataset of proton-proton collisions collected at a centre-of-mass energy $\sqrt{s}=13$ TeV between 2015 and 2018 with the ATLAS detector at CERN's Large Hadron Collider, amounting to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. Observed (expected) 95% confidence-level upper limits between 0.15% (0.09%) and 0.42% (0.25%) are derived for the product of branching fractions $\mathscr{B}(t\rightarrow H^{\pm}b) \times \mathscr{B}(H^{\pm}\rightarrow cb)$ for charged Higgs boson masses between 60 and 160 GeV, assuming the SM production of the top-quark pairs.
Autores: ATLAS Collaboration
Última atualização: 2023-10-04 00:00:00
Idioma: English
Fonte URL: https://arxiv.org/abs/2302.11739
Fonte PDF: https://arxiv.org/pdf/2302.11739
Licença: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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