Figura 1
Espectro de energia dos elétrons produto do decaimento β de . Ajuste dos dados da Ref. [10[10] G.J. Neary, Proc. R. Soc. Lond. A 175, 71 (1940).] empregando a teoria de Fermi introduzida na Seção e deduzida na Ref. [11[11] A. Belyaev e D. Ross, The Basics of Nuclear and Particle Physics (Springer International Publishing, Nova York, 2021).]. O espectro é dado em unidades de elétron-volt (eV), correspondendo à energia cinética adquirida por um elétron acelerado do repouso por uma diferença de potencial de 1 V no vácuo: 1 eV = 1,602 176 634 × 10−19 J [9[9] Particle Data Group, R.L. Workman, V.D. Burkert, V. Crede, E. Klempt, U. Thoma, L. Tiator, K. Agashe, G. Aielli, B.C. Allanach et al., Progress of Theoretical and Experimental Physics 2022, 083C01 (2022).]. No caso acima, MeV corresponde a megaelétron-volt, ou 106 eV.
Figura 2
Diagrama do decaimento β− no modelo de Fermi.
Figura 3
Processo de quebra de espontânea de simetria. (Esquerda) O estado em que o valor esperado do vácuo é nulo e todas as partículas não possuem massa. (Direita) Após a quebra espontânea de simetria, o valor esperado do vácuo é não-nulo e as partículas adquirem massa.
Figura 4
(Esquerda) Diagrama de Feynman do decaimento β− do nêutron. O nêutron emite um e um e− por meio da interação do quark down via CC. (Direita) Diagrama de Feynman do processo e− + νμ → e− + νμ. A interação das partículas νμ e e− com o bóson Z0 não altera suas cargas, dado que a partícula mediadora é neutra. Para uma discussão sobre estes tipos de diagramas, veja a Ref. [31[31] A.C. Aguilar, Rev. Bras. Ens. Fis. 40, e4205 (2018).].
Figura 5
Fator de Lorentz do próton (β = v/c) nos regimes clássico e relativístico.
Figura 6
Ilustração simplificada de um acelerador do tipo síncrotron. As partículas são primeiramente aceleradas em um acelerador linear e entram no síncrotron pelo injetor. Os ímãs, em vermelho, são responsáveis pela alteração da trajetória e focalização do feixe e as cavidades de radiofrequência, em verde, fazem a aceleração das partículas.
Figura 6
Ilustração simplificada de um acelerador do tipo síncrotron. As partículas são primeiramente aceleradas em um acelerador linear e entram no síncrotron pelo injetor. Os ímãs, em vermelho, são responsáveis pela alteração da trajetória e focalização do feixe e as cavidades de radiofrequência, em verde, fazem a aceleração das partículas.
Figura 7
Ilustração do complexo de aceleração do CERN [
43[43] WIKIMEDIA COMMONS, File:LHC.svg, disponível em: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:LHC.svg
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:...
]. O processo de aceleração começa no LINAC 4, acelerando íons
H− até 160 MeV, que envia os prótons (
p) para o PSB (elipse anterior ao PS). No PSB, os prótons atingem uma energia de 2 GeV e são injetados no PS, que os acelera até 28 GeV antes de os direcionar ao SPS. No SPS, os prótons alcançam uma energia de 450 GeV, e são injetados no LHC, onde chegam a escala de TeV. Para uma versão mais detalhada, veja a Ref. [
44[44] CERN Document Server, The CERN accelerator complex, layout in 2022: Complexe des accélérateurs du CERN en janvier 2022, disponível em: https://cds.cern.ch/record/2800984
https://cds.cern.ch/record/2800984...
]. Da mesma forma, íons de Chumbo (Pb) são acelerados neste mesmo complexo. Os pontos indicados com CMS, ATLAS, LHCb e ALICE são os atuais detectores operando no LHC.
Figura 8
Desenho esquemático do corte transversal (side view) do experimento Gargamelle. A câmara de bolhas (chamber) é envolta por uma bobina de Cobre (coils) para gerar um campo de 2 T e mantido por uma culatra (yoke) magnética, e um bloco de 1 m de espessura de Ferro é usado como escudo (shield) para impedir a entrada de múons na câmara [45[45] F.J. Hasert, S. Kabe, W. Krenz, J. Von Krogh, D.Lanske, J. Morfin, K. Schultze, H. Weerts, G. Bertrand-Coremans, J. Sacton et al., Nucl. Phys. B 73, 1 (1974)., 46[46] D. Haidt, Adv. Ser. Direct. High Energy Phys. 23, 165 (2015).].
Figura 9
Foto do primeiro evento de CN observado no experimento Gargamelle [
50[50] CERN Document Server, Gargamelle: first neutral current, disponível em: https://cds.cern.ch/record/39468, acessado em: 10/12/2023
https://cds.cern.ch/record/39468...
,
51[51] M. Chalmers, 50 years of giant electroweak discoveries, disponível em: https://home.cern/news/news/physics/50-years-giant-electroweak-discoveries
https://home.cern/news/news/physics/50-y...
]. Ao lado, um diagrama esquemático de um evento de CN. O neutrino incidente (
incoming neutrino), representado pela linha tracejada, não é diretamente observado, mas detecta-se o produto de sua interação com o material no ponto de colisão (
collision point), que gera chuveiros de partículas devido à irradiação (
shower of particles due to bremsstrahlung), indicados nas linhas sólidas. Após a interação, o neutrino se afasta (
outgoing neutrino).
Figura 10
Comparação entre o valor teórico (linha sólida) e pontos experimentais do ângulo de Weinberg com as medidas do Gargamelle (cruz com círculo fechado) e HPWF (cruz com círculo aberto) [
52[52] D. Perkins, Neutral currents, disponível em: https://cerncourier.com/a/neutral-currents/
https://cerncourier.com/a/neutral-curren...
]. As grandezas
e
são a razão entre o número de eventos de CN e CC de antineutrinos e neutrinos, respectivamente. O outro ponto experimental advém do experimento Harvard, Pennsylvania, Wisconsin, Fermilab (HPWF) localizado à época no Laboratório Nacional Fermi (
Fermi National Laboratory – FNAL), em Chicago, Estados Unidos.
Figura 11
Complexo de aceleradores do CERN à época do acelerador
[
53[53] L.S. Cittolin, Trigger and data-acquisition techniques overview, disponível em: https://cds.cern.ch/record/319677
https://cds.cern.ch/record/319677...
]. A figura mostra o tamanho do SPS – operando como
com feixes de próton (
P) e antipróton (
) – em relação ao PS e ao Coletor de Antiprótons (
Antiproton Collector – ACOL), bem como a posição dos experimentos UA1 e UA2. O PS e o
possuem 200 e 2200 metros de diâmetro, respectivamente. Atualmente ambos operam como estágios iniciais da aceleração dos prótons no Grande Colisor de Hádrons. Para uma revisão detalhada, veja a Ref. [
54[54] M. Jacob, Czech. J. Phys. 34, 751 (1984).]. A figura inferior mostra a colisão dos feixes de próton e antipróton com momento de 270 GeV/
c cada, resultando nas colisões do
ocorrendo a 540 GeV.
Figura 12
Corte transversal do experimento UA1. O traçador central era envolto pela bobina de Alumínio (Aluminum coil) e contadores de cascatas (shower counter) tanto de grande ângulo (large-angle) quanto na tampa (end-cap) e calorímetros eletromagnético e hadrônico, novamente de grande ângulo (large-angle) quanto de tampas (end-cap), intercalado com a culatra magnética (magnetic yoke). Na região mais externa do experimento, o traçamento de múons era feito por câmaras de arraste muônicas (muon detector) [56[56] M. Pimiä, em: Physics in Collision: High-Energy ee/ep/pp Interactions, editado por P. Carlson e W. Peter Trower (Springer US, Boston, 1983), v. 2., 57[57] J. Timmer, em: The UA1 Detector, editado por T.T. Van (Frontières, Gif-Sur-Yvette, 1984).].
Figura 13
Corte transversal do experimento UA2. O detector de vértice (vertex detector) cobria a região de colisão, que era envolto pelo calorímetro central e bobinas toroidais (toroid coils). Câmara de arraste, câmaras de proporcionais de tubos múltiplos (MTPC) e um calorímetro eletromagnético frontal (forward calorimeter) compunham os detectores frontais, que estavam imersos em um campo magnético gerado por bobinas toroidais. [55[55] D. Denegri, Physics Reports 403–404, 107 (2004)., 49[49] L. Di Lella e C. Rubbia, Adv. Ser. Direct. High Energy Phys. 23, 137 (2015).].
Figura 14
Eventos medidos no UA1: (esquerda) Evento de Z0 → e+e− e (direita) Evento de Z0 → μ+μ− no UA1. [49[49] L. Di Lella e C. Rubbia, Adv. Ser. Direct. High Energy Phys. 23, 137 (2015).].
Figura 15
Massa invariante de todos os pares de léptons detectados no UA1 [
49[49] L. Di Lella e C. Rubbia, Adv. Ser. Direct. High Energy Phys. 23, 137 (2015).], onde o valor médio (
mean) corresponde ao valor apresentado na Equação
19, indicados os valores limiares (
threshold) para eventos de
e+e− e
μ+μ−.
Figura 16
(Esquerda) Eventos de Z0 → e+e− no experimento UA2. O gráfico superior corresponde à deposição de energia dos pares de elétrons que possuem energia transversa ET ＞ 25 GeV. No parte inferior, são selecionados apenas as trilhas isoladas de elétrons compatíveis com pelo menos um cluster dos calorímetros. A parte hachurada corresponde às trilhas filtradas onde há correspondência com dois clusters[49[49] L. Di Lella e C. Rubbia, Adv. Ser. Direct. High Energy Phys. 23, 137 (2015).]. (Direita) Histograma da massa invariante de e+e− de 100 mil eventos produzidos a partir de uma colisão com GeV no MadGraph5[58[58] J. Alwall, R. Frederix, S. Frixione, V. Hirschi, F. Maltoni, O. Mattelaer, H.S. Shao, T. Stelzer, P. Torrielli e M. Zaro, arXiv:1405.0301 (2014).]. Todos os processos de produção , tido como ruído, estão na cor preta e o processo na cor vermelha.
Figura 17
Massa invariante de dimúons medidos pelo experimentos CMS do LHC de colisões pp com TeV entre 2015 e 2018. O termo “Misid.” (misidentified) são W + jatos e multijatos da QCD que são erroneamente identificados pela eletrônica do detector como contendo decaimento em múons. O termo “EW” (electroweak) são processos eletrofracos Drell-Yan e dibóson em τ+τ− de produção eletrofraca [59[59] B. Bilin, arXiv:2101.00896 (2021).].
Figura 12
Corte transversal do experimento UA1. O traçador central era envolto pela bobina de Alumínio (Aluminum coil) e contadores de cascatas (shower counter) tanto de grande ângulo (large-angle) quanto na tampa (end-cap) e calorímetros eletromagnético e hadrônico, novamente de grande ângulo (large-angle) quanto de tampas (end-cap), intercalado com a culatra magnética (magnetic yoke). Na região mais externa do experimento, o traçamento de múons era feito por câmaras de arraste muônicas (muon detector) [56[56] M. Pimiä, em: Physics in Collision: High-Energy ee/ep/pp Interactions, editado por P. Carlson e W. Peter Trower (Springer US, Boston, 1983), v. 2., 57[57] J. Timmer, em: The UA1 Detector, editado por T.T. Van (Frontières, Gif-Sur-Yvette, 1984).].
Figura 13
Corte transversal do experimento UA2. O detector de vértice (vertex detector) cobria a região de colisão, que era envolto pelo calorímetro central e bobinas toroidais (toroid coils). Câmara de arraste, câmaras de proporcionais de tubos múltiplos (MTPC) e um calorímetro eletromagnético frontal (forward calorimeter) compunham os detectores frontais, que estavam imersos em um campo magnético gerado por bobinas toroidais. [55[55] D. Denegri, Physics Reports 403–404, 107 (2004)., 49[49] L. Di Lella e C. Rubbia, Adv. Ser. Direct. High Energy Phys. 23, 137 (2015).].
Figura 14
Eventos medidos no UA1: (esquerda) Evento de Z0 → e+e− e (direita) Evento de Z0 → μ+μ− no UA1. [49[49] L. Di Lella e C. Rubbia, Adv. Ser. Direct. High Energy Phys. 23, 137 (2015).].
Figura 15
Massa invariante de todos os pares de léptons detectados no UA1 [
49[49] L. Di Lella e C. Rubbia, Adv. Ser. Direct. High Energy Phys. 23, 137 (2015).], onde o valor médio (
mean) corresponde ao valor apresentado na Equação
19, indicados os valores limiares (
threshold) para eventos de
e+e− e
μ+μ−.
Figura 16
(Esquerda) Eventos de Z0 → e+e− no experimento UA2. O gráfico superior corresponde à deposição de energia dos pares de elétrons que possuem energia transversa ET ＞ 25 GeV. No parte inferior, são selecionados apenas as trilhas isoladas de elétrons compatíveis com pelo menos um cluster dos calorímetros. A parte hachurada corresponde às trilhas filtradas onde há correspondência com dois clusters[49[49] L. Di Lella e C. Rubbia, Adv. Ser. Direct. High Energy Phys. 23, 137 (2015).]. (Direita) Histograma da massa invariante de e+e− de 100 mil eventos produzidos a partir de uma colisão com GeV no MadGraph5[58[58] J. Alwall, R. Frederix, S. Frixione, V. Hirschi, F. Maltoni, O. Mattelaer, H.S. Shao, T. Stelzer, P. Torrielli e M. Zaro, arXiv:1405.0301 (2014).]. Todos os processos de produção , tido como ruído, estão na cor preta e o processo na cor vermelha.
Figura 17
Massa invariante de dimúons medidos pelo experimentos CMS do LHC de colisões pp com TeV entre 2015 e 2018. O termo “Misid.” (misidentified) são W + jatos e multijatos da QCD que são erroneamente identificados pela eletrônica do detector como contendo decaimento em múons. O termo “EW” (electroweak) são processos eletrofracos Drell-Yan e dibóson em τ+τ− de produção eletrofraca [59[59] B. Bilin, arXiv:2101.00896 (2021).].
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