PRR Project

Summary

Este projecto trata dos dois maiores mistérios da física contemporânea: a existência e natureza da matéria escura (ME) e a assimetria entre matéria e anti-matéria no universo. O objectivo deste projecto é contribuir para estes dois problemas. De acordo com as condições de Sakharov, são também necessárias novas fontes de violação de CP relativamente ao Modelo Padrão (MP). Esta última questão vai também ser tratada. O universo é essencialmente constituído por um tipo de matéria que se manifesta gravitacionalmente, mas que até agora não foi detectada no laboratório. A origem e natureza da ME é talvez o grande mistério da ciência dos nossos tempos. Apesar do acumular de evidências experimentais de várias fontes, não há nenhuma indicação que a ME se revele como uma partícula. Foram já realizadas muitas experiências e há muitas outras já planeadas. As experiências de detecção directa têm o papel principal nas buscas uma vez que só elas podem certificar a existência de ME. No entanto, as experiências de detecção indirecta e as realizadas em aceleradores de partículas podem indicar-nos o caminho a seguir. Ainda que o paradigma WIMP ( Weekly Interacting Massive Particles ) tenha dominado as buscas tanto a nível teórico como ao nível experimental nos últimos anos, novos domínios de massa estão a ser considerados e serão o objectivo de buscas futuras. No extremo das baixas massas temos a região das chamadas ULDM ( Ultra-Light Dark Matter ). Há propostas recentes de objectos denominados estrelas bosónicas, constituídas por partículas de spin 0 ou 1, que apontam para massas da ordem de 10-10 até 10-20 eV. Nos últimos anos tem havido uma mudança do paradigma WIMP para a região de massa dos axiões e outras partículas leves. No entanto, muitas das experiências a decorrer e outras planeadas para um futuro próximo estão ainda focadas nos WIMPs, como é o caso de XENONnT, DARWIN, SWGO, entre muitas outras. O mesmo se passas para a fase de alta luminosidade do LHC. Mas mais importante é que muitas das extensões mais simples do MP, ainda são compatíveis com a existência de WIMPs, como é o caso das extensões com singletos e/ou dubletos. Assim, apesar de não ter sido detectado qualquer sinal de ME, não devemos precipitar-nos em declarar o fim dos WIMPs com tanto para explorar ainda. A nossa estratégia é mergulhar profundamente neste problema tentando encontrar ligações com outros problemas por resolver. O outro problema importante por resolver é a assimetria entre matéria e antimatéria do universo. De acordo com Sakharov o problema pode ser resolvido com mais fontes de violação de CP, juntamente com uma transição de fase de primeira ordem que poderia gerar um excesso de bariões criados durante a quebra de simetria electrofraca (juntamente com afastamento do equilíbrio térmico). É sabido que o MP não resolve nenhum destes problemas devido à massa alta do bosão de Higgs e da quantidade de violação de CP ficar aquém da necessária. Aqui também, extensões simples do MP podem fornecer-nos estes ingredientes. Estes modelos podem dar origem a ondas gravitacionais que poderão ser detectadas em experiências futuras como LISA. Um modelo completo que descreva o universo tem de incluir todos estes ingredientes o que será investigado tanto de um ponto de vista de baixas como de altas escalas de energia. Os aceleradores de partículas são a ferramenta que está pronta a ser usada. A busca de matéria escura e de sinais de violação de CP são os grandes objectivos tanto da próxima fase do LHC como da sua fase de alta luminosidade. Precisamos de planear cuidadosamente as buscas em colaboração com a comunidade experimental. Quando um modelo novo é proposto para resolver os problemas relatados, temos novas partículas e interações que vão ditar as buscas a ser realizadas no LHC. De forma a atacar o problema em todas as dimensões, juntámos um grupo de físicos de diferentes especialidades desde teóricos, fenomenologistas, especialistas em desenvolvimento de software e experimentalistas da colaboração ATLAS. Temos uma conexão directa e efectiva entre teoria e experiência culminando na disponibilização de software para a comunidade. Esperamos que as sinergias do grupo nos permitam fazer avanços significativos na compreensão dos problemas descritos.  Vários programas serão disponibilizados para a comunidade durante o projecto. Fazemos notar para concluir que um dos grandes objectivos do projecto é o de dar aos alunos um ambiente de investigação excelente.