O LHC (Large Hadron Collider), no CERN, vem operando desde 2010, coletando dados de colisões próton-próton a energias inéditas. A partir de 2015 tais colisões ocorrrerão a 13 TeV.

Os resultados dos experimentos do LHC pretendem ajudar a responder a uma série de questões da física fundamental, incluindo o entedimento do Bóson de Higgs, busca a candidatos a matéria escura, dimensões extra, origem da assimetria matéria-antimatéria, formação do plasma de quarks e glúons, entre outras.

O objetivo deste curso é dar ao aluno uma visão atualizada da Física de Altas Energias bem como as características e programa de Física do LHC.

O curso está dividido nos seguintes tópicos: Breve histórico da Física de partículas. O Modelo Padrão: QED, QCD e teoria eletrofraca. Violação de CP.

O Modelo de Higgs. Física além do modelo padrão. Colisões no LHC: Os quatro grandes experimentos - Atlas, CMS, Alice e LHCb - suas características, principais objetivos e resultados de Física, baseados na tomada de dados de 2011/2012.

Atualmente, a física experimental envolve o uso de diversos dispositivos, técnicas e transdutores que codificam parâmetros físicos em sinais elétricos. Do laboratório de matéria condensada aos experimentos de altas energias, estão presentes sistemas para monitorar, controlar e/ou manter constantes, diversos destes parâmetros, tais como: temperatura, nível, posição, imagem, etc.

A ciência induz e se transforma em função do desenvolvimento dos instrumentos científicos, métodos de medidas e tecnologias. O objetivo deste curso é apresentar ferramentas, conceitos, circuitos, interfaces, algoritmos e protocolos que estão envolvidos nos processos para adquirir, registrar e manipular dados experimentais com ênfase no uso da automação e de técnicas digitais (PID, FFT, Labview, conversores, etc).

Os circuitos eletrônicos digitais já são indispensáveis na instrumentação científica há algumas décadas. Particularmente para a área de Física experimental, diversos instrumentos de alta precisão e alta velocidade estão disponíveis hoje comercialmente ou são projetados para aplicações específicas em centros de pesquisa e universidades.

Neste curso, abordaremos o desenvolvimento de projetos com base na tecnologia Lógica Programável, incluindo os seguintes tópicos: histórico e tecnologias atuais em eletrônica digital, lógica programável (FPGA), introdução à linguagem VHDL, e aula prática com ferramenta EDA.

O pré­requisito para o curso é um conhecimento básico de eletrônica digital: álgebra booleana, níveis lógicos, portas lógicas, multiplexadores, codificadores, contadores.

Os seres vivos somos sensíveis a diferentes fatores físicos ambientais, como a pressão, a luz, a gravidade e a temperatura. Porem, também somos sensíveis ao campo geomagnético.

O exemplo clássico desta sensibilidade é a existência das bactérias magnetotacticas. Elas fabricam no seu interior cadeias de nanopartículas magnéticas de magnetita (Fe3O4) ou greigita (Fe3S4).

Estas cadeias permitem que estas bactérias orientem seu corpo na direção das linhas do campo geomagnético, permitindo que elas nadem seguindo estas linhas. Os animais também orientam seu corpo com respeito ao campo geomagnético, fenômeno conhecido como alinhamento magnético. Porem, a informação vetorial deste campo pode ser usada em atividades de orientação espacial, e isto tem sido mostrado em diversos animais migratórios.

Neste curso todos estes fenômenos serão discutidos e analisados dos pontos de vista experimental e teórico.

O curso esta pensado para estudantes de biologia, física e engenharia, por ser uma área de estudo multidisciplinar.

Neste curso iremos abordar aspectos teóricos e experimentais envolvendo fenômenos físicos e químicos que ocorrem em interfaces sólido-gás.

Esses fenômenos determinam os mecânismos de formação de superfícies, filmes e nanoestruturas diversas, e por isso possuem grande impacto nas propriedades funcionais dos materiais . Alguns dos fenômenos que discutiremos incluem, reconstruções de superfície, modos de crescimento de filmes finos, estabilidade química e adsorção de moléculas, e reatividade. Além disso, técnicas de crescimento e caracterização de superfícies, como evaporação, difração de elétrons de baixa energia, espectroscopia de foto-elétrons e de elétrons Auger e microscopia de ponta de prova, força atômica e tunelamento, seram apresentadas e amplamente discutidas.

BIBLIOGRAFIA

1. F. Bechstedt, /Principles of Surface Physics/, Springer-Verlag (2003).
2. Milton Ohring, /Materials Science of Thin Films. Deposition and Structure/, Academic Press (2001)[1].
3. Hans Lüth, /Solid Surfaces, Interfaces and Thin Films/, Springer (2010).
4. Gerhard Ertl, Jürgen Küppers: /Low Energy Electrons and Surface Chemistry/. Ed.2, Verlag Chemie (1985).

Resumo: Toda informação é física. Essa constatação, datada do meio do século XX, faz com que a manipulação, transmissão e armazenamento de informação devam obedecer as leis da física. Com a miniaturização dos componentes de um computador, informação começa ser codificada em sistemas com propriedades quânticas pronunciadas, tais como no spin de um núcleo atômico ou na polarização de um único fóton. A informação quântica é a ciência que descreve a manipulação, transmissão e armazenamento de informação em sistemas quânticos.

Nesse curso introdutório à informação quântica, veremos como a lógica quântica pode levar a computadores mais eficientes e a protocolos de comunicação intrinsecamente seguros. Além dessas aplicações, a informação quântica nós dá uma nova linguagem para a mecânica quântica, e portanto para o mundo que nos cerca.

Usaremos essa linguagem para revisitar conhecidos efeitos quânticos, tal como a complementaridade onda-partícula.

Toda informação é física. Será toda física informação?

Neste curso vamos apresentar os conceitos básicos da cosmologia moderna, descrever o atual modelo padrão da cosmologia e as principais questões em aberto como, por exemplo, a matéria escura e a energia escura, componentes não previstos pelo modelo padrão de física de partículas que são necessários, no contexto da relatividade geral, para compatibilizar o modelo com as observações.

Nossa meta principal é estudar alguns dos observáveis utilizados por experimentos atuais e futuros para lançar luz sobre essas questões: Supernovas do tipo Ia, lentes gravitacionais, oscilações acústicas de bárions e radiação cósmica de fundo. Para entender como esses observáveis podem impor vínculos sobre os parâmetros de um modelo cosmológico, vamos também estudar conceitos básicos de análise estatística de dados. Além disso faremos um breve resumo de algumas alternativas ao modelo padrão da cosmologia que foram propostas e estão sendo estudadas.

Ementa:

• Fundamentos da cosmologia relativística
• Cosmologia observacional I: Supernovas do tipo Ia
• Cosmologia observacional II: Lentes gravitacionais
• Cosmologia observacional III: Radiação cósmica de fundo
• Cosmologia observacional IV: Oscilações acústicas de bárions
• O modelo padrão da cosmologia
• Além do modelo padrão

Com a celebração dos 150 anos das Equações de Maxwell, e tendo sido 2015 escolhido pela UNESCO como o Ano Internacional da Luz, a proposta do curso é contextualizar a interação eletromagnética e as teorias eletromagnéticas à luz sobretudo dos avanços teóricos na compreensão das interações fundamentais e do progresso experimental que tem conduzido a novos regimes da matéria condensada.

O resultado que se espera é que o estudante perceba a evolução de nossa percepção do Eletromagnetismo como parte de uma Física mais ampla, com extensões que contemplam novos cenários para a carga elétrica e para o magnetismo intrínseco das partículas. Isto nos obriga a ter que rever as equações para o campo eletromagnético e a contabilizar efeitos das interações nucleares fortes e fracas nos fenômenos eletromagnéticos através de medidas de altíssimas precisões.

Programa:

1. As Equações de Maxwell: de 1865/Maxwell a 1931/(Dirac e Fermi).
2. Estendendo a Eletrodinâmica para portadores não-eletrônicos: de 1935/Yukawa a 1963/(Lee-Yang-Salam).
3. A importância do campo e do bóson de Higgs para o fenômeno eletromagnético: a carga e a massa do elétron e a necessidade da simetria SU(2) para a interação eletromagnética de bósons vetoriais portadores de carga elétrica.
4. As simetrias C, P e T e a invariância-CPT para o fenômeno eletromagnético. Violação de CP para a compreensão do momento de dipolo elétrico do elétron.
5. Novos regimes para a carga elétrica e propriedades eletromagnéticas de sistemas neutros compostos e elementares. Multipolos, anapolos e o magnetismo dos léptons carregados e dos neutrinos.

A integral de trajetórias é uma formulação da mecânica quântica equivalente às formulações padrão, que oferece uma nova maneira de olhar para o assunto, talvez mais intuitiva do que as abordagens usuais. Aplicações de integrais de trajetórias são tão vastas como as da mecânica quântica, incluindo a mecânica quântica de uma partícula, mecânica estatística, física da matéria condensada e teoria quântica de campos.

O curso dá uma introdução à técnica de integrais de trajetórias e suas aplicações na física. Supõe-se que o aluno tenha uma base na mecânica quântica, no entanto, não é esperado nenhum contato prévio com os integrais de trajetórias.

Depois de uma introdução ao assunto são discutidos o esquema geral de construção do integral de trajetórias e vários exemplos padrões. Em seguida, exploramos uma variedade de aplicações, incluindo instantons e spin, ligações a mecânica estatística, e discutimos como generalizar os conceitos para chegar a uma teoria quântica de campos.

Tópicos (provisório):

1. Revisão da mecânica quântica, primeira construção do integral de trajetórias, exemplos
2. Integral de trajetórias nas versões Lagrangiano e Hamiltoniano, mais exemplos
3. Integral de trajetórias para spin
4. Integral de trajetórias e mecânica estatística
5. Revisão da segunda quantização, integral de trajetórias para estados coerentes e teoria quântica de campos

Bibliografia:

1. R.P. Feynman and A. R. Hibbs, "Quantum Mechanics and Path Integrals" (McGraw-Hill, 1965)
2. J. Zin-Justin "Path Integrals in Quantum Mechanics" (Oxford, 2010)
3. A. Altland and B. Simons, "Condensed Matter Field Theory" (Cambridge, 2012)
4. M. Swanson, "Path Integrals and Quantum Processes" (AP, 1992)

Observado há mais de três mil anos, os ímãs, assim como os materiais magnéticos em geral, tornaram-se importantes na história e no desenvolvimento das sociedades.

A força de atração e repulsão entre ímãs sem algo material que os ligue, tal como uma corda ou mola, desperta curiosidade e fascínio.

Quem não brincou com ímãs quando criança? Do advento da bússola até as mais recentes aplicações tecnológicas - entre elas a mais notável é a gravação magnética de alta densidade -, os materiais magnéticos se destacam pela pluralidade de suas aplicações.

Neste curso introdutório sobre magnetismo e materiais magnéticos, abordaremos inicialmente alguns aspectos da história do magnetismo e da teoria eletromagnética da luz. Mostraremos como a interação entre spins dá origem aos mais diversos tipos materiais magnéticos com diferentes propriedades e aplicações tecnológicas presentes no nosso cotidiano. Por fim, apresentaremos alguns modelos teóricos, além de conceitos sobre nanomagnetismo, spintrônica e manipulação quântica.

Em 1687, Isaac Newton desenvolveu o primeiro modelo físico que explica o movimento dos objetos. A partir das conhecidas três leis de Newton e da Lei da Gravitação Universal, que quantificava a força gravitacional, podemos derivar as leis de Kepler, originalmente deduzida a partir de uma observação cuidadosa do movimento planetário. Essa teoria foi considerada a teoria de gravitação padrão até a formulação da Teoria da Relatividade Geral.

A Teoria da Relatividade Geral (TRG), formulada por Albert Einstein em 1915, é a moderna teoria da gravitação. De acordo com esta teoria, a gravidade não é uma força como costumava ser considerada na física newtoniana, mas sim uma manifestação da curvatura do espaço-tempo. A TRG mudou radicalmente nosso entendimento sobre o espaço e o tempo.

Agora a geometria do espaço-tempo é parte das equações de campo, influenciando assim a dinâmica do sistema. A TRG produz uma descrição clássica completa da estrutura do espaço-tempo e da gravitação. Todos os espaços-tempos fisicamente possíveis correspondem a soluções das chamadas equações de Einstein. Até os dias atuais, a TRG tem passado em todos os testes experimentais e observacionais a que foi submetida. Além disso, a teoria previu a existência de objetos exóticos, como estrelas de nêutrons e buracos negros, o atual modelo cosmológico e também a existência de ondas gravitacionais, que têm grande possibilidade de serem detectadas diretamente em um futuro próximo.

Neste curso iremos iniciar o estudo da gravitação com a Lei da Gravitação Universal de Newton e terminaremos com a teoria de gravitação mais aceita atualmente, que é a Relatividade Geral, descrevendo as ideias básicas que guiaram Einstein a sua formulação.

Na sua génese, a Termodinâmica teve como objectivo a descrição de relações entre trabalho, calor e energia em sistemas macroscópicos num estado de equilíbrio. Com a introdução da mecânica estatística - e posterior corroboração da hipótese de descontinuidade da matéria - tornou-se possível estabelecer uma ponte a abordagem microscópica de um sistema e o seu comportamento tal como descrito pelas leis da Termodinâmica, de cariz heurístico. Contudo, já desde essa altura, o elemento microscópico tornou-se um factor relevante na avaliação da robustez das leis da termodinâmica, nomeadamente da segunda lei, a qual se encontra intimamente relacionada com seta do tempo. Acrescente-se ainda que a equivalência entre as leis da termodinâmica e os resultados obtidos a partir da mecânica estatística ocorrem quando a magnitude das flutuações é bastante inferior à escala típica do problema, i.e., quando os sistemas são suficientemente grandes (tipicamente na escala de Avogadro).

Nas últimas décadas, todos os conceitos ligados à Termodinâmica clássica foram sendo postos à prova ou estendidos, quer através da análises de sistemas fora do equilíbrio (estacionário) quer através do estudo de sistemas à escala nanométrica. Neste último caso, tem sido possível estudar o comportamento de quantidades termodinâmicas quando as suas flutuações representam um papel relevante além de conceitos mais rebuscados como a capacidades de realizar trabalho por acesso a informação.

O curso proposto visa permitir aos alunos de graduação inscritos na X Escola do CBPF um primeiro contacto com os conceitos fundamentais da Moderna Teoria Termodinâmica com aplicabilidade numa vasta gama de problemas fundamentais e aplicados que vão desde motores moleculares (em biofísica) a informação quântica. Todos os problemas apresentados são estudados por diferentes grupos de pesquisa do CBPF.

Tópicos

1. Revisão de conceitos de Termodinâmica Clássica;
2. Forças termodinâmicas e relações de Onsager;
3. O que é um sistema em equilíbrio e um sistema fora de equilíbrio?
4. É possível violar a segunda lei da termodinâmica? O Demónio de Maxwell;
5. Um olhar contemporâneo sobre a segunda lei da termodinâmica: Relações de Cohen-Gallavotti, Jarzynski, Crooks e van den Broeck-Esposito;
6. Relação entre informação e trabalho: O Princípio de Landauer;
7. O trabalho não é uma observável no sentido quântico. Como contornar este facto?
8. A definição de temperatura num contexto atérmico (de mercados financeiros a vórtices em supercondutores).

Neste curso discutiremos as mais importantes tentativas de esclarecer as questões fundamentais que cercam os fenômenos quânticos, tais como localidade, contextualidade, a fronteira entre o clássico e o quântico, teoria da medida e realismo.

Serão tambem apresentados alguns dos muitos avanços experimentais das últimas décadas que contribuíram decisivamente para a elucidação de algumas destas questões, e o papel importante que a Cosmologia pode desempenhar na construção de uma teoria quântica consensual.

O Processamento de Imagens desempenha papel importante dentro das ciências em geral, e em particular na física. O objetivo do processamento de imagens é extrair a informação nela presente, em que especificamente para a física, é desejável que esta informação possa ser quantificada. Por exemplo, é possível extrair informações estruturais (como estrutura cristalina de sólidos, estruturas rochosas, etc) ou permitir análises funcionais sobre organismos ou materiais diversos. Nesse sentido, é interessante que profissionais ou estudantes envolvidos em ciências tenham alguma noção em manipulação e processamento de imagens. Este curso tem por objetivo apresentar os conceitos básicos e fundamentais na área (aquisição, realce, segmentação, pós-processamento, reconhecimento de padrões), bem como ilustrá-los com aplicações diversas e algumas ferramentas de processamento.

Ementa:

1. Introdução e conceitos básicos (exemplos de aplicação)
2. Segmentação de imagens e morfologia matemática
3. Reconhecimento de padrões
4. Softwares de Processamento de Imagens
   • Laboratório 1: ImageJ e MATLAB
5. Softwares de Processamento de Imagens
   • Laboratório 2: ImageJ e MATLAB
   • Apresentação de Técnicas Lineares e Não Lineares de Processamento

O objetivo deste curso consiste em descrever o desenvolvimento da física em nosso país no perríodo compreendido entre o final do século XVIII e o final do século passado. Os seguintes temas serão abordados ao longo das aulas (a divisão por temas não significa que cada um deles será abordado em uma aula específica, isto é, um mesma aula poderá abordar mais de um tema listado abaixo):

1. Questões teórico-metodológicas
   1. Por que a história da ciència é relevante?
   2. Como se pesquisa em história da ciência?
   3. Uma história da história da ciência
   4. A história da ciência no Brasil
2. A física no Brasil antes das primeiras universidades
   5. O ensino de física nas escolas de engenharia entre o final dos setecentos e o final dos oitocentos
   6. Henrique Morize e o ensino de física experimental na Escola Politécnica no Rio de Janeiro
   7. Os físicos-engenheiros: Manoel Amoroso Costa e Theodoro Ramos
3. A profissionalização da física no Brasil
   8. As vindas de Wataghin e Gross
   9. A criação das faculdades de filosofia
   10. As pesquisas em raios cósmicos
   11. A física da matéria condensada: Gross e Joaquim da Costa Ribeiro
   12. Os primeiros doutores em física
4. A criação da infra-estrutura científica
   13. Lattes e a descoberta do méson pi
   14. A criação do CBPF e o lugar na física na construção de um projeto de nação
   15. As agências governamentais: CNPq e CAPES
   16. O ensino e a pesquisa em física nas décadas de 1950 e 1960
5. Física em tempos sombrios
   17. As ações políticas dos físicos brasileiros
   18. As cassações políticas e a reorganização institucional da física no Brasil
   19. A criação da Sociedade Brasileira de Física e da Revista Brasileira de Física
   20. O início da pós-graduação formal
   21. O ensino e a pesquisa em física nos anos 1970
   22. Os Simpósios Brasileiros de Física Teórica
6. Um novo recomeço
   23. O programa nuclear brasileiro
   24. As colaborações internacionais: FERMILAB e CERN
   25. Física e indústria
   26. Novas linhas de pesquisa: novos materiais, ótica quântica, astrofísica relativística, etc.
   27. Os desafios da internacionalização da física produzida em país periférico

O curso começaria com uma introdução a mecânica dos fluidos, discutindo a equação de continuidade e equação de Navier-Stokes.

Mostraremos como chegar as equações hiperbólicas que descrevem perturbações acústicas no fluido. Em, seguida discutiríamos a quantização de um oscilador harmônico usando o formalismo de segunda quantização. Com isso faríamos a quantização das quantidades hidrodinâmicas (densidade, velocidade Euleriana, etc) que devem ser transformadas em operadores.

Nessa etapa discutiremos a quantização de um campo de spin zero, escalar. Finalmente, discutiremos a regularização e renormalização da energia do vácuo, associada aos fônons.

Esse curso seria ministrado em cinco aulas, a saber:

1. Mecânica dos fluidos
2. Oscilador harmônico (segunda quantização)
3. 4. Quantização de campo de spin zero, escalar.
5. A energia do vácuo no fluido.

Bibliografia:

1. K. R. Symon, "Mechanics" (capitulo 8 -introdução a mecânica dos meios contínuos)
2. H. Goldstein, "Classical Mechanics" (capitulo 12 - introduction to the Lagrangian and Hamiltonian formulation for continuous systems and fields")
3. A. Messiah, "Quantum Mechanics" (capítulo da quantização do oscilador harmônico)
4. L. D. Landau and E. M. Lifshitz, "Statistical Physics (seção 24) (phonons in a liquid)
5. "A FLUID ANALOG MODEL FOR BOUNDARY EFFECTS IN FIELD THEORY", L. H. Ford and N. F. Svaiter, Physica Review D80, 065034 (2009).

A astrofísica de raios-gama representa a última janela do espectro eletromagnético a ser aberta para observações. Iniciada nos anos 60, com os primeiros satélites de raios-gama lançados pela NASA, a Astronomia Gama pode ser feita hoje tanto do espaço como da Terra, por meio de uma nova tecnologia de telescópios desenvolvida durante os últimos 20 anos chamada de "Imageamento Cherenkov." Por meio desta nova técnica observacional, é possível detectar hoje raios gama com energias extremas de até 10 tera-eletronvolts, que são produzidas pelos objetos mais dramáticos conhecidos no Cosmos: explosões de supernova, pulsares, buracos negros, núcleos de galáxias e aglomerados de galáxias, entre outros fenômenos da chamada Astrofísica de Altas Energias.

Em todos estas fontes celestes ocorre a produção dos chamados raios-cósmicos - isto é, elétrons, prótons e núcleos de átomos que são acelerados a altíssimas energias e permeiam todo o cosmos até atingirem a Terra. Além de permitir o estudo da origem e produção destas partículas, raios-gama são uma região do espectro privilegiada para se estudar fenômenos exóticos e de fronteira da física moderna que são detectáveis somente a energias extremas. Dentre eles, destacamos a busca pelo primeiro sinal direto da existência de Matéria Escura, visto que as partículas que esperamos compor esta forma ainda desconhecida de matéria devem produzir raios gama ao decaírem. Através da observação de raios gama podemos também buscar por novas partículas além do Modelo Padrão, como os áxions, e testar experimentalmente novas teorias físicas como a Gravitação Quântica.

Neste curso iremos introduzir as bases fundamentais desta nova área da Astrofísica, passando por uma visão geral do céu em raios-gama até discutir os resultados mais recentes na busca pela natureza oculta da matéria escura.

A ementa detalhada do curso será:

aula 1 - Bases teóricas e técnicas observacionais da Astronomia Gama
aula 2 - A Galáxia vista em raios-gama
aula 3 - Núcleos Ativos de Galáxias
aula 4 - Cosmologia com raios-gama
aula 5 - A busca por Matéria Escura