ASTRO-COSMO-PARTÍCULAS

Apresentação em tema: "ASTRO-COSMO-PARTÍCULAS"— Transcrição da apresentação:

1 ASTRO-COSMO-PARTÍCULAS
Vicente Pleitez IFT-UNESP 2004

2 PLANO AS 4 FORÇAS DA NATURAEZA NEUTRINOS SOLARES E ATMOSFÉRICOS
MATÉRIA ESCURA: LIPs, AXIONS E NEUTRALINOS ASSIMETRIA MATÉRIA – ANTIMATÉRIA A COSTANTE COSMOLÓGICA

3 CONHECER QUE FORÇAS PODEN MANTER ESTE MUNDO UNIDO FAUSTO

4 I - AS 4 FORÇAS DA NATUREZA

5 PLANO -I INTRODUÇÃO À FÍSICA DE PARTÍCULAS ELEMENTARES
CLASSIFICAÇÃO DAS PARTÍCULAS ELEMENTARES SIMETRIAS E LEIS DE CONSERVAÇÃO AS QUATRO INTERAÇÕES DA NATUREZA A INTERAÇÃO GRAVITACIONAL A INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA A INTERAÇÃO FRACA: O MODELO ELETROFRACO A INTERAÇÃO FORTE: QCD TEORIAS DE GRANDE UNIFICAÇÃO E ALÉM FPE: 100 ANOS DE DESCOBERTAS

6 INTRODUÇÃO À FPE A teoria da relatividade especial e a mecânica quântica As leis do mundo atômico, nuclear e sub-nuclear Metodologia da física de partículas elementares Campos fundamentais

7 A TEORIA DA RELATIVIDADE ESPECIAL
Em 1905 Albert Einstein propôs a TEORIA DA RELATIVIDADE ESPECIAL (TRE) … A podemos resumir assim:

8 L=L0-1 T=T0 E0=mc2

9 A TRE ... Velocidades perto da velocidade da luz
Medições de tempo muito precisas: GPS, relógios atômicos, aceleradores, FPE, ... É MESMO UMA TEORIA MUITO BEM TESTADA !

10 A MECÂNICA QUÂNTICA Em 1900 Max Planck deu início à construção das leis da física quântica podemos resumi-la assim:

11  E=h h=6.58211889(26)x10-22MeV.s Planck resolveu o chamado
PROBLEMA DO CORPO NEGRO resumido na figura  E=h h= (26)x10-22MeV.s

12 Depois de mais de duas décadas de pesquisa teórica e
experimental, ficou claro que as leis físicas do mundo atômico são diferentes das leis dos “corpos macroscópicos”. Essas leis constituem a MECÂNICA QUÂNTICA. Podemos resumi-las nas chamadas RELAÇÕES DE INCERTEZA de Heisenberg:  [x,px]=i(2)-1h Conseqüência: todos os corpos materiais têm propriedades ondulatórias

13 No Sec. XIX Partículas  Radiação (ondas) Partículas: Leis de Newton
Radiação: teoria eletromagnética, equações de Maxwell

14 De Broglie (1923): Broglie=h/mv
p=h

15 O fenômeno de difração e interferência ocorre com ondas de
luz (esquerda) ou com elétrons (direita). Dessa forma MATÉRIA E RADIAÇÃO são tratadas da mesma maneira

16 Um dos resultados das leis da mecânica quântica foi
a explicação da Tabela periódica dos elementos químicos

17 Ou novos materiais plásticos condutores!
(IFUSP/São Carlos)

18 A MQ ... Distâncias muito pequenas, de moléculas a átomos, enlaces químicos, núcleos, ... Exceções: superfluidez, supercondutividade, o condensado de Bose-Einstein, ... Por sorte, seus efeitos são desprezíveis com corpos macroscópicos, assim, podemos viajar de carro, de avião e nos sentir seguros em casa: ninguém vai entrar pela porta ... por tunelamento

19 Nos anos 30 ficaria claro que a mecânica quântica podia aplicar-se aos
fenômenos nucleares. Mais tarde (nos anos 50) os físicos compreenderam que também se aplicaria à física das partículas elementares (distâncias sub-nucleares). Neste caso, era necessário aplicar também a teoria da relatividade especial (TRE). À combinação da MC y TRE chama-se TEORIA QUÂNTICA DE CAMPOS, que é o formalismo matemático usado na descrição das interações entre partículas fundamentais.

20 FPE união de: Raios cósmicos Física nuclear
Mecânica quântica relativista (teoria quântica de campos)

21 O resultado de mais de um século de pesquisas levou à “observação” de distâncias cada vez menores

22 MQ + TRE implicam a existência de:
Partículas virtuais. E2 - P2  M2 ; E  pc. são do mesmo tipo das partículas usuais. Seu efeito pode ser “visto” em fenômenos macroscópicos (efeito Casimir, deslocamento de Lamb, etc) Anti-partículas, ou anti-matéria. O pósitron é a anti-partícula do elétron (antipróton, etc).

23 METODOLOGIA DA FÍSICA DE PARTÍCULAS ELEMENTARES
Radioatividade natural Raios cósmicos Aceleradores Teoria De novo os raios cósmicos (Sex. XXI)

24 Por exemplo Radioatividade natural: próton (1920), neutrinos (1930), nêutron (1932) Raios cósmicos: pósitron, muon, pion, kaons, etc Aceleradores: todas as esperadas Teoria: neutrino, pion, ... De novo os raios cósmicos: oscilação de neutrinos, Projeto Auger, ???

25 TUDO COMEÇOU EM 1897 J. J. THOMSON: O elétron!
Em 1911 E. Rutherford descobre o núcleo atômico

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28 Ferramentas principais
Aceleradores: aceleram partículas que colidem: e+ e-, pp, ppc , criam (novas) partículas, E=mc2 Detectores, “vem” as partículas após a colisão

29 Aceleradores: microscópios sub-atômicos:
Resolução: Broglie=h/mv

30 NOVOS QUARKS: 1974: charm c, 1977 bottom b
1995 foi descoberto o quark t ( FERMILAB)

31 Aceleradores:

32 FERMILAB 6.3 km e Main injector 3.2 km

33 LEP (LHC) 27 km no CERN

34 Acelerador linear de Stanford 3 km

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36 das telas dos televisores até gigantescos
Os detectores são de uma grande variedade, das telas dos televisores até gigantescos Detectores modernos

37 A partícula 0 foi descoberta nos raios cósmicos
em Foi a primeira partícula “estranha” descoberta numa câmara de nevoa. À direita outras “ressonâncias”descobertas no CERN nos anos 60

38 Antes por exemplo CERN: Depois Descoberta de W, Z0

39 Aceleradores: usos múltiplos
Análise de materiais Espectrometria em ciências ambientais aceleradores para implementação de ions, modificação de superfícies, esterilização e polimerização Cirurgia por radiação (gerada por partículas aceleradas) e terapias do câncer

40 ... 5000 aceleradores em hospitais
Produção de isótopos marcadores úteis em medicina, biologia e ciência dos materiais Fonte de nêutrons (terapia de nêutrons mais adiante) e fótons (luz síncrotron, para uso de litografia por sua energia bem definida) e ...

41 E não esqueçam: Seus televisores !

42 Detectores: múltiplos usos
Medicina: Charpak (Nobel de 1992) Ciências da Terra: Blackett (Nobel 1948)

43 Tomografia por Emissão de Pósitrons (PET)
PC-I, o primeiro aparelhp PET

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46 Ressonância magnética nuclear

47 Terapia por captura de nêutrons pelo Boro

48 CAMPOS FUNDAMENTAIS Escalares e/ou pseudoescalares: Higgs H0, … Vetoriais sem massa: Maxwell ou campo eletromagnético A, os gluons, Ga, ... Vetoriais com massa: campos de Proca, Z0, W, … Campos espinoriais: elétron e-, … Outros campos …

49 … E Lagrangianas Simetrias: locais, globais, internas, geométricas

50 CLASSIFICAÇÃO DAS PARTÍCULAS ELEMENTARES
Férmions e bósons Hádrons: Bárions e mésons O caminho do octeto Quarks e léptons Transmissores das forças

51 ... Os estados quânticos (moléculas, átomos, núcleos, partículas
elementares) se classificam segundo seu momento angular intrínseco, o espín, em FÉRMIONS e BÓSONS. Exemplos:

52 Em alguns anos se descobriam um grande número de partícula chamadas de “elementares” Como se poderia classificar esse “zoológico” de partículas?

53 O CAMINHO DO OCTETO

54 Essa foi a tarefa dos físicos de 1950 até 2002. Um resumo dos
“blocos FUNDAMENTAIS” da matéria:

55 Todos os hádrons conhecidos são compostos assim:

56 Mas, surpresas aconteceram recentemente

57 2003 Estes estados de 4 ou 5 quarks
não são proibidos mas nunca tinham sido observados até 2003

58 Quarks * B** Q S C B T massa (MeV)
Down (d) 1/3 –(1/3)e –15 Up (u) 1/3 +(2/3)e Strange (s) 1/3 –(1/3)e – –300 Charm (c) 1/3 +(2/3)e –1600 Bottom (b) 1/3 –(1/3)e – –4500 Top (t) 1/3 +(2/3)e *Não incluímos os anti-quarks. **S,C,B e T são números quânticos para diferenciar os diferentes “sabores” dos quarks.

59 Lépton * Q Le** L L massa -------------------------------------------------------------
Elétron (e- ) –e MeV Neutrino e (e) < eV Múon (-) –e MeV Neutrino  () < MeV Tau (-) –e MeV Neutrino  ( ) < MeV *Não incluímos os anti-léptons . ** Le, L, L são números quânticos para diferenciar os diferentes “sabores” dos léptons.

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61 IFT/UNESP: porque a simetria de gauge é 3-3-1
Ainda é um mistério porque as partículas se replicam em TRÊS “famílias” ou “generações”: IFT/UNESP: porque a simetria de gauge é 3-3-1

62 SIMETRIAS E LEIS DE CONSERVAÇÃO
Exemplos de simetrias Tipos de simetrias O Teorema de Noether

63 Por exemplo Invariância sob t  t + t0 (c. da energia)
Invariância sob translações x  x+a (c. do momento linear) Invariância sob rotações (c. do momento angular) Invariância sob x  -x (paridade)

64 Tipos de Simetrias Discretas (paridade) Continuas (rotações)
Globais (fases) Locais (de gauge), Abelianas ou não-Abelianas Simetrias unitárias (globais o locais)

65 … Inversão temporal t  -t
Conjugação da carga: partícula  anti-partícula CP CPT

66 simetrias  quantidades conservadas
O TEOREMA DE NOETHER simetrias  quantidades conservadas

67 Simetria significa: i) algo não observável, ii) unidade de algo (a
unificação de 3 forças). Não Observamos Transformação Conservação Posição absoluta x  x + a p Tempo absoluto t  t + t E Orientação absoluta x  x´ L Velocidade absoluta v  v + w Direita absoluta x  -x P Futuro absoluto t  -t T Carga absoluta q  -q C Fase absoluta

68 Uma simetria também implica UNIDADE
Uma escala de energia na qual três das forças teriam a mesma intensidade

69 AS QUATRO INTERAÇÕES Interação gravitacional Interação eletromagnética
Interação nuclear fraca Interação nuclear forte

70 Até o presente todos os fenômenos observados na natureza
podem ser descritos como resultado de somente QUATRO interações fundamentais

71 A INTERAÇÃO GRAVITACIONAL
Lei de Newton da gravitação GN=6.673(10)x10-11 GeV-2

72 a gravitação não é importante a baixas energias, porém
O valor de GN implica |FN|  |FE|  a gravitação não é importante a baixas energias, porém E ~ 1019 GeV Escala de Planck

73 “Que a gravidade seja algo inato, inerente e
essencial da matéria, de modo que um corpo possa agir a distância sobre outro ... é para mim um absurdo tão grande que no acredito que um homem com faculdade de pensar competente em assuntos filosóficos possa cair nele alguma vez” Newton

74 Gravitação: TRG Em 1915 Albert Einstein propôs a teoria da relatividade geral. As coordenadas não são mais que parâmetros porque a teoria é invariante por transformações gerais de coordenadas  é a chamada “constante cosmológica” , e parece que ainda é possivél que 0! Em 1917 nasce a cosmologia relativista GPS!

75 De fato, tanto a TER como a TGR têm de ser levadas em conta no Global Positioning System (GPS)!

76 A INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA
Interação de Coulomb Forças químicas, etc são em última instância efeitos da interação eletromagnética. Classicamente: equações de Maxwell

77 ELECTRODINÂMICA QUÂNTICA: QED
 Maxwell: teoria relativista Dirac: teoria quântica-relativista:  criação e destruição de partículas; partículas virtuais, antipartículas, vácuo “cheio” de partículas virtuais (mar de Dirac). Efeitos observáveis: pósitrons, …, efeito Casimir, deslocamento de Lamb,…

78 Mecânica quântica relativista
Historia espaço-temporal de dois ou mais elétrons

79 DIFICULDADES! Correções à propagação dos fótons, dos elétrons ou à sua interação (vértices) Induzem resultados … INFINITOS! ( ) Tomonaga, Schwinger, Feynman e Freeman Dyson...

80 O fator g-2 A teoria de Dirac prediz que uma partícula de espín 1/2 como o elétron tem um fator g=2. O fator “g “ é a razão entre o momento magnético e o momento angular “intrínseco” também chamado “espín”. Qualquer desvio deste valor deve ser explicado como correção quântica (ou a teoria é descartada). Ao fator g-2 chama-se momento magnético anômalo do elétron.

81 ... fator g-2 O chamado método (algoritmo) de RENORMALIZAÇÃO
permite realizar cálculos teóricos precisos. Por exemplo: (CGS) = 1/ Experimentalmente:

82 ... g-2 Podemos agora medir  e depois calcular g-2 com as expressões teóricas anteriores. Usando o efeito Hall quântico obtêm-se 1/ (27) (precisão de ppm) e (g-2)qH =1,159,652,156.4(22.9) x 10-12 Se é usado o efeito Josephson ac obtem-se 1/ (77) (0.056ppm) e (g-2)acJ =1,159,652,378.0(65.3) x 10-12

83 ... -2 Os números entre parêntese são devidos à incerteza em ; o erro
teórico é mesmo pequeno! ±1.2. Podemos inverter, usar a teoria para calcular  (ou seja a carga do elétron, por Millikan!). Fazendo isso se obtêm =1/ (52) um erro estimado de ppm! “ This is undoubtedly the most accurate prediction ever made, and one of the most difficult. It's also one of the most accurate measurements ever made”. (Kinochita, U. de Cornell)

84 Para o muon, ainda não é completamente conhecido.

85 A INTERAÇÃO FRACA Intensidade fraca Curto alcance
Teoria de Fermi de 4-férmions (até 1957) Violação da paridade e da conjugação da carga São mediadas por bósons vetoriais intermediários W e Z0

86 A idéia do Neutrino Decaimento : (radioatividade natural) 1930: Pauli

87 1933 E. Fermi: Interação de 4 férmions (V)
A paridade (x  - x) é conservada

88 A FÍSICA ATRÁS DO ESPELHO

89 Vetores e Pseudovetores
Sistemas de coordenadas LH y RH Vetores x, p, v, a, E, ... Sua direção não depende do sistema de coordenadas, ou seja V-V sob x -x Pseudovectores L, B, ...Sua direção sim depende do sistema de coordenadas, ou seja A A, sob x -x.

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91 1956 Lee-Yang: Nas interações fracas, o mundo do espelho é diferente exp. comprovado em 1957. Direita – Esquerda Polo norte – Polo sul Carga + – Carga -

92 a paridade é violada porque
Os elétrons são emitidos preferencialmente na direção oposta à polarização (valor médio do espín) P. Se a paridade for conservada os sistemas LH y RH seriam equivalentes e o número de elétrons emitidos num ângulo  e - seriam iguais

93 1957 Feynman+ Gellman, + ...: teoría V-A
Se c= ± c´ a paridade (x  - x) é violada maximalmente. Experimentalmente foi demonstrado que c=-c´. A correntes fraca são de “mão esquerda”

94 Os neutrinos têm massa? Se a paridade é violada de maneira 1933 Fermi:
máxima isso poderia indicar que o neutrino tem massa nula. Teoria dos neutrinos de 2 componentes 1933 Fermi:

95 A INTERAÇÃO FORTE: QCD intensidade muito forte Curto alcance
Respeita todas as simetrias Confinamento

96 Independência da carga

97 As forças entre n-n n-p, p-p são as mesmas (descontando a força de Coulomb entre p-p e a diferença de massa n-p)

98 Simetria de sabor Heisenberg 1932:

99 O MODELO PADRÃO DAS INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS
Simetrias, campos locais,lagrangeanas,...

100 Modelo: Descreve três interações: a forte, a eletromagnética e a fraca
No inclui a gravidade É um modelo “renormalizável” (se pode fazer cálculos de ordem superior em teoria de perturbações) Simetria de gauge SU(3)C  SU(2)L  U(1)Y, mais simetrias globais e Poincaré

101 ... De acordo com (quase) todos os dados experimentais
Algumas questões permanecem sem resposta Matéria de livro de texto

102 CROMODINÂMICA QUÂNTICA:
Cargas de cor simetria não-Abeliana SU(3)c uu, u, u, etc 8 Gluons Liberdade assintôtica: a constante de acoplamento diminui com a energia Confinamento?

103 CONFINAMENTO DA COR: INTERMEDIADAS PELOS GLUONS:

104 O MODELO ELETRO-FRACO Antes de 1967: interações fracas e eletromagnéticas 1967: Weinberg, Salam (Glashow 1962) SU(2)L U(1)Y modelo para léptons mais “o mecanismo de quebra espontânea de simetria” (P. Higgs) “unifica as duas interações”: modelo eletrofraco

105 O elétron e seu neutrino, dubleto de SU(2) “left-handed”
E o elétron “right-handed” eR transforma como singleto. Os neutrinos não precisam ter massa zero para que a paridade seja violada maximalmente. Posteriormente foram descobertos os neutrinos do múon (1962), e os léptons da terceira geração  (1975) e seu respectivo neutrino  (2000).

106 Conteúdo de representação dos campos de matéria
Quarks i=1,2,3 (cores) “L” (e R) implica a violação da paridade Leptons

107 Outra forma:

108 O mecanismo de Higgs V(+ ) = 2 +  +  (+ )2

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110 As cargas dependem da energia!:
QED QCD

111 Como se chegou a tudo isso?

112 Como foram descobertos os quarks?
e os gluons?

113 As partículas aparecem assim: 
Em 1974 foi descoberta a J/ (ccbar) 1977 foi a vez da , o bbar.  Agora se conhecem uma família 

114 Liberdade assintótica na QCD (I. Forte):

115 FÍSICA ALÉM DO MP? Física de neutrinos
Efeitos que atualmente não estão de acordo com o MP (podem ser flutuações estatísticas) O modelo deixa muitos pontos sem resposta. Por exemplo, por qué existem só 3 famílias de partículas? 3-3-1! etc

116 ESCALAS FUNDAMENTAIS DE ENERGIA
Massa dos neutrinos Teorias de Grande Unificação Teoria de Supercordas NOVA FÍSICA NA ESCALA DOS TeV? NO IFT/UNESP PROPOMOS OS MODELOS COMO UMA ALTERNATIVA.

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118 GRANDE UNIFICACIÓN, SUPERSIMETRÍA,…

119 UNIDADE só com supersimetria

120 PARTÍCULAS ELEMENTALES: 100 ANOS DE DESCOBERTAS

121 1896: Radioatividade natural, H. Becquerel
1897: O elétron, J. J. Thomson 1900: Hipótese quântica, M. Planck 1905: Teoria da relatividade especial, A. Einstein : O modelo atômico, E. Rutherford, N. Bohr, e A. Sommerfeld , TRG e cosmologia moderna, A. Einstein 1926: Mecânica quântica,Schrödinger, Heisenberg,… 1927: Mecânica quântica relativista: Dirac

122 1930-1933: Neutrino, Pauli y Fermi
Interação de 4-férmions: Fermi 1932: Anti-partículas, partículas virtuais, Dirac Descoberta do pósitron, Anderson Descoberta do nêutron, Chadwick Simetria de isospin, o núcleon, Heisenberg Problema dos “infinitos” na QED 1935: el pion , Yukawa; (1939) 0, N. Kemmer 1937: descoberta do muon  , Anderson

123 1944: Primeira evidência do K+, vários
1946: Proposta do modelo do Big-Bang, Gamow et al. 1947: Descoberta do pion , Lattes et al.; descoberta dos eventos “V” , Rochester y Butler 1948: QED, Feynman, Schwinger, Tomonaga 1954: Teorias de gauge não-Abelianas, Yang e Mills

124 1956: Proposta da violação da paridade, Lee e Yang
1959: evidência do 0, Alvarez et al; detecção do anti-neutrino do elétron, Reines e Cowan 1961: “Caminho do octeto”, Gell-Mann; Ne’eman 1962: evidência do , Lederman et al. 1964: modelo de quarks, Gell-Mann, Zweig; evidência do -, Barnes et al.; Violação de CP; Fitch e Cronin

125 1973: descoberta da “liberdade assintótica”,
1973: descoberta da “liberdade assintótica”, QCD, vários; descoberta das correntes neutras fracas 1974: Descoberta do quark c 1975: Descoberta do lépton  1977: Descoberta do quark b (“bottom”) 1979: Descoberta da violação da paridade em átomos, -Z0 1983: Descoberta dos W, Z0 1993: Confirmação do problema dos neutrinos solares

126 1995: Descoberta do quark t (“top”)
1998: Super-Kamiokande: neutrinos solares e atmosféricos 2001: Observação direta do  : Confirmação das reações nucleares do Sol, SNO, KamLand.

127 Podemos resumir o anterior no seguinte quadro:

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129 A história e destino do Universo?
O que tem a ver o anterior com: A história e destino do Universo? Resumida assim:

130

131 Leituras recomendadas
INTERNET A Aventura das Partículas Elementares Searching for the Building Blocks of Matter S .Kullander, Accelerators and Nobel Laurates,

132 Leituras … INTERNET The ABC´s of Nuclear Science,

133  HYPERPHYSICS:

134 Artigos C. Quigg, The Standard Theory, Fermilab Library Server C. Quigg, The Electroweak Theory, hep-ph/

135 Livros V. V. Ezhela et al. (Eds.), Particle Physics One Hundred Years of Discoveries, AIP Press, 1996.