Partículas Elementares Átomos consistem de elétrons que formam as camadas eletrônicas, e núcleos, compostos por prótons e nêutrons que, por sua vez,consistem.

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1 Partículas Elementares Átomos consistem de elétrons que formam as camadas eletrônicas, e núcleos, compostos por prótons e nêutrons que, por sua vez,consistem de quarks ( dos tipos u e d, ou seja,up e down). Quarks são, possivelmente, os constituintes fundamentais da matéria. Há seis espécies,ou sabores, de quarks:

2 1) u (up) 2) d (down) 3) c (charmed) 4) s(strange) 5) b (bottom) 6) t (top) Cada uma dessas espécies pode apresentar- se em três “edições” chamadas CORES: 1 (vermelho) 2(verde)

3 3) (azul) Haveria então 18 quarks distintos. 3x6=18 Porém como cada um deles tem a sua antipartícula, o número total de quarks é 36 (uma antipartícula tem a mesma massa e o mesmo spin da partícula em questão, porém carga oposta). Quarks tem carga elétrica fracionária ( +2/3 para os sabores (espécies) up,charmed e top e -1/3 para os sabores (espécies) down, strange e bottom, mas nunca foram detectados livres : aparentemente, estão sempre confinados em partículas chamadas de HÁDRONS ( em grego significa massivo, forte, robusto) Há duas classes de Hádrons:

4 Hádrons Bárions ( do grego significa pesado)- são formados por três quarks. Mésons ( do grego significa intermediário, médio)- são formados por um quark e um antiquark. Bárions- obedecem o Princípio de Exclusão de Pauli.Mésons não. Bárions- tem spin fracionário ( 1/2,3/2,...) Mésons- tem spin inteiro ( 0,1,2,...) O nêutron e o próton são os Bárions mais familiares, os Mésons π e K são exemplo de Mésons; contudo, face às multíplas possibilidades de combinação de 3 quarks ou de quarks e antiquarks, o número de Hádrons é muito grande.( grande família) Bárions Mésons

5 Outra família, não tão numerosa, é a dos LÉPTONS ( do grego significa delgado, fino,leve). São partículas de spin ½, que podem ter carga elétrica ou não(neutrinos). Parecem ser partículas verdadeiramente elementares, isto é, nenhuma dela aparenta ter uma estrutura interna como a dos Hádrons. O elétron é o Lépton mais familiar, mas existem o Múon (μ), o Tau (τ) e três Neutrinos ( Neutrino do Elétron, Neutrino do Múon e Neutrino do Tau). Para se ter uma idéia da constituição da matéria, não basta saber que existem tais partículas.É preciso levar em conta como elas interagem,como integram sistemas estáveis e como se desintegram, ou seja, é preciso considerar Interações e Campos de Força,o que nos leva a outra categoria de partículas, as chamadas partículas mediadoras das interações fundamentais da natureza.

6 Partículas Mediadoras A introdução dos quarks permitiu uma simplificação enorme no campo das partículas elementares, que pôde ser dividido em dois grupos: os Hádrons, constituidos por quarks, e os Léptons, que não são constituídos por quarks e são considerados elementares. Além dessas duas famílias de partículas, a evolução das pesquisas em Física de Partículas determinou a classe das partículas Mediadoras.

7 Essas partículas são responsáveis por intermediar as interações nucleares, forças forte e fraca e a eletromagnética.Elas aparecem durante os decaimentos e são as potadoras das interações. O conceito de partículas mediadoras substitui os clássicos conceitos de campo e força como mediadores das interações. Por exemplo, a repulsão elétrica entre dois prótons seria interpretada na perspectiva das partículas como uma troca de fótons.Esses seriam emitidos por um próton e absorvidos pelo outro enquanto a interação se mantivesse.

8 Em a), dois prótons interagem pela ação da força elétrica que age em ambos.Em b), os prótons interagem trocando fótons, partículas mediadoras da interação eletromagnética.

9 Assim,a interação forte pode ser vista como a troca de glúons, partículas mediadoras da interação forte, entre os quarks de dois prótons no interior de um núcleo atômico. Um ponto importante sobre as partículas transportadoras de interação é que uma partícula mediadora, de um tipo particular de interação, só pode ser absorvida ou emitida por partículas afetadas por essa interação.Por exemplo, elétrons e prótons tem carga elétrica; portanto eles podem produzir e absorver as transportadoras de forças elétromagnéticas ou seja, os fótons. Neutrinos, por outro lado, não têm carga elétrica, então eles não podem absorver ou produzir fótons.

10 MediadorSímboloCargaTempo de Vida InteraçãoInterage em Glúon g O ESTÁVEL FORTE QUARKS Fóton ϒ O ESTÁVELELÉTROMAG NÉTICA CARGAS Bósons Intermediári os W ± ± 110 -25 FRACAQUARKS E LÉPTONS Z˚ O10 -25 FRACA QUARKS E LÉPTONS Tabela de partículas de interação

11 Se você reparar na tabela das partículas de interação, vai sentir falta da força gravitacional. Ela não é uma das forças existentes no Universo? Não é responsável por manter os planetas girando em torno do SOL ? Sem dúvida, a força gravitacional é uma das interações fundamentais, mas ainda não tem lugar na Física da Partículas.Embora toda partícula com massa esteja sujeita à ação da força gravitacional, o gráviton, suposta partícula mediadora da interação gravitacional, ainda não foi observado.

12 Ção de pares.çãoÇão de pares.ção INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS HÁ 4 TIPOS DE INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS: A) INTERAÇÃO ELETR0MAGNÉTICA É A INTERAÇÃO ENTRE UM ELÉTRON E O NÚCLEO ATÔMICO. B) INTERAÇÃO FORTE É A INTERAÇÃO ENTRE OS QUARKS. C) INTERAÇÃO FRACA – É O DECAIMENTO β ( POR EXEMPLO, UM NÊUTRON DECAINDO PARA PRÓTON PELA EMISSÃO DE UM ELÉTRON E UM NEUTRINO). n→ p+e+∂

13 D) INTERAÇÃO GRAVITACIONAL- É AQUELA QUE ATUA ENTRE TODAS AS PARTÍCULAS MASSIVAS, E É A QUE GOVERNA O MOVIMENTO DOS CORPOS CELESTES, MAS É IRRELEVANTE EM DOMÍNIOS PEQUENOS. A INTERAÇÃO FORTE, COMO SUGERE O NOME, É A MAIS FORTE NO ÂMBITO DAS PARTÍCULAS ELEMEN TARES E MANTÉM JUNTOS PRÓTONS E NÊUTRONS NO NÚCLEO DO ÁTOMO. AFETA SOMENTE HÁDRONS. A INTERAÇÃO FRACA É RESPONSÁVEL PELO DECAIMEN TO RELATIVAMENTE LENTO DE PARTÍCULAS COMO NÊU- TRONS E MÚONS E TAMBÉM POR TODAS AS REAÇÕES ENVOLVENDO NEUTRINOS.

14 ESSAS INTERAÇÕES SÃO DESCRITAS ATRAVÉS DE CAMPOS DE FORÇA. CAMPO É UM CONCEITO FUNDAMENTAL SOBRE PARTÍCULAS ELEMENTARES. OS QUANTA DESSES CAMPOS SÃO PARTÍCULAS MEDIADORAS DAS INTERAÇÕES CORRESPONDENTES. ASSIM, O FÓTON É O QUANTUM DO CAMPO ELETROMAGNÉTICO E MEDIA A INTERAÇÃO ELÉTROMAGNÉTICA.

15 Os GLÚONS são os quanta do campo forte e mediam a interação forte. O GRÁVITON é o quantum do campo gravitacional e media a interação gravitacional. As partículas chamadas W +, W - e Z 0 são os quanta do campo fraco e são mediadoras da interação fraca. Tais partículas são chamadas de BÓSONS, um termo genérico para partículas de spin inteiro ( férmions é o termo genérico para partícula de spin 1/2,3/2,5/2...;léptons e quarks são férmions). O GRÁVITON é a única partícula que ainda não foi detectada experimentalmente.

16 Medir a interação significa que a força existente entre as partículas interagentes resulta de uma “troca”(emissão e absorção) de outras partículas (virtuais) entre elas. Assim a força eletromagnética resulta da troca de FÓTONS entre as partículas (eletricamente carregadas) interagentes. FÓTONS são portadores da força eletromagnética, são partículas de radiação, não de matéria;tem spin 1, não tem massa e são idênticos às suas antipartículas. É a energia de um FÓTON que determina seu “tipo”: FÓTONS de ondas de rádio, de luz visível, de radiação ultravioleta, de raios-X, de raios gama.

17 Medir a interação significa que a força existente entre as partículas interagentes resulta de uma “troca”(emissão e absorção) de outras partículas (virtuais) entre elas. Assim a força eletromagnética resulta da troca de FÓTONS entre as partículas (eletricamente carregadas) interagentes. FÓTONS são portadores da força eletromagnética, são partículas de radiação, não de matéria;tem spin 1, não tem massa e são idênticos às suas antipartículas. É a energia de um FÓTON que determina seu “tipo”: FÓTONS de ondas de rádio, de luz visível, de radiação ultravioleta, de raios-X, de raios gama.

18 Analogamente, o campo de forças produzido por quarks e antiquarks, atuando sobre eles, é chamado de campo de GLÚONS,e a força entre eles resulta da troca de GLÚONS. GLÚONS representam para o campo de glúons o mesmo que os fótons para o campo eletromagnético. Quarks emitem e absorvem glúons e assim exercem a interação forte entre si. GLÚONS, tal como os FÓTONS tem spin 1, mas diferentemente deles, tem cor,isto é, FÓTONS são incolores,ou “brancos”,e GLÚON não.

19 A interação fraca é mediada por partículas, conhecidas como W ( do inglês weak, que significa fraca) e Z,isto é,pela troca de tais partículas, assim como a interação gravitacional é, teoricamente mediada pela troca de GRÁVITONS. PRODUÇÃO DE PARES Há um processo no qual os fótons perdem sua energia na interação com a matéria, que é o pro- cesso de produção de pares. A produção de pares é também um ótimo exemplo da conversão de energia radiante em massa de repouso e energia cinética.Neste processo, um fóton de alta energia perde toda sua energia h∂ em uma

20 colisão com um núcleo, criando um par elétron- pósitron, com uma certa energia cinética. Um pósitron é uma partícula que tem todas as propri- Edades de um elétron, exceto o sinal de sua carga(e o de seu momento magnético) que é oposto ao do elé- Tron; o pósitron é um elétron positivo carregado. o

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26 Na produção de pares a energia de recuo absorvida pelo Núcleo é desprezível por causa de sua grande massa, e assim a equação da conservação da energia total rela- Tivística no processo é simplesmente: h∂ = E - + E + = ( m 0.c² + K - ) + ( m 0.c²+ K + ) = m 0.c 2 + K - +m 0.c 2 + K + = 2m 0.c 2 + K + + K - h∂ = 2m 0.c 2 + K + + K - (1) Na expressão 1, E + e E + são as energias relativística Totais, e K _ e K + são as energias cinéticas do elétron e do pósitron, respectivamente. As duas partículas tem a mesma energia de repouso m 0 c 2.

27 O pósitron é produzido com uma energia cinética um pouco maior que a do elétron, porque a interação coulombiana do Par com o núcleo positivamente carregado causa uma aceleração no pósitron e uma desaceleração no elétron. Os princípios que nos orientaram foram a Conservação Total Relativística, a Conservação Do Momento, e a Conservação Da Carga. Destas leis da conservação, não é difícil mostrar que um fó- Ton não pode simplesmente desaparecer no espaço vazio, criando o par. A presença do núcleo pesado é necessária para permitir que Tanto a energia quanto o momento sejam conservados no Processo. A carga é automáticamente conservada, pois o fóton não

28 Tem carga e o par criado tem carga total nula. O fenômeno de produção de pares é um fenômeno de al- Tas energias, devendo os fótons estar na região dos raios- X de grande energia ou na região dos raios gama. Resultados experimentais demonstram que a absorção de Fótons em interação com a matéria ocorre no processo Fotoelétrico a baixas energias, pelo Efeito Compton a Energias intermediárias e pela produção de pares a altas Energias. Pares elétron-pósitron são produzidos na natureza por fótons de raios cósmicos e em laboratório por fótons de Bremsstrahling obtidos em aceleradores de partículas. Outros pares de partículas, tais como próton e

29 anti-próton, podem ser produzidos se o fóton tiver energia suficiente. Pelo fato do elétron e o pósitron terem a menor massa de repouso das partículas conhecidas, a energia mínima para a sua produção é a menor.A experiência confirma a teoria Quântica no processo de formação de pares. ANIQUILAÇÃO DE PARES É o processo inverso da produção de pares. Um elétron e um pósitron, estando essencialmente em repouso próximos um do outro, se unem e são aniquilados. A matéria desaparece e em seu lugar obtemos energia radiante.

30 Já que o momento inicial do sistema é zero (elétron + pósi- Tron = parados ), e como o momento deve se conservar no Processo, não podemos ter apenas um fóton criado, pois um único fóton não pode ter momento zero. O processo que tem maior probabilidade de ocorrer é a criação de dois fótons que se movem com o mesmo momento em sentidos opostos. e - e + h∂ 2 p 2 h∂ 1 p 1 Antes Depois

31 No processo em que dois fótons são criados, a conservação Do momento dá : 0= p 1 + p 2 ou p 1 = - p 2 De forma que os momentos dos fótons são iguais em módulos e tem sentidos opostos. Portanto, p 1 = p 2 ou h∂ 1 / c 1 = h∂ 2 /c 2 e ∂ 1 = ∂ 2 =∂. A conservação da energia total relativística impõe então que : m 0 c 2 + m 0 c 2 = h∂ + h∂,

32 Não tendo o pósitron e o elétron energias cinéticas iniciais, e sendo as energias dos fótons iguais. Portanto h∂ = m 0 c 2 = 0,51 MeV Correspondendo a um comprimento de onda do fóton de 0,024 A 0. Se o par inicial tivesse alguma energia cinética, então a energia do fóton excederia 0,51 M eV, e seu comprimento de onda poderia ser menor que 0,024 A 0. Aniquilação PRÓTON- ANTIPRÓTON EXERCÍCIO Um próton e um anti-próton em repouso se aniquilam

33 Mutuamente através da reação: P + + P - → ϒ + ϒ Determine as energias e os comprimentos de onda dos Fótons emitidos. Solução Como o próton e o antipróton estão em repouso, a conservação do momento exige que os dois fótons criados No processo de aniquilação tenham momentos iguais e Opostos e portanto energias iguais. Como a energia total do lado esquerdo da reação é 2m c, A energia de um dos fótons é : E ϒ = m p c 2 = 938MeV

34 COMPRIMENTO DE ONDA = HC/H∂ = 4,2.10 -15. 3,0.10 8 / 9,38.10 8 =1,32.10 -15 M.

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