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QUARKS CFIF Colloquium 07 January 2003 Pedro Bicudo This colloquium presents a creative episode of modern physics, and problems that remain opened ever.

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1 QUARKS CFIF Colloquium 07 January 2003 Pedro Bicudo This colloquium presents a creative episode of modern physics, and problems that remain opened ever since. Dep Física IST & CFIF, Lisboa

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35 Pedro BicudoQuarks35 0. Resumo Neste colóquio abordam-se os quarks, que são os constituintes sub-nucleares da matéria, e que interagem fortemente trocando gluões. Classificam-se os quarks e gluões com os números quânticos de spin, carga, sabor e cor. Revê-se historicamente como os quarks foram descobertos nos anos 60 e 70, mencionando o Modelo de Quarks para o espectro dos Hadrões, o Modelo dos Partões para a dispersão profundamente inelástica, e a teoria da Cromodinâmica Quântica que governa os campos de quarks e de gluões. Mencionam-se ainda os problemas teóricos que afligem a Cromodinâmica Quântica e que impedem a sua solução exacta. Abordam-se fenómenos importantes da Física Hadrónica, como a simetria quiral, o confinamento, os jactos e a difracção. Referem-se os problemas em aberto reconhecidos pela comunidade dos Físicos Nucleares e Hadrónicos, e os grandes investimentos experimentais e computacionais que a comunidade científica está a desenvolver para atacar estes problemas.

36 Pedro BicudoQuarks36 Sumário: 1. Introdução 1.1 Os quarks, constituintes da matéria 1.2 Spin, Carga, Sabor e Cor dos Quarks e Gluões 2. História dos quarks 2.1 Modelo dos Quarks para a classificação dos hadrões 2.2 Modelo dos Partões para a dispersão inelástica 2.3 Teoria da Cromodinâmica Quântica 3. Problemas em aberto 3.1 Quebra de Simetria Quiral, Anomalia Axial 3.2 Confinamento 3.3 Hadrões Híbridos e Bolas de Gluões 3.3 Jactos, Difracção 3.4 Matéria Nuclear, Plasma de Quarks e Gluões 3.5 Núcleos, Partículas, Estrelas e Universo 3. Grandes investimentos 3.1 Laboratórios 3.4 Simulações na Rede 4. Conclusão

37 Pedro BicudoQuarks37 Exemplo do átomo de Hélio 1. Introdução 2.1 Os quarks, constituintes da matéria Mais de 99,9% da massa da matéria reside nos nucleões, que são constituidos por quarks. A escala da função de onda dos quarks é o Fermi, -15 r~ 1 Fm=10 m. A energia envolvida por quark é da ordem de 300 MeV, que é da ordem de grandeza de E~ cp~ c h /r~ 200 MeV.

38 Pedro BicudoQuarks Spin, Carga, Sabor e Cor dos Quarks e Gluões

39 Pedro BicudoQuarks39 2. Um pouco da história dos quarks 2.1 Modelo dos Quarks para a classificação dos hadrões Os quarks foram independentemente introduzidos nos anos 60, por Gell-Mann, Neeman e Zweig, como partículas sub-nucleares para - explicar o elevado número de hadrões (ressonâncias) observados, primeiro em raios cósmicos e depois em aceleradores de partículas, muitos dos quais em multipletos de massa degenerada, por exemplo, : 1: 0 N: 2: p +,n N: : 3: +, 0, - : 4: ++, +, 0, - K: 4: K +, K -, K 0, K explicar o raio finito do protão e do neutrão, da ordem de 0,7 Fm, medido por Hofstadter nos anos 50, - explicar o momento magnético anómalo do protão e do neutrão, que diferem muito do momento esperado em fermiões de Dirac como o electrão.

40 Pedro BicudoQuarks40 Gell-Mann inspirou-se numa passagem da obra Finnegans Wake de James Joyce para encontrar o nome de quarks. Zweig preferia aces e Feynman gostava mais de Partons mas a gíria de Gell-Mann predominou. O quebra-cabeças de classificar os hadrões levou a várias novidades, pois os quarks além de serem fermiões de spin 1/2, - possuem um novo número quântico, o sabor que é uma extensão do isospin. Os primeiros sabores descobertos foram os u (up) e d (down) que já compunham os bariões estáveis, e o s (strange) que apenas surgiam nos hadrões instáveis, - o sabor pode ser descrito por um grupo, o SU(3) que extende o conceito de spin, estando o spin (e o isospin) associado ao grupo SU(2), - a carga dos quarks é fraccionária, ou seja (2/3)e ou (-1/3)e, - mas (confinamento) nunca se conseguiu isolar experimentalmente um quark em repouso!

41 Pedro BicudoQuarks41 Essencialmente os hadrões distribuem-se em dois tipos de aglomerados de quarks, Os Hadrões, fermiões de spin 1/2, 3/2, 5/2, 7/2 … compostos por Q + Q + Q Os Mesões, bosões de spin, 0, 1, 2,3... compostos por Q + Q (in Particle Physics Booklet)

42 Pedro BicudoQuarks42 (in Particle Physics Booklet)

43 Pedro BicudoQuarks43 (in Particle Physics Booklet)

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46 Pedro BicudoQuarks Modelo dos Partões para a dispersão inelástica Simultaneamente era conhecida a distribuição de carga e o momento magnético anómalo dos nucleões, e estenderam-se as experiências de Hofstadter para electrões de energia cada vez mais alta. Realmente a secção eficaz para e - p + pode ser descrita por constituintes pontuais, fundamentais, sem estrutura, de spin 1/2 que Feynman chamou de partões. Esta evidência também motivou a descoberta dos quarks. e e p u u d + X ( O carácter corpuscular dos quarks traduz-se na invariância de escala das funções de estrutura F 1 e F 2 que generalizam o conceito de distribuição de carga e de momento magnético anómalo dos nucleões.)

47 Pedro BicudoQuarks A cor e a teoria da QCD A maioria dos problemas que surgiram com a invenção dos quarks foram resolvidos com a introdução do conceito da cor. A cor foi inicialmente introduzida para não se violar o princípio de Pauli, que diz que as funções de onda dos fermiões devem ser anti-simétricas para a troca de partículas. Ora a função de onda dos 3 quarks que constituem por exemplo o protão, é simétrica em termos de momento angular, spin, e sabor. Assim foi inventado um novo número quântico que daria uma função antisimétrica ao protão. Ora os objectos coloridos, como os quarks e gluões ficam confinados. A experiência ganha no estudo do sabor sugeriu que o grupo de simetria associado deveria ser o grupo SU(3), pois tal como em SU(2) se pode combinar um spin com um spin para ter um spin total 0, o SU(3) permite com 3 quarks construir funções de onda de cor nula, ++ = Tendo o nome de COR sido possivelmente inspirado na contemporânea TV a cores.

48 Pedro BicudoQuarks48 Apesar de a cor ter a mesma algebra SU(3) que o sabor, tudo indicava que tinha uma natureza bem distinta devido ao confinamento dos objectos coloridos. Assim atribui-se a cor uma simetria local, inspirada na existência apenas local dos quarks. Uma teoria local já existia, a teoria quântica do electromagnetismo que tem uma simetria de gauge/padrão U(1), onde por exemplo existem cargas positivas e negativas que se podem cancelar. A QCD (teoria da cromodinâmica quântica) surgiu naturalmente como extensão da teoria quântica do electromagnetismo, substituindo o grupo de gauge/padrão U(1) pelo grupo da cor, o grupo SU(3). Foi desenvolvida por Gell-Mann, Fritzch e outros. Logo se juntou evidência da compatibilidade da QCD com o confinamento, - mostrando que no limite de altos momentos é perturbativa, tem liberdade asimptótica, mas para pequenos momentos não se consegue resolver com as técnicas que resolveram a electrodinâmica quântica, - mostrando que em simulações discretas numa rede existe confinamento.

49 Pedro BicudoQuarks49 No entanto a QCD permanece uma teoria não resolvida! O seu Lagrangeano é muito simples e bem definido, mas não se sabe ainda calcular algo tão simples como a massa do protão ou o seu momento magnético, ou qualquer outro observável a partir da QCD. Este problema é um dos mais difíceis da física actual, existindo por exemplo um prémio de $ para quem resolver matematicamente o confinamento a partir da QCD. Mas acredita-se que a está QCD correcta! Uma das suas previsões mais notáveis é a existência de gluões, que são análogos aos fotões da electrodinâmica. Os gluões são por exemplo responsáveis pela interacção entre quarks. q q g q q Tal como os quarks, os gluões já foram observados em dispersões a alta energia, mas por serem coloridos estão confinados e jamais foram observados isoladamente em repouso!

50 Pedro BicudoQuarks50 3. Problemas em aberto 3.1 Quebra de Simetria Quiral, Anomalia Axial Densidade de energia do vácuo Eixo de simetria Condensado escalar de pares quark+anti-quark Condensado pseudo-escalar Vácuo Pensa-se que o vácuo não é vazio, mas está ocupado por um condensado de pares quark+anti-quark, isto porque a atracção entre um quark e um anti-quark é tão forte que um par quark+anti-quark tem M 2 negativa. O vácuo condensado encontra um ponto estável porque o condensado fornece massa aos quarks, num mecanismo descoberto por Nambu nos anos 50. Rotação quiral (roda a paridade) Falso Vácuo

51 Pedro BicudoQuarks51 Análogo à quebra de simetria que existe no ferromagnetismo, A interacção entre os spins (momentos magnéticos) no interior de um material ferromagnético, por exemplo Fe, Ni ou Ca, favorece o alinhamento paralelo dos spins. Trata-se de um caso de quebra de simetria: de leis da física esféricamente simétricas nasce uma direcção privilegiada. Íman

52 Pedro BicudoQuarks52 A quebra de simetria quiral afecta o espectro dos hadrões, que nada mais são do que as flutuações quânticas existentes em torno do vácuo. Os estados de menor energia correspondem a flutuações no vale de baixa energia. Trata-se dos piões que têm uma massa da ordem de 140MeV/c 2, ou seja um quinto do que seria de esperar em mesões. Curiosamente os piões têm uma história muito rica. Foram conjecturados por Yukawa cerca de 1935, para explicar a interacção forte que sentem os protões e os neutrões no núcleo. Desde então têm dominado a física hadrónica de baixas energias, e têm conduzido a interessantes conceitos teóricos como a quebra de simetria quiral e a anomalia axial. p n p n Vale de baixa energia dos piões

53 Pedro BicudoQuarks Confinamento Q uark A nti-quark Fluxo do campo eléctrico de cor Corrente de mono-pólos magnéticos de cor O espectro dos mesões, onde surgem trajectórial lineares de Regge, evidencia que um quark e um anti-quark sentem uma atracção de energia proporcional à distância, E p = l, ~ 200MeV / Fm o que dá uma força constante da ordem de 3 Toneladas-força! Por outro lado não se observam quarks livres. Este fenómeno dá pelo nome de confinamento, e sugere a existência de um tubo de fluxo ou corda; que pode se dever à massa que os gluões podem ganhar, num mecanismo proposto por Nielsen, tHooft e Mandelstam nos anos 80, onde a massa dos gluões é criada por mono-pólos magnéticos de cor. M g ~ 700MeV ?

54 Pedro BicudoQuarks54 Análogo a vórtice em supercondutor de tipo II Campo magn N S ético Pares de Cooper Os pares de Cooper (2 electrões emparelhados) criam uma massa para o fotão no interior dos supercondutores o que repele o campo magnético para o exterior dos supercondutores. Nos supercondutores de tipo II o campo magnético pode existir, mas apenas na forma de estreitos vórtices onde a fase normal (não supercondutora) sobrevive. Íman Supercondutor

55 Pedro BicudoQuarks Bolas de Gluões e Hadrões Híbridos A partir do momento em que a existência dos gluões é assumida coloca-se a questão de sabermos se os gluões também podem fornecer constituintes para estados ligados. Os estados ligados que incluem quarks e gluões designam-se por hadrões híbridos. As bolas de gluões (glueballs) são os estados ligados que incluem apenas gluões. g q g q g No entanto estes estados ainda não foram comprovados experimentalmente.

56 Pedro BicudoQuarks Jactos, Difracção e e p u u d + X Quando um ou mais hadrões são envolvidos em dispersões de alta energia, um grande número de partículas costuma ser criado. Dois fenómenos podem ser destacados. a) Os jactos, em que muitos hadrões são observados na mesma direcção. Um jacto entende-se como o branqueamento de um quark ou gluão emitido inicialmente com grande momento, pois q q q q q q q q q q q q Tem maior energia do que uma colecção de pares com menor tubo de fluxo,

57 Pedro BicudoQuarks57 b) A difracção, onde se verifica que qualquer secção eficaz total envolvendo aumenta com a energia da dispersão, e não diminui como se poderia esperar pela liberdade asimptótica. Há diferentes modelos para explicar este fenómeno, tal como -a difracção de tubos de fluxo -o modelo do pomerão, -ou o modelo das bolas de cor, mas no entanto este problema não está resolvido como tantos outros.

58 Pedro BicudoQuarks Matéria Nuclear, Plasma de Quarks e Gluões A matéria nuclear, que existe no interior dos núcleos é em primeira aproximação constituída por protões, neutrões e ainda por mesões trocados entre estes nucleões. No entanto o momento de Fermi dos nucleões é da ordem de k F ~ 250 MeV /c, o que está na escala típica das física dos quarks. Assim pergunta-se até que ponto a quebra de simetria quiral ou mesmo o confinamento são afectados pela presença da matéria nuclear m

59 Pedro BicudoQuarks59 v v ? Se no entanto chocarmos os núcleos (também conhecidos por Iões Pesados) a altas energias então é certo que o vácuo da QCD é seriamente afectado. Surgem várias perguntas. Que fase estamos a excitar, será o plasma de quarks e gluões? O que ocorre na fronteira entre este estado excitado e o vácuo? Como decai esta bolha altamente excitada? Núcleo aparentemente deformado pela contracção de Lorentz Nova fase ?

60 Pedro BicudoQuarks Núcleos, Partículas, Estrelas e Universo O facto de os quarks, gluões, hadrões e plasma de quarks e gluões ( Física Hadrónica? ) não estarem bem entendidos limita outras áreas da física. A Física Nuclear não sabe com rigor como se comportam os nucleões num núcleo ou em reacções nucleares. A Física de Partículas tem uma incerteza de um factor de ~2 nos factores de forma hadrónicos que surgem na maioria dos seus cálculos teóricos. Na astrofísica as estrelas densas como as estrelas de neutrões ou de quarks não são ainda bem conhecidas. Também a cosmologia, nos instantes em que o Universo teria uma grande densidade, depende dos modelos para o vácuo da QCD. As dificuldades técnicas a resolver são semelhantes às da Física da Matéria Condensada, mas são ainda relativistas. A filosofia do éter, agora relativista, renasce.

61 Pedro BicudoQuarks61 3. Grandes investimentos 3.1 Laboratórios e-e- p DESY, TJNAL RHIC, LHC DIRAC...

62 Pedro BicudoQuarks62 Laboratório com experiências dedicadas à física hadrónica

63 Pedro BicudoQuarks63 Thomas Jefferson N. L., Virginia, Argonne NL, Argonne, SLAC, Stanford, FERMILAB, Batavia, Brookhaven NL, Brookhaven, Lawrence Livermore NL TRIUMF, Vancouver, KEK, Koh Ene Ken, RCNP, Osaka, IHEP, Serpukhov BINP, Novosibirsk ITEP, Moscovo, AMERICA ASIA EUROPA

64 Pedro BicudoQuarks64 TSL, Uppsala, www4.tsl.uu.se/tsl/tsl DESY, Hambourg, MAMI, Mainz, COSY, Jülich, GSI, Darmstadt, GANIL, Caen, ganinfo.in2p3.fr L N SATURNE, Saclay, www-lns.cea.fr PSI, Villingen, L N FRASCATI, Frascati, L N Sud, Catania, CERN, Genève, welcome.cern.ch EUROPA

65 Pedro BicudoQuarks Simulações na Rede A discretização da QCD numa rede a 4 dimensões, sugerida por Wilson, tem estimulado grupos de físicos a usar e a desenvolver os computadores mais poderosos do mundo. Usa-se o formalismo do integral de caminho (soma sobre todos os processos possíveis) que também é usado no cálculo da função de partição em Física Estatística. O número de integrais a calcular é astronómico e aplica-se método de Monte Carlo. gluão U1U1 U2U2 A técnica consiste em discretizar as derivadas do lagrangeano de Dirac com o método das diferenças finitas. Os campos de quarks e os de anti-quarks residem nos vértices da rede. Os campos de gluões residem nas arestas da rede. A teoria é invariante pelas transformações locais de SU(3) da QCD. quark Anti-quark

66 Pedro BicudoQuarks Simulações na Rede Supercomputador dedicado a simulações da QCD na rede.

67 Pedro BicudoQuarks67 3. Conclusão - A física dos quarks tem muitos problemas em aberto por resolver, tanto teóricos (que ultrapassam os nossos conhecimentos da teoria quântica), como experimentais (com sistemas extensos e fortemente instáveis). - A física hadrónica encontra-se numa encruzilhada, pois a física de partículas já se moveu para energias mais altas, enquanto que a física nuclear cada vez mais se foca nos quarks. - Existem vários laboratórios nos países ricos, tanto experimentais como computacionais, que estudam os quarks. Em Portugal não existe nenhum laboratório de física hadrónica. A estratégia nacional tem consistido em pertencer a grandes laboratórios internacionais, como o CERN. - Uma possível consulta na internet é a página do Grupo de Física Hadrónica. A página gfh.ist.utl.pt foi criada recentemente para servir os físicos hadrónicos portugueses. Outra consulta é o I encontro nacional de Física Hadrónica, cfif.ist.utl.pt/~bicudo/IHadronic

68 Pedro BicudoQuarks68 Bibliografia recomendada

69 Pedro BicudoQuarks69


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