ASTRO-COSMO-PARTÍCULAS PARTE II Vicente Pleitez IFT-UNESP 2004

II-OS PROBLEMAS DOS NEUTRINOS SOLARES E ATMOSFÉRICOS

PLANO -II O MODELO PADRÃO DO SOL O PROBLEMA DOS NUS SOLARES OS EXPERIMENTOS DOS NUS SOLARES TRANFORMAÇÃO DE NEUTRINOS O EFEITO MSW OS NEUTRINOS ATMOSFÉRICOS A UTILIDADE DOS NEUTRINOS

O MODELO SOLAR PADRÃO Plasma em equilibrio hidrostático, a presão radiativa compensa a gravidad O transporte de energia é principalmente radiativo (e um pouco por convecção) A energia é gerada por reações termonucleares, efeitos gravitacionais são pequenos A abundância relativa dos núcleos muda só como resultado das reações nucleares

O PROBLEMA DOS NEUTRINOS SOLARES Cálculo simples de neutrinos Aqui e agora! M. Guzzo (IFGW/UNICAMP)

Cadeia pp

J. Bahcall

Os neutrinos trazem informação do centro do sol Jonh Bahcall

1 SNU= 10-36 capturas por átomo do alvo/segundo

Experiment BP 00 BP 98 Bahcall 95 Turk-Chiéze Dar-Shaviv 95 Proffitt94 Chlorine 7.6 +1.3-1.1 7.7 +1.2-1.0 9.5 ± 1.4 6.4 ± 1.4 4.1 ± 1.2 8.9 ± 1.1 Kamiokande 5.05 (1.00 + +0.20-0.16) 5.2 +1.0-0.7 6.6 ± 1.1 4.4 ± 1.1 2.49 6.4 ± 0.9 Gallium 128 +9-7 129 +8-6 137 ± 8 122 ± 7 115 ± 6 136 ± 7

Experimentos de s solares

Homestake Gallex/Sage Raymond Davis Jr. Pionero desde 1968. Prêmio Nobel de 2002 e + 37 Cl  37 Ar + e- , Limiar 0.81 MeV 600 toneladas de Cl4C Gallex/Sage 50 toneladas de Ga: e + 71Ga  e- + 71Ge, Limiar 0.23 MeV RADIOQUÍMICOS!

SUPER-KAMIOKANDE Masatochi Koshiba, Nobel de 2002 50 000 toneladas de água ultrapura x+e- x+e-, sensível à todos os s Luz Cerenkov dos e- Tempo real e direcional (telescópio de neutrinos!)

SNO (Sudbury Neutrino Observatory) Uma tonelada de água pesada D2O ES: x+e- x+e- (todos os s) CC: e + D  p + p + e- (só e ) NC: x + D  n + p + x (todos os s)

 S-K versus SNO (ambos sensíveis aos s do 8B) SSM(x)=5.44 x 106 cm-2s-1 ESSNO=2.39 x 106 cm-2s-1 ESSK =2.32 x 106 cm-2s-1 omitimos errores CCSNO (e) =1.75 x 106 cm-2s-1 NCSNO(x)=5.09 x 106 cm-2s-1 SNO(e) = 1.76 x 106 cm-2s-1 SNO(/) = 3.41 x 106 cm-2s-1  ~ SSM(x)

Resultados do SNO:

Experiment measured flux ratio exp/BP98 threshold energy Years of running Homestake 2.56 ± 0.16 ± 0.16 0.33 ± 0.03 ± 0.05 0.814 MeV 1970-1995 Kamiokande 2.80 ± 0.19 ± 0.33 0.54 ± 0.08 +0.10-0.07 7.5 MeV 1986-1995 SAGE 75 ± 7 ± 3 0.58 ± 0.06 ± 0.03 0.233 MeV 1990-2006 Gallex 78 ± 6 ± 5 0.60 ± 0.06 ± 0.04 1991-1996 Super- 2.40 ± 0.03 ± 0.08 0.465 ± 0.005 ± 0.015 5.5 (6.5) MeV 1996- GNO 66 ± 10 ± 3 0.51 ± 0.08 ± 0.03 1998- SNO 1.75 ± 0.07 ± 0.12 ± 0.05 (CC) 0.347 ± 0.029 (CC) 6.75 MeV 1999- 2.39 ± 0.34 ± 0.16 (ES)

HÁ UMA TRASFORMAÇÃO DE NEUTRINOS, DE UM SABOR e PARA OTRO  o  PORÉM QUÁL É O MECANISMO DESSA TRANSFORMAÇÃO?

a transformação de neutrinos tem sido observada em neutrinos cujas fontes são extraterrestres, o Sol, a atmósfera (ver más adiante). Podemos perguntar-nos se seria possível observar essas oscilações em neutrinos produzidos em fontes de laboratório. Depois de anos de tentativas (os físicos experimentais não descansam ou dormem nos louros), foram observados em 2 experimentos no Japão: K2K e KamLAND. Ambos experimentos são de um novo tipo, chamados de “longbaseline” dado que os neutrinos viajam distâncias de 100-700 kilómetros antes de atingir o alvo. Analisaremos brevemente o KamLAND.

KamLAND (Kamioka Liquid Scintillator Anti-Neutrino Detector) c + p  e+ + n Notar que são c!

Detalhes Balão de 13 mêtros com líqüído centilhante Distância da fonte de neutrinos (reatores) a detetor (S-K): 150 - 200 km (longbaseline) Os e+ são detetados em coincidência com fótons de 2.2 MeV produzidos pela captura do nêutron. (o ruido de fundo tem de ser muito pequeno) 700 anti-neutrinos detetados por ano Importantes para física, geofísica, e astrofísica (por exemplo KamLAND poderá pela primeira vez observar os anti-neutrinos do urânio e do tório do interior da Terra, que supõe-se originam mais da metade do calor da Terra

... KamLAND+ BOREXINO permitirão medir a razão do uranio/tório que determina o calor do planeta, e por isso são de grande importância na física da Terra (tectônica de placas). Esto são pasos hacia uma verdadeira tomografía do interior terrestre

Transformação de neutrinos Há um déficit de neutrinos vindos do sol Qual é a sua explicação? Até recentemente existiam várias possibilidades: momento magnético, novas interações, etc A resposta aceita despois dos dados mencionados acima é:

OS NEUTRINOS TÊM MASSA! E ALÉM DISSO SE MISTURAM ENTRE SI

P(e) = sin22 sin2[1.27 m2 L/E] m2=[m21 - m22] [eV]2 L= distância até a fonte [m] E = energia do neutrino [MeV]

O EFEITO MSW

KamLAND:

RESUMOS DOS NUS SOLARES m212 = m22 – m21  8 x 10-5 eV2 , 12  300 S-K m212  6.9 x 10-5 eV , 12 ~30o KamLAND

Os neutrinos atmosféricos

Super-Kamiokane

Resumo dos s atmosféricos Existe uma transformação de sabor consistente com   Mecanismo: oscilação de neutrinos m223=m23-m22 2 x 10-3 eV2 , 23  45o Confirmação por K2K (experimento de “longbaseline” de 250 km em Japão)

A utilidade dos Neutrinos Em 1954-59 Reines y Cowan “viram” finalmente os antineutrinos do elétron: seção de choque pequena (c + p e+ + n)10-43 cm2: partículas fantasmas! Reator ~2x1014c s-1 kW-1 (atualmente 4 GW, i.e., 1021c s-1) Caminho livre médio L=1/~1014km (1024 protons/cm3).

Desde 1959 ... Foram descobertos mais dois tipos de neutrinos  ,  (permitiu formular o MP) Neutrinos de grande energía: estructura de p, n (nucleons) Confirmar as reações termonucleares, base da evolução estelar (Sol) Neutrinos de supernovas (1987a), Kamiokande, IMB, Baksan (~12 eventos)

... Oscilação de neutrinos em neutrinos de reactores (KamLAND), aceleradores (K2K) y atmosféricos (S_K). Telescópios de neutrinos (AMANDA, IceCube) “The investigation of the neutrino oscillation that is going on all over the world is a new fields of research in particle physics and astrophysics” (Bilenky 2001)

...E cosmología Davis+S-K+SNO+KamLAND+WMAP restricciones a i mi Davis (1955) c+37Cl e- + 37Ar, Não! +37Cl e- + 37Ar, Sim! c ≠  (Dirac) ( )0  c =  (Majorana),  > 1025 años! Leptogênesis  Bariogênesis (cosmologia) Mais adiante

A Assimetria Matéria - Antimatéria Parte III

PLANO - III A antimatéria Primeira surpresa: violação da paridade P Segunda surpresa: violação de CP Cosmologia e bariogênese Propostas: Física de partículas elementares

A ANTIMATÉRIA 1928 Dirac: teoría quántica-relativista do elétron 1929 Hubble descobre a expansão do universo (v=Hr) Existe uma relação entre ambas? talvez Bom: momento magnético “correcto” del electrón Ruim: estados de energía negativa (no físicos), E<0 Estado fundamental (vazio) errado ou a teoria errrada Para férmions: Principio de exclusão de Pauli O estado fundamental correcto: todos os estado com E<0 (buracos) estão cheios, os de E>0 estão vazios

... 1931: Dirac os buracos são um novo tipo de partículas, massa igual à da partículas, carga eléctrica opuesta (a segunda vez que se prevía teoricamente um novo tipo de partícula elemental) Partículas elementales nesses anos: só elétrons e prótons. Os “buracos” seriam os prótons  me=mp!, simetría entre estados con q=e<0, y q=-e>0 (Dirac: interações me≠mp errado!) 1930: Oppenheimer (Tamm) partículas poden aniquilarse com as antipartículas (buracos) a matéria não seria estável!

... 1932: C. Anderson descobre el positrón (Não conhecia a teoría de Dirac) e+ , massa igual à do e- , carga oposta Por qué o mundo está cheio de elétrons e não de pósitrons? PET (POSITRON-EMISSION TOMOGRAPHY) 1933: Pauli en carta a Heisenberg: “I do not believe in the hole theory, since I would like to have the asymmetry between positive and negative electricity in the laws of nature (it does not satisfy me to shift the empirically established asymmetry to one of the initial states)” A simetria discreta “conjugación de la carga”, C, troca matéria em antimatéria e viceversa: “+  -”

QED, interaçõs fortes, porqué não as fracas? são simétricas sob C ... QED, interaçõs fortes, porqué não as fracas? são simétricas sob C Motivou a procura de antiprótons e antinêutrons 1955 Segré et al: p+pp+p+p+pc 1956 Piccione et al: p+pcn+nc As antipartículas são um fenômeno geral, não só para férmions (K0-K0c são bósons) As simetrias discretas paridade P (LR), inversão temporal T (t-t), também eran boas, ... Teorema PCT (teoria quântica de campos locais, etc)

Porém ... la física é uma ciência experimental 1947: Rochester e Butler, partículas extrañas (eventos-V) K0+ -, (méson-) K++ - +, (méson-) K++ 0 O enigma -: ,+ 0, + - + Ambas têm a mesma vida média, espín e massa Debiam ser a mesma partícula. Mas têm paridades opostas!  tem paraidad +1;  tem paridad -1 1956: Lee y Yang A paridade é violada, isso resolvia o enigma -, ambas son K+ Até 1956-57, la paridad y C son violadas en las interacciones débiles,

A primera surpresa ... PX A teoria V-A viola P e C por construção (ainda não sabemos a origem física dessa quebra de simetria) A VIOLAÇÃO DA PARIDADE E DA CONJUGAÇÃO DA CARGA FOI A PRIMEIRA SURPRESA A distinção entre carga eléctrica positiva e negativa, polo norte magnético y polo sur magnético, direita e esquerda é absoluta! Landau: CP é conservada (a chamou de “reflexão forte”) Aqueles conceitos voltaram a ser relativos

Quigg 2003

P y C dão a imagem errada CP a arruma

A segunda surpresa ... CPX A física é uma ciência experimental. Se CP é conservada então ... K0s + -, 0 0, CP=+1, K0L  + - 0, CP=-1 K0L + -, NUNCA! 1964: Cronin, Fitch (Nobel de Física, 1980) K0L + -, uno em mil CP es violada también! A definição de carga elétrica positiva e negativa, polo norte y polo sur, dereita e esquerda é absoluta!

! Essa razão permite: Definir ABSOLUTAMENTE a carga elétrica positiva da negativa (matéria de antimatéria) 2. Definir ABSOLUTAMENTE o polo sul magnético do polo norte 3. Definir ABSOLUTAMENTE direita de esquerda

Quê tem tudo isto a ver com a COSMOLOGIA?

Bom ... A muito tempo (lembrem-se de Pauli) se sabe que o universo está formado pelo que chamamos matéria como prótons, elétrons, ... A antimatéria pósitrons, antiprótons, ...ocorre circunstancialmente no universo, produzida apenas em processos como a interação dos raios cósmicos na atmósfera Não se observa a radiação gama que resultaria da aniquiliação materia-antimatéria Ainda nos raios cósmicos a proporção de antimatéria é ~10-4 Do qué está feito o Universo? … surpresa!

O modelo cosmológico padrão T 1010 t -1/2 K,  R0(t0), T A expansão do universo, lei de Hubble 1929 (Bunsen e Kircchoff !) A radiação cósmica de fundo de microondas 2.7K, 1965 (Penzias y Wilson) A abundância cósmica dos elementos leves (D,3He, 4He,7Li) nucleosintese primordial (BBN) ~ 1s - 3 minutos Medidas recentes das inhomogeneidades do fundo cósmico de microondas (WMAP,...)

Se houvesse apenas matéria Número bariônico, (B): p, n, ... B=+1; pc,nc, ... B=-1 Número leptônico: e-,e, Le=+1; e+,ce, Le=-1; idem L,L O modelo padrão conserva B (os diamantes são enternos), e Li, além de iLi Parâmetro fundamental nB/n~10-10 n400 cm-3 10-20 (teórico) no modelo padrão Flujo medido de p/pc M. Boezio et al Astrophys. J. 581, 787 (2001)

BBN YP = 0.238  0.002  0.005

Bariogênesis (Sakharov 1967) Violação do número bariônico Violação de C e CP Estado fora de equilíbrio termodinâmico

Propostas: Física na escala de Planck Teorias de grande unificação Bariogênesis electrofraca Leptogênesis (modelos 3-3-1?) Oscilação coherente de escalares Todas estas propostas dependem da física de partículas elementares

Por exemplo, da naturaleza das transições de fase do universo Primera ordem Segunda ordem

O problema da Matéria e da Energia Oscura PARTE - IV

PLANO - IV Tipos de partículas segundo suas interações Matéria oscura? Grande unificação e supersimetria Outras propostas Terceira surpresa: o universo está acelerado!

Tipos de partículas segundo suas interações Partículas Int. grav. Int. débil Int. elect. Int. forte Quarks     Leptones    Neutrinos   LIPs(?)  Matsas et al hep-ph/9810456

Matéria oscura? Matéria oscura 70 anos atrás (argumentos gravitacionaies) 1933 Fritz Zwicky > 1970, velocidades de estrelhas isoladas ou gás em galáxias espirais > 1980, matéria oscura não só em galáxias mas no universo tudo! Os únicos candidatos são da FPE O MOND (Modified newtonian dynamics)

A lei de Newton, para os planetas e o sol Extrapolando para a matéria visível em galáxias

Observações Perto de mil galáxias espirais (incluiendo a via Láctea) Outro tipo de galáxias (elípticas, enanas, etc) Medidas de inhomegeneidades da radiação de fundo de microondas (WMAP)

GRANDE UNIFIÇÃO, SUPERSIMETRIA,…

PORÉM... LIPs Axions Escalares de modelos como os 3-3-1, Outras extensões do modelo padrão Modelos MOND que modificam a dinâmica de Newton (aceleração absoluta, difícil generalizar para a TGR

OUTRA SURPRESA:

O UNIVERSO ESTÁ ACELERADO! Supernovas tipo Ia Anisotropia da radiação cósmica de fundo Medidas do conteúdo de matéria

Gravitação: TRG Em 1915 Albert Einstein prôpos a teoría da relatividade geral. As coordenadas não são mais do que parâmetros; a teoría é invariante por transformaciones gerais de coordenadas  é a chamada “constante cosmológica” e parece que ainda é possível que 0! Em 1917 nasce a cosmologia relativista

Das equações de Einstein:

A maior parte da matéria não é bariónica! (é diferente de nós)

O problema da “coincidência cósmica”

Observado:

O futuro do Universo:

Em teoria quântica de campos:

Cortesia da Scientific American Brasil Polarização do Vácuo d Cortesia da Scientific American Brasil

Efeito Casimir no Laboratório Ilustração Esfera de 200-µm de diâmetro a 100 nm de uma superfície plana U. Mohideen e Anushree Roy Phys. Rev. Lett. 81, 4549 (1998) H.B. Chan et al, Phys. Rev. Lett. 87, 211801 (2001) Cortesia da Physical Review Focus

Outro problema:

As pessoas sempre continuarão a procurar pelos mistérios do universo no infinitamente pequeno e no infinitamente grande. No caminho muitas descobertas ajudaram a melhorar o nível de vida da população ... mundial?

DVD inteiro pode ser baixado em menos de dois segundos. Um grupo de científicos europeos e americanos estabeleceram uma nova marca para a Internet 2, a red de alta velocidad que está siendo desenvolvida e utilizada por mais de 200 universidades de diversos paises. Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) e do CERN, a Organização Europea para Pesquisa Nuclear, transfiram 1,1 terabyte (mil billones de bytes) de dados digitais através de 7 mil quilômetros, entre Suiza e os Estados Unidos. A velocidade média atingida, foi de 5,44 gigabits por segundo, é perto de 20 mil vezes superior à da internet de banda larga comercial. Com a nova marca, um DVD inteiro pode ser baixado em menos de dois segundos. Mais informações: www.internet2.edu

Pouco despois de 1932 (Chadwich tinha descoberto o nêutron) G. L Pouco despois de 1932 (Chadwich tinha descoberto o nêutron) G. L. Locher, Biofísico do Instituto Franklin de Pensilvania propôs: A TERAPIA DE CAPTACIÓN DE NÊUTRONS (NCT). Está baseado na reação nuclear que ocorre quando o 10B es irradiado com nêutrons de baixa energia ou nêutrons térmicos. O boro - 10 captura estes nêutrons e emite, despois da reação, núcleos de hélio-4 altamente energéticos (partículas alfa) e ions de Litio-7. El 10B junto a compostos que têm a tendência de alojarse em céçulas cancerígenas (introdzidos intravenosamente) as partículas carregadas têm um caminho livre médio do tamanho das células e energía suficiente para matar o tumor. As células normais como não têm o composto de boro não sofre os efeitos. http://web.mit.edu/nrl/www/bnct/info/descripition/descripition.html http://www.sc.doe.gov/production/ober/msd_bnct.html A Tomografía de Captación de Positrones (PET). requer um equipamento de deteção e de produção de imagens diferente daquele utilizado pela SPECT (Tomografia Computadorizada por Emissão de Fótons Simples). Pode observar-se o cerébro em atividade, ver http://www.triumf.ca/welcome/petscan.html

Leitura consultada e recomendada C. Muñoz, Int. J. Mod. Phys. A (2003)

ME CHAMAN MAESTRO, E INCLUSIVE DOUTOR ... PORÉM AO ENSINAR AOS MEUS ALUNOS NADA FAÇO EM SEU FAVOR FAUSTO