ASTRO-COSMO-PARTÍCULAS Vicente Pleitez IFT-UNESP 2004

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

CONHECER QUE FORÇAS PODEN MANTER ESTE MUNDO UNIDO FAUSTO

I - AS 4 FORÇAS DA NATUREZA

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

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

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

L=L0-1 T=T0 E0=mc2

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 !

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

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

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

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

De Broglie (1923): Broglie=h/mv p=h

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

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

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

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

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.

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

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

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).

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

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, ???

TUDO COMEÇOU EM 1897 J. J. THOMSON: O elétron! http://www.aip.org/history/electron http://www.sciencemuseum.org.uk/on-line/electron/index.asp Em 1911 E. Rutherford descobre o núcleo atômico

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

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

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

Aceleradores:

FERMILAB 6.3 km e Main injector 3.2 km

LEP (LHC) 27 km no CERN

Acelerador linear de Stanford 3 km

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

A partícula 0 foi descoberta nos raios cósmicos em 1949. Foi a primeira partícula “estranha” descoberta numa câmara de nevoa. À direita outras “ressonâncias”descobertas no CERN nos anos 60

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

Aceleradores: usos múltiplos Análise de materiais Espectrometria em ciências ambientais 15 000 aceleradores para implementação de ions, modificação de superfícies, esterilização e polimerização Cirurgia por radiação (gerada por partículas aceleradas) e terapias do câncer

... 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 ...

E não esqueçam: Seus televisores !

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

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

Ressonância magnética nuclear

Terapia por captura de nêutrons pelo Boro

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 …

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

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

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

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

O CAMINHO DO OCTETO

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

Todos os hádrons conhecidos são compostos assim:

Mas, surpresas aconteceram recentemente

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

Quarks * B** Q S C B T massa (MeV) Down (d) 1/3 –(1/3)e 0 0 0 0 5–15 Up (u) 1/3 +(2/3)e 0 0 0 0 2-8 Strange (s) 1/3 –(1/3)e –1 0 0 0 100–300 Charm (c) 1/3 +(2/3)e 0 1 0 0 1000–1600 Bottom (b) 1/3 –(1/3)e 0 0 –1 0 4100–4500 Top (t) 1/3 +(2/3)e 0 0 0 1 180000 *Não incluímos os anti-quarks. **S,C,B e T são números quânticos para diferenciar os diferentes “sabores” dos quarks. ---------------------------------------------------------------------

Lépton * Q Le** L L massa ------------------------------------------------------------- Elétron (e- ) –e 1 0 0 0.5 MeV Neutrino e (e) 0 1 0 0 <3 eV Múon (-) –e 0 1 0 105 MeV Neutrino  () 0 0 1 0 <0.19 MeV Tau (-) –e 0 0 1 1777 MeV Neutrino  ( ) 0 0 0 1 <18.2 MeV *Não incluímos os anti-léptons . ** Le, L, L são números quânticos para diferenciar os diferentes “sabores” dos léptons.

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

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

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)

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

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

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

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 + t0 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

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

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

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

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

a gravitação não é importante a baixas energias, porém O valor de GN implica |FN|  10-40 |FE|  a gravitação não é importante a baixas energias, porém E ~ 1019 GeV Escala de Planck

“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

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!

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

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

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,…

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

DIFICULDADES! Correções à propagação dos fótons, dos elétrons ou à sua interação (vértices) Induzem resultados … INFINITOS! (1930-1949) Tomonaga, Schwinger, Feynman e Freeman Dyson...

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.

... fator g-2 O chamado método (algoritmo) de RENORMALIZAÇÃO permite realizar cálculos teóricos precisos. Por exemplo: (CGS) = 1/137.03599993... Experimentalmente:

... g-2 Podemos agora medir  e depois calcular g-2 com as expressões teóricas anteriores. Usando o efeito Hall quântico obtêm-se 1/137.0360037(27) (precisão de 0.020 ppm) e (g-2)qH =1,159,652,156.4(22.9) x 10-12 Se é usado o efeito Josephson ac obtem-se 1/137.0359770(77) (0.056ppm) e (g-2)acJ =1,159,652,378.0(65.3) x 10-12

... -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 =1/137.03599993(52) um erro estimado de 0.0038 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)

Para o muon, ainda não é completamente conhecido.

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

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

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

A FÍSICA ATRÁS DO ESPELHO

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.

1956 Lee-Yang: Nas interações fracas, o mundo do espelho é diferente exp. comprovado em 1957. Direita – Esquerda Polo norte – Polo sul Carga + – Carga - http://physics.nist.gov/GenInt/Parity/parity.html

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

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”

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:

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

Independência da carga

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)

Simetria de sabor Heisenberg 1932:

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

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

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

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?

CONFINAMENTO DA COR: INTERMEDIADAS PELOS GLUONS:

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

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).

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

Outra forma:

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

As cargas dependem da energia!: QED QCD

Como se chegou a tudo isso?

Como foram descobertos os quarks? e os gluons?

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

Liberdade assintótica na QCD (I. Forte):

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

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 3-3-1 COMO UMA ALTERNATIVA.

GRANDE UNIFICACIÓN, SUPERSIMETRÍA,…

UNIDADE só com supersimetria

PARTÍCULAS ELEMENTALES: 100 ANOS DE DESCOBERTAS

1896: Radioatividade natural, H. Becquerel 1897: O elétron, J. J. Thomson 1900: Hipótese quântica, M. Planck 1905: Teoria da relatividade especial, A. Einstein 1911-1913: O modelo atômico, E. Rutherford, N. Bohr, e A. Sommerfeld 1916-1917, TRG e cosmologia moderna, A. Einstein 1926: Mecânica quântica,Schrödinger, Heisenberg,… 1927: Mecânica quântica relativista: Dirac

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

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

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

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

1995: Descoberta do quark t (“top”) 1998: Super-Kamiokande: neutrinos solares e atmosféricos 2001: Observação direta do  2002-2003: Confirmação das reações nucleares do Sol, SNO, KamLand.

Podemos resumir o anterior no seguinte quadro:

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

http://universeadventure.org/

Leituras recomendadas INTERNET A Aventura das Partículas Elementares http://particleadventure.org/particleadventure/spanish/index.html Searching for the Building Blocks of Matter http://wwwed.fnal.gov/projects/exhibits/searching/ S .Kullander, Accelerators and Nobel Laurates, http://www.nobel.se/physics/articles/index.html

Leituras … INTERNET The ABC´s of Nuclear Science, http://www.lbl.gov/abc

 HYPERPHYSICS: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html

Artigos C. Quigg, The Standard Theory, Fermilab Library Server http://library.fnal.gov/archive/test-fn/0000/fermilab-fn-0731.shtml C. Quigg, The Electroweak Theory, hep-ph/0204104

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