Universidade Federal do Rio Grande do Sul Instituto de Física Prof

Apresentação em tema: "Universidade Federal do Rio Grande do Sul Instituto de Física Prof"— Transcrição da apresentação:

1 Universidade Federal do Rio Grande do Sul Instituto de Física Prof
Universidade Federal do Rio Grande do Sul Instituto de Física Prof. Maria Beatriz Gay Os Segredos da Matéria

2 Crab Nebula Limite de investigação do universo ~ 1026 m
3 x 103 Anos-luz ~ 1016 m 20/09/2018 GFPAE

3 Mais perto! Ótico 10% Radio 1% 20/09/2018 GFPAE

4 Unidades [M] = massa, [L] = comprimento, [T] = tempo
Velocidade da luz: c [c] = [L] / [T] 1 / 2  constante de Planck [ ] [M] [L]2 / [T] Cte de estrutura fina [] = [1] Unidades naturais = c = [L] = [T] ; [M] = [L]-1 Equivalências: 1eV ~ Kg 1 TeV = 103 GeV = 106 MeV = 1012 eV 1 Fermi = 1 F= cm = 5.07 GeV-1 (1F)2 = 1 mb; (1 GeV)-2 = mb Grandeza Fator de conversão Unidade Dimensão Massa 1Kg = 5.61x1026 GeV GeV GeV/c2 Comprimento 1m = 5.07x1015 GeV GeV-1 Tempo 1s = 1.52x1024GeV 20/09/2018 GFPAE

5 Potências de dez 1024 m Cluster de galáxias 1020 m Nuvens de estrelas
1017 m Estrela mais próxima 1012 m Órbita de Júpiter 108 m Distância Terra-Lua 104 m Centro de uma cidade grande 100 m Uma criança 10-4 m Dentro de uma camada de pele 10-8 m DNA 10-12 m Dentro de um átomo 10-16 m Dentro de um próton Vendo o menor p + e- 10 m H 20/09/2018 GFPAE

6 Escala de tamanho 20/09/2018 GFPAE

7 Pesquisa básica A matéria - fração mínima? Arché ~ 25 séculos de busca
Pré-socráticos – os pioneiros Visão Monoteísta – tudo formado pelo átomo (indivisível) Leocipo de Mileto ( a. C.); Demócrito de Abdera ( a. C.) Visão Pluralista – Água, Ar, Terra e Fogo Empédocles de Akragas ( a. C.); Aristóteles de Estagira ( a. C.) Conceitos seguiram pela idade média e renascimento Paracelso ( ) – Médico – Elementos Nicolau Copérnico ( ) Astrônomo Galileu Galilei ( ) Astrônomo Atomistas (Átomos de luz e calor) 20/09/2018 GFPAE

8 Propriedades físico-químicas
Átomo Parte real e indivisível da matéria Pierre Gassendi ( ) - Filósofo Distinção entre átomo e molécula (1647) Robert Boyle ( ) - Físico elementos químicos (1661) Atomismo científico Antoine Lavoisier ( ) 1789 Joseph-Louis Proust ( ) 1799 John Dalton ( ) Químicos Joseph Louis Gay-Lussac ( ) 1809 Amedeo Avogadro ( ) 1811 Relações de massas e volumes de compostos químicos, constituídos de átomos e moléculas Propriedades físico-químicas Staislao Canizarro ( ) Químicos Dmitri Ivanovich Mendeleiev ( ) 1869 Tabela de pesos atômicos e moleculares 20/09/2018 GFPAE

9 Dividindo o indivisível
André-Marie Ampère ( ) Físico Partículas subatômicas Michel faraday ( ) Físico-Químico Eletrólise Svante August Arrhenius ( ) 1884 Teoria iônica Químicos Henri Becquerel 1896 Radioatividade, elétrons Joseph John Thompson ( ) Físico Raios catódicos = e- George Johnstone Stoney ( ) Físico Propõe existência e- P. E. Anton Von Lenard ( ) 1899 Observação e Físicos Ernest Rutherford 1899 Componentes  e  da radioatividade 20/09/2018 GFPAE

10 Unificação das teorias físicas
Newton – Teoria Universal da Gravitação Maxwell – Campo Elétrico Mesma natureza Campo Magnético física Eletrodinâmica Clássica Einstein, Lorentz, Poincaré – Teoria da relatividade especial E = m c2 – equivalência massa-energia – espaço 4d (xi, t) Minkowski Einstein – Teoria da Relatividade Geral (dinâmica gravitacional geometria) De Broglie – Dualidade onda-partícula E = h ,  = c /  Luz e matéria Mecânica – Mecânica Ondulatória – Mecânica Quântica (Schroedinger, Born, Heisenberg, Jordan, Dirac, Pauli) – Teoria Quântica de Campos 20/09/2018 GFPAE

11 d Estágios de elementaridade Aristóteles
Química (18_) Thompson Mendeleev(1869) Tabela-propriedades Rutherford(1911) Estrutura planetária A E= 4 MeV d ~ cm Chadwick(1930) n; Hofstader (1956) e- A Ee- = 200 MeV d ~ cm SLAC(1960) e- p Ee- = 20 GeV d ~ cm Ee ~ 500 GeV Ep ~ 938 GeV d Física Clássica Moléculas Átomos Núcleos Nucleons (p, n) Pártons ? 20/09/2018 GFPAE

12 Física de Partículas Física de Altas Energias
Trata do estudo dos constituintes fundamentais e das interações entre os mesmos. Motivação: Pesquisa básica Investigação metódica da matéria Busca da elementaridade Máxima simetria Porque alta energia? - Alcançar menor escala de distância (radiação de menor  e maior E) - Dispor de energia para criar partículas, mesmo muito massivas (E = m c2) 20/09/2018 GFPAE

13 Raios cósmicos Início física experimental de altas energias ~ 1950 Que são? Primário – núcleos atômicos (H – U) permeando a galáxia Secundário – resultantes das colisões dos primários na estratosfera Basicamente píons – múons (nível do mar) Emulsão Lattes Fotográfica + + +  Occhiallini Chacaltaya Muirhead Powell  - incorretamente interpretado como o quantum da força nuclear;  - proposto por Yukawa – 1935 – para explicar estrutura agregada do núcleo; 20/09/2018 GFPAE

14 Radiação Cósmica  (1947) Primária Partícula de raio cósmico
(p de alta energia) Núcleo de moléculas de ar alta atmosfera 10-20 Km secundária 3x108 TeV Descobertas e+ (1932)  (1947)  (1937) 20/09/2018 GFPAE

15 Como vê-los? Uma fotografia da matéria
Raio cósmico de alta energia colide com núcleo de placa de emulsão Traços do núcleo rompido em várias partículas Aumentando 500 – 1000 vezes (exps. c/ balões, foguetes) p Que tamanho tem? Que massa? mp = 1.67 x Kg rp = m (Atividade de cortar papel – 1 folha – menor corte c/ a mão; /60 m átomo ~ átomo; / 30 m ~ próton) emulsão 20/09/2018 GFPAE

16 Aprendendo a ver melhor
Raios cósmicos energéticos Raios  x núcleo cascata A famosa equação E = m c2 Energia = massa x (velocidade)2  velocidade da luz c = 3 x 108 m/s Para produzir um e- (ou e+) E= (9.11 x Kg) x (3 x 108 m/s)2 = 27,33 x Kg m2/s2 Um par – E ~ 54 x Kgm2/s2 ~ 1 trilhão para aquecer uma gota d’água 20/09/2018 GFPAE

17 Física dos raios cósmicos Teoria Quântica de Campos
Física de Partículas Qual área foi/ é relevante para o desenvolvimento? Simpósios Paris, Chicago, ... Problemas p/ tratar núcleo só com e, p - spin-estatística - descrição espectros - confinar e- no núcleo Mudar leis de conservação ou ... Novas partículas 20- Rutherford – idéia do neutron 32- Chadwick – determinação n  A n Z prótons Z prótons A - Z elétrons A - Z = N neutrons 32- Anderson – e+ ( e+ e-) Câmara de bolhas Física Nuclear Física dos raios cósmicos Teoria Quântica de Campos 20/09/2018 GFPAE

18 Personagens – partículas observadas
Férmions: Léptons: G + EM + F e-, -, - (e+, +, -) F e, ,  (s’) Bárions: G + EM + F + Forte p, n; ressonâncias N, , , , ,  spin 1/2, 3/2 , ... Bósons: Fóton: G + EM  Bósons fracos: G + EM + F W+, W-, Z0 Mésons hadrônicos: G + EM + F + Forte , , , D, B, , , , f, J/, , ’,  Léptons: sem subestrutura Hádrons: com subestrutura - quarks 20/09/2018 GFPAE

19 Classificação Quantas Partículas? Quantas Interações? Elementaridade?
Classificação das partículas momento angular intrínseco Estatística-spin (Pauli 1940) # quântico spin Estatística de Fermi-Dirac Férmions – spin semi-inteiro (1/2 , 3/2 , ...) Princípio de Exclusão de Pauli (já está na tabela de Mendeleev)  Antisimétrica férmions idênticos (2 férmions não podem existir no mesmo estado quântico) ||212=| |221 Probabilidade  = +  20/09/2018 GFPAE

20 Classificação Estatística de Bose-Einstein
Bósons – spin inteiro (o, , 2 , ... ) Não obedece princípio de exclusão  simétrica – 2 bósons idênticos –  =  Antipartícula – Para toda partícula existe uma antipartícula de mesma massa, mesmo spin mas com carga e momento magnético opostos. e- e+ Dirac (i p – m)  = 0 * (i p + m) = 0 conjugada 20/09/2018 GFPAE

21 Propriedades Estabilidade  e-,  , p+ estáveis
n p + e- + e Decaimento  Pauli, em 1933, propõe , com spin ½, Q = 0 e m= 0 Demais decaem  e+ + e +   + +  Conservações Energia; Momento Momento Angular Carga; n leptônico; n bariônico; spin isotópico; estranheza; charme (não nas fracas S = 1, C = 1, ...) ... 20/09/2018 GFPAE

22 Conservações  e+ + e- n p + e- + e l 1 -1 b c
e- A + B, e- menor carga violaria conservação da carga p  + + , Viola n leptônico Questões em aberto: GUT – p decaimento 1031 anos Supersimetria n p + e- + e l 1 -1 b  e e- c 20/09/2018 GFPAE

23 Píon Primeiro intermediador da interação nuclear
Alcance cm – intermediador massivo Alcance – intermediador de massa nula  (eletrodinâmica)  – spin 0 ; m ~200 me Méson de Yukawa, Berkeley Syncro-cyclotron Como decai? Interação fraca; tempo de vida 10-8 s 20/09/2018 GFPAE

24 Mais partículas Também  0 2 ; +, -,  0 Potenciais p p; n p
Em laboratório - híperons - partículas instáveis; m > mp  p +  -;  p +  0 n +  + Como?  - + p  +  0   0 +  - + p viola conservação de s; escala de tempo longa; i interação fraca  + + n =  + K Produção associada K- } s= -1, K+ } s= conservação de s (estranheza)  - + p  + K  = p +  K0 =  + +  - Experiências em câmaras de bolhas de hidrogênio (p) 20/09/2018 GFPAE

25 Neutrinos Lépton sem carga elétrica e com massa muito pequena
Atravessam a Terra em linha reta, sem interagir nenhuma vez Decaimento do neutron formando um próton, um elétron e um anti-neutrino Proposto devido a não conservação da energia (Wolfgang Pauli) Possuindo massa, contribuem fortemente para a massa total do Universo, afetando sua expansão 20/09/2018 GFPAE

26 Colidindo prótons Elástico Inelástico Aprendendo sobre as interações
20/09/2018 GFPAE

27 Interação Alta energia – desvendar natureza matéria hadrônica
Escala unificação – Big-Bang +E Matéria e+ e- ; jatos, hadronização antes depois Matéria Energia <n> 20 10 Matéria Energia E 20/09/2018 GFPAE

28 Hádrons Interagem fortemente Bárions – QQQ Mésons – Q Q
p u u d  u d n u d d K u s  u d s  c c Quarks – carga fracionária – sabores u, d, s, c, b, t. u, d I = ½ I ½, - ½ dubleto isospin; hipótese de invariância de isospin para interações entre hádrons compostos por u e d. |Bárion> (++ = |u u u >) |Campo Méson> 20/09/2018 GFPAE

29 Cor 3 - carga de cor forte (analogia carga elétrica)
SU(3)c (Espectroscopia) Quarks (tem cor) e os glúons são os mediadores da interação forte. Origem do 3? Hádrons tem cor nula : mésons cor-anticor 20/09/2018 GFPAE

30 Quarks Livres (?) Liberdade Assintótica DIS Hádrons Confinados
QCD – cromodinâmica quântica – SU(3)c Constante de acoplamento  (Q2) depende da energia DIS vê liberdade assintótica pequena distância Um potencial? –k1/r liberdade assintótica k2r confinamento Hadronização confinamento linhas de força de glúons 20/09/2018 GFPAE

31 DIS l + n l + X Quadrado de quadri-momentum de  * do
momentum transferido * energia q = k – k’; Q2 = -q2 = - (k-k’)2 Massa total invariante quadrado W2 = (p + q)2 = M2 – Q2 + 2 M Bj variável de escalonamento x = Q2 / 2 p. q = Q2 / 2 M Experimentos em referencial de laboratório, para alvo fixo = p . q / M = E – E’ y = (p . q) / (p . K) =  / E S = (p + k) R= l / T R= l / T 20/09/2018 GFPAE

32 Teoria Unificada (eletrofraca) W+, W-, Zo
1967- Modelo GWS – Previsão Bósons vetoriais massivos (1958 L- L) 1979- Prêmio Nobel – Teoria Unificada Eletrofraca 1983- p p – UA1 e UA2 – Descoberta W e Z ECM ~ 540 GeV Sinal W – Eventos com “energia faltante” indicando presença de neutrinos () Processo fundamental W e+ + e p p Drell-Yan q q u W+ d W- u Zo d Z0 u, d, , – disponíveis 20/09/2018 GFPAE

33 Interações Confrontar alcance da interação com a massa mediador com a massa do mediador 20/09/2018 GFPAE

34 Forças Fundamentais * Não detectados experimentalmente Interação
Constante Propagador Abrange Gravitacional GN me2/e2 Grávitron * Todas as Partículas ~ N Spin? Ñ massivo Fraca W+, W-, Z0 Léptons Spin 1 + ~ F Massivos Hádrons Eletro Magnética  (fóton) =1/137 ~10-2 Estrutura Fina Ñ massivo Forte Glúon * ~ 10 Yukawa * Não detectados experimentalmente 20/09/2018 GFPAE

35 Unificação Eletricidade U(1) Magnetismo SU(2) x U(1) Força Fraca
SU(5), O(10)? Força Forte Supercordas(?) Gravidade 20/09/2018 GFPAE

36 Grandes descobertas  W+, W-, Z t 20/09/2018 GFPAE

37 Gerações  u ... e- , d  c ... - , s  t ... - , b SU(2) x U(1)
SU(3)C  u e , d  c  , s  t  , b 20/09/2018 GFPAE

38 Produção de um quark Nesta representação artística de uma colisão entre partículas, um próton e um anti-próton colidem em alta energia para produzir quarks top e antitop. 20/09/2018 GFPAE

39 Quark Top (representação de evento)
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40 Massas dos quarks 20/09/2018 GFPAE

41 O que é a matéria? Experimentos no Fermilab e no SLAC ajudaram a definir o próton como a partícula no interior do núcleo do átomo, e os quarks como a subestrutura do próton. O Fermilab é um laboratório que descobriu os quarks pesados – o quark bottom, em 1977, e o quark top, em 1995. O estudo do quark top, poderá contribuir para provar o porque da matéria ter massa 20/09/2018 GFPAE

42 Acelerando partículas E = mc2 E m
1 grama = 6 x 1026 MeV 1 eV = 1.6 x gr 1 MeV = 1.6 x gr me = MeV mp = MeV Tevatron p A eV LEP e p 100 GeV LHC p p 14 TeV 20/09/2018 GFPAE

43 Acelerador de Altas energias LHC, HERA – alvos nucleares em estudo
Partículas Energia Característica LEP (CERN) e+ e- 48 Gev x 48 Gev Circular 27 Km (LEP x100) Tristan (Japão) 30 Gev x 30 GeV Circular 3 Km Tevatron (Fermilab) p p 1 TeV x 1 TeV Circular 6,5 Km HERA (DESY) e- p 30 GeV x 820 GeV Circular SLC (SLAC) 50 GeV x 50 GeV Linear 3,2 Km LHC (CERN) 8 TeV x 8 TeV Circular (em construção ~ 2007) RHIC (BNL) A A 100 GeV x 100 GeV Também alvos nucleares [RHIC, (LHC, HERA em estudo)] em operação operação 20/09/2018 GFPAE

44 RHIC – Relativistic Heavy Ions Collider
Acelerador de partículas circular em BNL (Brookhaven) Au Au v ~ c Colisão frontal – quark glúon plasma – hadronização Estado da matéria no universo todo poucos micro-segundos após o Big-Bang Desastre? Criação de um buraco negro (grande concentração de matéria) Gravidade – velocidade de escape c Luz não escapa Grande BN # pequeno BN – evapora rapidamente Efeito MQ radiação > restrição vescape 2Au teriam que ser comprimidos (muito) para formar concentração requerida para mini BN. 20/09/2018 GFPAE

45 Anéis 20/09/2018 GFPAE

46 Túnel 20/09/2018 GFPAE

47 Detector 20/09/2018 GFPAE

48 Clusters 20/09/2018 GFPAE

49 Análise de eventos 20/09/2018 GFPAE

50 Colaborações 20/09/2018 GFPAE

51 Universo Fascinante conjunto de aceleradores de partículas extraterrestre Espectro de raios cósmicos GeV Próton de raio cósmico – próton nuclear estacionário Colisão ~ 106 GeV 106 GeV ~ 100 CERN LHC 100 eventos de raios cósmicos 104 m2 detector 108 eventos / segundo LHC LEP (e+ e-) – 1989 – 45 GeV – 100 GeV (288 cavidades supercondutoras) L ~1031 cm2 s-1 20/09/2018 GFPAE

52 Big Bang (George Gamow – 1948)
Universo concentrado em um único ponto que se expandiu devido a uma grande explosão (10 – 20 bilhões de anos atrás) Prova mais importante: descoberta da radiação de fundo (~ 300 KeV) Teoria do Universo Estacionário: Universo não teria início; a matéria está sendo constantemente formada Observações astronômicas indicam que o Universo expande-se ~ 5% a cada bilhão de anos 20/09/2018 GFPAE

53 Matéria Escura Especula-se que não consiste em mais do que 1/6 da matéria total existente no Universo Existência através da atração que exerce sobre a matéria luminosa comum Do que é feita? Velocidade da galáxia cresce e chega a um valor aproximadamente constante, sem diminuir na borda (contrariando a formação de um Universo feito apenas por átomos) Todos os tipos de galáxia possuem esse comportamento Composta por partículas sub-microscópicas exóticas, muito diferentes dos p e e- que formam os átomos normais Grupos de pesquisa: Universidade da Califórnia; Gran Sasso (Itália), ... Sua eventual detecção abrirá uma nova janela para a física de partículas 20/09/2018 GFPAE

54 Projeto Auger Pretende estudar a origem dos raios cósmicos ultra-energéticos (Zévatrons – 1021 eV) Energia (~0,32 ZeV) maior do que o limite imposto pelas teorias existentes (~0,06 ZeV) 1 Zévatron por Km2 por século!! Observatórios que cobrem muitos quilômetros, com mais de 1600 detectores Dois observatórios: Utah (EUA) e Mendoza (Argentina) Brasil participa desde 1995 20/09/2018 GFPAE

55 Futuro + Energia Higgs Susy GUT Tecnologia (GRID) 20/09/2018 GFPAE

56 glúons, glúons, glúons (DINÂMICA)
Desafios: Astropartículas Ondas gravitacionais (espaço: Hz; Terra: Hz) supernovas, estrelas binárias compactas Formação, acreção, superposição BN Massivos (1-10 milhões massas solares) Busca de matéria escura ’s oscilações Higgs, Shiggs et al. Cordas – mundo normal LAST BUT NOT THE LEAST QCD a alta densidade glúons, glúons, glúons (DINÂMICA) 20/09/2018 GFPAE

57 Conclusão Provar a estrutura da matéria profundamente através dos laboratórios de colisões de altas energias revela a física como nos primeiros instantes do universo Os experimentos atuais simulam condições 10-10s após o Big Bang 20/09/2018 GFPAE

58 20/09/2018 GFPAE