Física de Quarks

Física de Quarks
Manuel Malheiro
ITA
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I – Motivação.
II – A História dos Quarks.
III – O Modelo Padrão – Partículas elementares.
IV – Física de Hádrons.
V – Plasma de Quarks e Glúons.
VI – Estrelas de Quarks ?
VII – Projetos de Pesquisa no ITA
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I- Motivação
• Entendimento das interações fortes (QCD)
• Os quarks como os graus de liberdade fundamentais.
• O estudo da estrutura dos hádrons.
• A busca de um novo estado da matéria, o plasma de quarks e glúons,
no laboratório (RHIC) ou no universo (estrelas compactas).
• Entendimento do diagrama de fase da QCD.
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II – A História dos Quarks
• Murray Gell-Mann ( 1929 - ).
• Raios cósmicos ( 1959 ) e aceleradores ( 1954 ).
• Partículas produzidas aos pares -> forma de um V .
• Estranheza ( S ) -> nº quântico conservado na interação forte e violado
. na interação fraca.
• Partículas estranhas são produzidas aos pares via interação forte.
• A origem da Estranheza? A busca de uma simetria.
•1960 -> muitas novas partículas, Zoológico Subatômico ( Oppenheimer).
• 1961 -> octetos, Simetria SU(3)
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Eight-Fold Way ( Via dos oito preceitos )
Barions
Decoupleto de Barions S=3/2
Mesons
5
Via dos oito preceitos do Budismo
1. Visão correta.
2. Intensão correta.
3. Discurso correto.
4. Ação correta.
5. Vida correta.
6. Esforço correto.
7. Pensamento correto.
8. Concentração correta.
6
„
Yuval Ne´eman – coronel do exército Israelense (1960).
Tripletos – três partículas com carga fracionária.
Bárions
Mésons
7
„
Gell-Mann chamou essas três partículas de QUARKS.
„
A Estranheza = Quark estranho s .
„
„
Origem do nome QUARKS ( James Joyce – escritor irlandês) .
“ Three quarks for muster Mark ”.
„
Quarks são reais ou apenas entidades matemáticas?
„
1969 – Gell-Mann ganha o Prêmio Nobel sozinho!
„
Sinais da existência dos Quarks no SLAC ( 1968 ) .
8
Teoria da Cromodinâmica Quântica - QCD
„
Gell-Mann e Harald Fritzch ( 1972 ).
„
Quarks com 3 cargas fortes = CORES.
( AZUL, VERMELHO, VERDE )
„
„
8 Glúons responsáveis pela força entre os Quarks
( cor – anti-cor )
• Confinamento:
a interação entre quarks aumenta com a distância.
⇒ Quarks livres nunca foram observados.
z
Liberdade Assimptótica:
a interação entre quarks se torna fraca a pequenas distâncias.
(Premio Nobel de Física de 2004).
http://nobelprize.org/physics/laureates/2004/illpres/index.html
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IV – Física de Hádrons
QCD: hadrons são feitos de quarks
quarks formam “sacolas”: baryons e mesons
q
q
q
q
q
Outras combinações são “exóticas” !
Ex: dibaryons, glueballs, híbridos...
tetraquarks e pentaquarks !
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O que é o próton ?
q
q
q
q
q
MIT 1974
3 quarks livres
dentro da sacola
vácuo faz pressão
q
Tokio 2004
3 quarks presos por
cordas em forma de “Y”
vácuo comprime as
linhas de campo
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Excitações do Mar de Dirac
gluon
quark do mar
antiquark do mar
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O próton fica assim :
q
q
q
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V - Plasmas de Quarks e Glúons.
„
Segundo a QCD, um sistema formado por hádrons, ao ser
“aquecido” ou “comprimido”, deve passar por uma transição
de fase, onde os constituintes desses hádrons estariam livres
ou desconfinados.
q
qq
qq
q
qq
q
q
qq
q
qq
q
q q
q
q
q
q
q q
q q
q q
q q qq qq
q
q q qq
q
q qq q q
q q
q q q q
q
q q q q
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Programas Experimentais com Íons Pesados
Relativísticos
s NN (GeV/c)
2000
LHC
200
RHIC
20
SPS
5
AGS
SIS
1
17
•
•
•
•
Beam energy up to 100 GeV/A : 19.6, 62.4, 130, 200 GeV/A;
Two independent rings (asymmetric beam collisions are possible);
Beam species: from proton to Au: Au+Au, p+p, d+Au,Cu+Cu;
Six interaction points: STAR, PHENIX, PHOBOS and BRAHMS
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Por que colidir Íons Pesados a energias
Relativísticas?
„
Estudo do diagrama de fase da matéria nuclear
z Quark-Gluon Plasma:“A locally thermally equilibrated state of
matter in which quarks and gluons are deconfined from hadrons,
so that color degrees of freedom become manifest over nuclear,
rather than merely nucleonic, volumes.”
z
Portanto, precisamos de um sistema denso (em termos de
energia), grande e que atinja o equilíbrio térmico...
20
Os vários estágios da colisão (?)
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Partículas,
partículas e
mais partículas...
Vista frontal e
lateral
do detetor
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Identificação das Partículas no RHIC
PHENIX TOF
STAR
π0 (PHENIX EMC)
STAR
Au+Au
Preliminary
40% to 80%
ρ0
f0
K0S
0.2 ≤ pT < 0.9 GeV/c
ω
K*0
⎯Ξ+
BRAHMS
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Modelos Térmicos
Temperature
Yield
Mass
Chemical Potential
Quantum Numbers
Hagedorn, Becattini, Braun-Munzinger, Cleymans,
Letessier, Mekijan,Rafelski, Redlich,Stachel, Tounsi
Assume: Ideal hadron resonance gas thermally and chemically equilibrated
Recipe: grand canonical ⇒ partition function ⇒ density of particles of species j
Input: measured particle ratios
Output: temperature T and baryon-chemical potential μB
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Modelos Térmicos
Statistical models work well at AGS, SPS, and RHIC
Hint that chemical and thermal equilibrium is reached (but no
proof!)
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Espectro de momento transversal
Dependência
exponencial:
„
2
dydmt
purely thermal
source
T
1/mT dN/dmT
d N
∝e
−
mt
kT
light
heavy
mT
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O Diagrama de fase
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VI – Estrelas de Quarks ?
Novos Telescópios - Satélites
Telescópio Chandra (Space Shuttle Colombia em 23/07/1999)
Observações muito precisas
Pulsares, Buracos negros, Planetas
http://chandra.harvard.edu -Fotos
Buraco Negro Supermassivo
no centro da nossa galactia
Sagittarius A* (6/01/2003)
Animações da Web: supernova, estrela
binária x-ray e buraco negro
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Astrofísica Nuclear – Estrelas Compactas
Formação e evolução estelar
Seqüência Principal
Supergigante Vermelha
Nome
Estrelas de
Nêutrons
Anãs Brancas
Sol
Explosão de
Supernova
M/MSol R (Km) ρ
(g/cm3)
1–2
10 – 12 5 x 1014
1
1
5400
7x 105
3 x 106
1.4
Supernovas
Estrelas de Nêutrons
Estrelas Híbridas. Estrelas de Quarks?
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Explosão Supernova
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Regime de Altas Densidades
Astrofísica Nuclear – Estrelas Compactas
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Estrelas de Quarks?
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STRANGE QUARK MATTER AND COMPACT STARS.
Fridolin Weber (San Diego State U.),
Prog.Part.Nucl.Phys.54:193-288,2005 astro-ph/0407155
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VI – Projetos de Pesquisa no ITA
Íons pesados (RHIC)
Estrelas de Nêutrons
•
Alta temperatura (T ~ 150 MeV)
Temperaturas baixas (T < 1MeV).
•
Baixas densidades bariônicas.
Altas densidades (ρ ~ 10 ρo).
•
Conservação da Estranheza.
Estranheza não é conservada.
•
Não há equilíbrio β .
Há equilíbrio β.
•
•
Os mésons dominam (π, Κ).
Sistema carregado.
Os bárions dominam (nêutrons).
Sistema neutro.
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1. Fase supercondutora de cor na QCD e modelos de quarks
( Marcelo Vidalis e M.M. )
Temperature
Early universe
Tc
critical point ?
quark-gluon plasma
colour
superconductor
hadron gas
nucleon gas
nuclei
CFL
vacuum
ρ0
baryon density
Neutron stars
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2. Efeitos de campo magnético em Magnetars
( Lubianka Ferrari (M) e M.M. ).
3. Estrelas politrópicas carregadas
( Eder Albuquerque (IC) e M.M. ).
4. Espectro mesônico de modelos relativísticos para mésons confinantes.
( Graça Hoinacki (M), Wilson Araújo (PD), Tobias Frederico ).
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5. Estrutura de Bárions em Modelos de Quarks Relativísticos (Estudo de
distribuição de carga e corrente dos quarks no interior do núcleon)
( Edson Suisso (PD), Wilson Araújo (PD), Tobias Frederico ).
6. Teoria Quântica de Campos na Frente de Luz.
Corrente eletromagnética de sistemas compostos, e estrutura da função de
onda para sistemas compostos em termos das suas componentes no espaço
de Fock (componentes exóticas da função de onda de hádrons além da
valência).
( Ádnei Marinho (D), Ediana Gambin (D), Tobias Frederico ).
7. Decaimento semileptônico de híperons e bárions pesados na frente de luz.
( Edson Suisso (PD), Wilson Araújo (PD), Tobias Frederico ).
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