Raios Cósmicos e a Física das Partículas Elementares
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Partículas Elementares: belas, estranhas e charmosas Marcelo M. Guzzo Instituto de Física Gleb Wataghin UNICAMP O que é a Física das Partículas Elementares? A parte da Física que procura responder: Do que a matéria é feita? Como se formam as estruturas que são observadas no Universo? As idéias evoluem… Como se investigam as partículas? Aceleradores (Fermilab) Raios Cósmicos (SuperKamiokande) O que são raios cósmicos? -radiação (e matéria) de diferentes energias , vinda de todos os lados, a todo instante chegam à Terra. Criados a partir de vários mecanismos, podem ter sido originados recentemente (vento solar) ou há bilhões de anos (radiação de fundo). Exemplo Próximo: O Sol - fornecimento de luz (raios gama) com energias diversas. - emissão de prótons, elétrons, núcleos de Hélio etc (vento solar) - vasta emissão de neutrinos (bilhões por cm2 por segundo!) O Sol, visto através de radiação gama Raios X Radiação ultra-violeta O Sol, visto através dos neutrinos solares O que são Neutrinos? Partículas elementares que estão por toda parte! Até o final do seminário cada um de nós terá emitido cerca de 10 milhões de neutrinos! (20 mg de 40K19 que é -radioativo) Na direção oposta, neste exato segundo, recebemos: ¤ 50 bilhões da radioatividade natural da Terra ¤ 10 a 100 bilhões de reatores nucleares pelo mundo ¤ 300 trilhões provenientes do Sol Felizmente os neutrinos interagem muito pouco com a matéria: ¤ 1 neutrino com energia moderada nos atravessa, atravessa o planeta, atravessa 1 ano-luz de chumbo! Com baixa probabilidade de interação. Detectores de Raios Cósmicos Amanda - Polo Sul Auger - Deserto na Argentina Espectro de Energia dos Raios Cósmicos - composição variada: prótons, nêutrons, elétrons, raios gama, neutrinos, etc - fluxo de raios cósmicos varia de valores entre 10 partículas por cm2 por segundo, até valores menores que 1 partícula por km2 por século! - energias que variam de 10-10 J A 50 J (em uma única partícula!!) O Observatório Auger - Projetado para detectar os raios cósmicos de mais alta energia - Localizado próximo aos Andes argentinos, cobre ~3000 km2 de área - Objetivos: a) Deteminar a direção de chegada b) A energia da partícula c) O processo físico que gerou tal energia. Técnica de detecção - em noites muito escuras, é capaz de “ver” o rastro de luz deixado pelas partículas na atmosfera. - em detectores de superfície pode detectar o chuveiro criado pela partícula primária - técnicas de reconstrução permitem recriar a energia, composição e direção de chegada da partícula primária. O que fazem os aceleradores? O que sabemos? O Modelo Padrão: Quarks Quarks não são vistos por aí! O Modelo Padrão: Léptons A matéria é feita por quarks e léptons! Mais partículas bárion componentes de quarks uuu, uud, udd, ddd uus,uds,dds uss,dss sss carga +2, +1, 0, -1 +1, 0, -1 0, -1 -1 massa 1232 1385 1533 1672 méson ´ D D0 F B B0 c K* J/ D* componentes de quarks ud (uu - dd )/ 2 us ds uu+dd-2ss uu+dd+ss cd cu cs ub db cc ud us (uu+dd) / 2 ss cc cd, cu bb carga +1, -1 0 +1, -1 0 0 0 +1, -1 0 +1, -1 +1, -1 0 0 +1, -1, 0 +1, -1, 0 0 0 0 +1, -1, 0 0 massa 139,569 134,964 493,67 497,72 548,8 957,6 1869 1865 1971 5271 5275 2981 770 892 783 1020 3097 2010 9460 César Lattes: descobridor do méson Pi e fundador do Departamento de Raios Cósmicos da UNICAMP Como as partículas interagem entre si? O Modelo Padrão: Interações Exemplos de interações no Modelo Padrão Decaimento beta (ß): Exemplos de interações no Modelo Padrão Ingredientes do Modelo Padrão: O Modelo Padrão quarks SABOR d u s c b t CARGA -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 léptons SABOR e e CARGA -1 0 -1 0 -1 0 MASSA (MeV) 0.511 ? 105.659 ? 1784 ? próton: uud (carga = +2/3 +2/3 -1/3 = 1) nêutron: udd (carga = +2/3 -1/3 -1/3 = 0) mediadores de força: MEDIADOR glúon fóton W Z CARGA 0 0 +1 0 E mais suas antipartículas!! MASSA 0 0 81.800 92.600 FORÇA forte eletro-magnética fraca fraca Comentários Finais: Temos hoje uma visão bastante sofisticada sobre a estrutura íntima da matéria: o Modelo Padrão! Acreditamos também que o Modelo Padrão não deve ser a verdade última: A aventura pelo mundo das Partículas Elementares continua!
