astro-cosmo-partículas - Instituto de Física Teórica
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ASTRO-COSMOPARTÍCULAS 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 subnuclear ► 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: 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 Radiação (ondas) ► Partículas: Leis de Newton ► Radiação: teoria eletromagnética, equações de Maxwell ► Partículas 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: 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). ► Partículas METODOLOGIA DA FÍSICA DE PARTÍCULAS ELEMENTARES ► Radioatividade ► Raios natural 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 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 Up (u) 0 0 0 0 1/3 +(2/3)e 0 0 0 5–15 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) 0 0 180000 1/3 +(2/3)e 0 1 *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- ) Neutrino e (e) Múon (-) Neutrino () Tau (-) Neutrino ( ) –e 1 0 0 0.5 MeV 0 1 0 0 <3 eV –e 0 1 0 105 MeV 0 0 1 0 <0.19 MeV –e 0 0 1 1777 MeV 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. 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 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) ► Invariância Tipos de Simetrias ► Discretas (paridade) ► Continuas (rotações) ► Globais (fases) ► Locais (de gauge), Abelianas ou nãoAbelianas ► Simetrias unitárias (globais o locais) … temporal t -t ► Conjugação da carga: partícula antipartícula ► CP ► CPT ► Inversão 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 xx+a p Tempo absoluto t t + t0 E Orientação absoluta Velocidade absoluta x x´ L vv+w Direita absoluta x -x Futuro absoluto t -t T Carga absoluta q -q C Fase absoluta P 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 MM | F | G r 1 N N 2 2 GN=6.673(10)x10-11 GeV-2 O valor de GN implica |FN| 10-40 |FE| a gravitação não é importante a baixas energias, porém 2 GM 1 h N Escala de Planck P E ~ 1019 GeV “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 G G T g N 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 QQ |F | r 1 E 2 2 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 a 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 a; o erro teórico é mesmo pequeno! ±1.2. Podemos inverter, usar a teoria para calcular a (ou seja a carga do elétron, por Millikan!). Fazendo isso se obtêm a=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) M M m Ee 2M 2 2 A B A 2 e c 1930: Pauli “n+” 2 37 Cl Ar e 37 e 1933 E. Fermi: Interação de 4 férmions (V) L( x) G ( O )( O ) H .c. P F p i n A paridade (x - x) é conservada e i 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 L( x) G ( O )[ O (c c´ ) ] H .c. NP F p i n e i 5 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 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 E Coulomb : a r 0.731 MeV 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: p N SU (2) n O MODELO PADRÃO DAS INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS Simetrias, campos locais,lagrangeanas,... SU (3) SU (2) U (1) S C L Y 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 uu, 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 e L 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 u i d L i c i s L i t i b L i ui R, ci R, ti R, di R, s bi i R, i=1,2,3 (cores) “L” (e R) implica a violação da paridade Leptons e e L L L e, , , , , R R R eR R R R Outra forma: O mecanismo de Higgs 0 V Re i Im 0 0 V(+ ) = 2 + + (+ )2 0 As cargas dependem da energia!: 2 e a hc QED a ( ) a (Q ) a ( ) Q 1 log 3 2 2 2 2 2 QCD a (Q ) a ( ) 2 2 S S a ( ) Q 1 (33 2n ) log 12 2 2 S g 2 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”, 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: O que tem a ver o anterior com: A história e destino do Universo? Resumida assim: 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/testfn/0000/fermilab-fn-0731.shtml ► C. Quigg, The Electroweak Theory, hepph/0204104 Livros V. Ezhela et al. (Eds.), Particle Physics One Hundred Years of Discoveries, AIP Press, 1996. ► V.
