Constituintes Fundamentais da Matéria. - Instituto de Física

Partículas e Núcleos
Curso: Física Nuclear e de Partículas
Conteúdo:
Particles and Nuclei
Povh,Rith,Scholz,Zetsche
Springer Verlag,1995
Introdução.
2. Propriedades Globais do Núcleo.
3. Estabilidade Nuclear.
4. Espalhamento.
5. Formas Geométricas do Núcleo.
6. Espalhamento Elástico Elétron-Núcleon.
7. Espalhamento Profundamente Inelástico.
8. Quarks, Glúons e a Interação Forte.
9. Produção de Partículas no Espalhamento e+e-.
10. Fenomenologia da Interação Fraca.
11. Modelo Padrão.
12. Aplicações.
1.
Introdução
“
“
“
“
“
Constituintes Fundamentais da Matéria.
Interações Fundamentais.
Simetrias e Leis de Conservação.
Experimentos.
Unidades.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
A Física de Partículas, a Física Nuclear e a
Cosmologia:
têm
•A Física Nuclear e a de Partículas
contribuído de maneira decisiva para a
compreensão do mundo que nos cerca.
•As concepções modernas sobre a origem do
Universo e sua evolução estão fundamentalmente
correlacionadas com a nossa compreensão sobre
aspectos estruturais e dinâmicos da Física
Nuclear e da Física de Partículas.
•A Ciência e seus Primórdios.
•
- 1550 DC: Primórdios - A Física dos nossos Ancestrais: contribuições
importantes dos Gregos.
• O pensador grego Empédocles foi o primeiro a classificar os elementos como fogo,
ar, terra e água, similarmente à classificação de Aristóteles.
• Os chineses na Antigüidade acreditavam que os cinco componentes básicos do
universo físico eram terra, madeira, metal, fogo e água. E, na Índia, o Samkhyakarikas de Ishvarakrsna (terceiro século D.C.) afirmava que os cinco elementos
básicos eram o espaço, ar, fogo, água e terra.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•A Ciência e seus Primórdios.
• A “Ciência Grega: Demócritos e Leucipo. Modelo atômico da
matéria. O vácuo como o nada absoluto. O átomo inquebrantável e
indestrutível.
Por definição há cor,
Por definição há doce,
Por definição há amargo,
Mas na realidade há átomos e
espaço.
-Demócrito (c. 400 AC)
Átomos da natureza:
quarks e léptons
Em grego a palavra átomo ("atomon")
significa "que não pode ser dividido".
Mas as entidades que nós chamamos de
átomos são as partículas fundamentais!
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•A Ciência e seus Primórdios.
• O Princípio atômico e sua influência na ciência moderna: o exemplo de Richard
Feynman.
• O materialismo e o princípio atômico: o conceito de unidades fundamentais, as
partículas elementares, os átomos modernos. Princípio materialista concebe a
“existência” de elementos fundamentais e universais que compõem toda a
matéria do Universo. Combinações diferentes destes elementos fundamentais
realizam tudo que conhecemos, dos elementos orgânicos e vivos aos nãoorgânicos.
• A concepção grega do vácuo ou “nada” que se antepõe ao “algo”.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•A Ciência e seus Primórdios.
• 1550 - 1900 : A Revolução Científica e a Mecânica Clássica.
• Apogeu no fim do século 19: mecânica Newtoniana. Descrição
compreensiva do mundo físico. Integração com diferentes áreas da
física: termodinâmica, mecânica estatística; eletricidade e magnetismo,
e ótica.
• Conceito de Tempo absoluto.
absoluto Leis físicas absolutamente determinísticas.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•A Ciência e seus Primórdios.
• 1550 – 1900 e pós 1900 : A Revolução Científica e a Mecânica Clássica.
• Influência da Física nos mais diversos campos de atuação humana:
Grandes descobertas e invenções: ciência básica
intrinsicamente correlacionada com as tecnologias
emergentes e com os meios de produção.
Descobertas que influenciaram as comunicações, os meios de transporte, os
meios de produção e até mesmo, modernamente, a configuração do sistema
capital-trabalho.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•A Ciência do Século Passado.
• 1900 - 1964 : Física Quântica e Relatividade:
• Na mudança do século 19 para o século 20: visão clássica da realidade sofreu
contestações e revisões profundas:
•
Conceitos de tempo e vácuo modificam-se. Tempo é grandeza não absoluta.
Vácuo não é o nada absoluto. Espaço e tempo: grandezas intrinsicamente
correlacionadas.
• Matéria, em nível microscópico, é quantizada.
• Eventos físicos não são absolutamente determinísticos:
determinísticos concepções
probabilísticas determinam a “possibilidade” de um determinado evento
ocorrer.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•A Ciência do Século Passado.
• 1900 - 1964 : Física Quântica e Relatividade:
• Os princípios fundamentais da Relatividade e Mecânica Quântica
impulsionaram uma descrição revolucionária da realidade. Espaçotempo relativisado.
• Suas conseqüências aparecem no altíssimo e complexo grau de
entendimento científico do mundo que nos cerca.
• Sua influência se estende aos mais diferentes aspectos da
intelectualidade: a tecnologia; a cultura; a filosofia e até mesmo a
política.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
Modelo atômico grego: concepção chave na
evolução da ciência até o século passado.
Concepção materialista sofre contestações de
natureza física e filosófica: quarks livres
jamais foram observados!
Concepção zen: partículas elementares
inexistem! Materialismo dialético!
Concepções materialistas grego-ocidentais
versus concepções filosóficas orientais?
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•
1964 - Presente: Modelo Padrão - resultado de imensos
esforços experimentais e teóricos desenvolvido nos últimos 50
anos.
O Modelo Padrão é uma teoria que engloba as partículas e as forças
fundamentais. Buscamos, através deste modelo, explicações envolvendo do que o
mundo é feito e o que o mantém unido. Contudo, ainda existem muitas questões a
serem respondidas.
Do que o Mundo é Feito? Por que tantas coisas neste mundo compartilham as mesmas
características? As pessoas concluíram que a matéria que compõe o mundo é na verdade um
conglomerado de alguns blocos fundamentais de construção da natureza. A palavra
"fundamental" é a chave aqui. Entendemos por blocos fundamentais de construção objetos que
são simples e sem estrutura -- não são constituídos por nada menor. Mesmo na Antigüidade,
as pessoas procuravam organizar o mundo ao seu redor em elementos fundamentais, como
terra, ar, fogo e água.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
Os cientistas logo perceberam que poderiam
classificar os átomos em grupos que
compartilham propriedades químicas similares
(como na Tabela Periódica dos Elementos).
Elementos Isso
indicava que os átomos eram compostos de
simples blocos de construção, e que esses
blocos em diferentes combinações é que
determinavam quais átomos teriam quais
propriedades químicas
Além disso, experimentos que "olharam" o
interior de um átomo usando sondas de
partículas indicaram que os átomos tinham
estrutura e que não eram somente bolas
permeáveis. Esses experimentos ajudaram os
cientistas a determinar que os átomos têm um
minúsculo núcleo denso, positivo e uma nuvem
de elétrons negativos (e-).
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•
1.
2.
1964 - Presente: Modelo Padrão.
Quais são os constituintes fundamentais da matéria?
Como são categorizados?
3.
Como interagem uns com os outros?
4.
Qual deve ser a formatação de uma teoria físico/matemática das
partículas elementares?
5.
Desde a descoberta do elétron, e mais particularmente nos últimos 50
anos, tem havido um imenso esforço, experimental e teórico, na busca
de respostas a estas questões.
6.
Modelo Padrão: resultado deste esforço. toda a matéria no Universo é
constituída de férmions elementares interagindo através de campos
elementares (mésons e glúons, os bárions e os quarks e fótons, os
léptons (+ portadores das interações fraca e gravitacional)), dos quais os
férmions são as suas fontes.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
The Standard Model:
Model É uma união de teorias específicas que buscam estruturar
uma teoria geral compreensiva com o propósito de descrever as centenas de
partículas e as interações complexas entre elas a partir de algumas entidades
fundamentais:
•6 quarks.
•6 leptons.
•Partículas portadoras das forças.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Modelo Padrão.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
1.Testado em muitos colisionadores: ex. Large
Hadron Collider do CERN.
2.Campos dos bósons: tratados como campos
clássicos. Campos dos Férmions: campos anticomutantes.
3.Contacto com a experimentação: teoria é
quantizada.
4.Renormalização: muitos dos cálculos e
conseqüências da teoria são examinados na
teoria quântica em diferentes ordens de
perturbação; quando são considerados
processos em ordens mais baixas da teoria de
perturbação, não é necessário considerar
renormalização.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
Questões em
aberto:
•Como a gravidade se encaixa em tudo isso?
•Por que existem exatamente três gerações de quarks e léptons?
•O que é toda esta matéria extra (matéria estranha, matéria escura...) no
universo que não podemos explicar usando métodos normais?
•Por que o Modelo Padrão não pode prever a massa de uma partícula?
O Modelo Padrão responde a muitas das perguntas sobre a estrutura e a
estabilidade da matéria com seus seis tipos de quarks, seis tipos de léptons,
e quatro forças. Mas o Modelo Padrão não está completo; ainda existem
muitas perguntas sem resposta.
•Por que vemos mais matéria do que antimatéria se deveríamos ter simetria
(igualdade) entre as duas no Universo?
•Os quarks e léptons são realmente fundamentais, ou são constituídos de
partículas mais fundamentais?
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•
1.
2.
3.
1964 - Presente: Modelo Padrão.
Consistente com a relatividade especial, combinado com a teoria
quântica de campos, teorias de Dirac, Feynman, Schwinger,
Tomonaga, Dyson e outros.
É um modelo que combina diferentes modelos e teorias específicas
de campos interagentes.
Consistente com princípios de simetria, leis de conservação e as
diferentes fenomenologias.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Escalas da Hierarquia da Estrutura da Matéria.
eV
Átomo
3,0
Núcleo
10-10m
Átomo de Sódio
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Escalas da Hierarquia da Estrutura da Matéria.
Núcleo
MeV
3,0
Núcleons
10-14m
Núcleo de Chumbo
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Escalas da Hierarquia da Estrutura da Matéria.
Próton
GeV
0,3
Quarks
10-15m
Próton
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
Dysprosium, Seaborgium, Rutherfordium
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
HISTORIA DO UNIVERSO
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
HISTORIA DO UNIVERSO
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
Partículas descobertas desde 1898:
•Constituintes Fundamentais da Matéria.
•Interações Fundamentais.
As Quatro
Interações
O que Mantém o Mundo Unido?
O universo que conhecemos existe porque as partículas fundamentais interagem.
Essas interações incluem forças atrativas e repulsivas, decaimento e aniquilação.
Existem quatro interações fundamentais entre as partículas, e todas as forças no
mundo podem ser atribuídas a essas quatro interações!
Qualquer força que se possa pensar -- atrito, magnetismo, gravidade, decaimento
nuclear, e assim por diante-- é causada por uma dessas quatro interações
fundamentais.
As Forças da Natureza.
Interação Eletromagnética
Interação Forte
e-
eγ
e-
_
d
u
GVERMELHO - VERDE
e_
d
u
π+
•Interações Fundamentais.
Interação Fraca
As Forças da Natureza.
_
ν
Próton
eu
u
d
u
d
d
W-
n
_
p + e- + ν
Nêutron
•Interações Fundamentais.
Interação Fraca
As Forças da Natureza.
_
ν
Próton
eu
u
d
u
d
d
W-
n
_
p + e- + ν
Nêutron
•Interações Fundamentais.
Fundamental
Eletrofraca
Sensível à
Atua em
Mediadores
Massa
Energia
Todas as
Partículas
g
Carga
Elétrica
Quarks e Partículas
Léptons Carregadas
Sabor
Carga
de Cor
Quarks e
Glúons
Residual
Carga
Forte
Hádrons
W-,W+,Z0
γ
Glúons
Mésons
25
Não aplicável
a quarks
60
Não aplicável
a quarks
Intensidade
10-18m
10-41
0,8
1
3x10-17m
10-41
10-4
1
10-36
10-7
1
qq
pp
Não aplicável
20
a Hádrons
•Interações Fundamentais.
Força eletromagnética:
simetria U(1)
e-
•Conservação de carga elétrica e
massa nula do fóton relacionadas
ao grupo U(1).
•O 1 refere-se ao fato de que só há
um único tipo de fóton.
e-
γ
•O fóton não pode transformar uma
partícula de um tipo em outra de
outro tipo.
As Forças da Natureza.
•Interações Fundamentais.
As Forças da Natureza.
Eletromagnetismo: QED :: Modelo para outras teorias.
Conceito de força: intimamente conectado ao conceito de carga.
Carga elétrica: propriedade atribuída a uma partícula que “responde” a
uma força eletromagnética.
Intensidade de carga elétrica: quantidade da carga determina o grau de
resposta.
Lei de Coulomb: força (interação) entre duas cargas elétricas puntuais q e
Q, separadas por uma distância r:
FC ~ q Q / r2
•Interações Fundamentais.
Eletromagnetismo: quão intensa é a interação eletromagnética?
Medida absoluta desta intensidade: constante de acoplamento α da QED :: com uma
medida absoluta é possível realizar comparações de intensidades de forças de
natureza distintas.
FC = (1/4πε0) q Q / r2 = (1/4πε0) ze Ze / r2
α ≡ FC r2 / hc = [(1/4πε0) zZe2 / r2][ r2 / hc ]
hc: quantidades fundamentais na estrutura do mundo
quantum-mecânico = 197,32 MeV fm
e2/4πε0 = 1,44 MeV fm Z = z = 1
α = 1.44 / 197,32 = 7.29779 X 10-3
α = 1/137,027
As Forças da Natureza.
•Interações Fundamentais.
QED: interação entre partículas carregadas mediada pela troca de fótons,
quanta da interação eletromagnética.
Fóton: partícula sem carga nem massa,
que viaja no v ácuo com a velocidade da luz.
Ação à distância: noção problemática (instantaneidade de propagação de sinal;
velocidade de propagação com velocidade infinita, não causal, entre outras)
substituída por uma noção em que a interação é confinada a dois eventos puntuais:
emissão e absorção do fóton.
Violação da lei de conservação de energia E e momentum p: duas partículas
carregadas estacionárias trocam fótons (balança de torção) , fótons estes que
carregam E e p.
Entretanto: para partículas estacionárias, valores de E e p não mudam. Como
explicar que E e p de partículas estacionárias não mudam e que, no entanto, os
fótons trocados carregam energia e momentum?
•Interações Fundamentais.
Fóton: partícula virtual.
Princípio de Incerteza de Werner Heisenberg: “permite” a violação
da lei de conservação de E e p, desde que violação seja retificada
segundo a condição: ∇E ∇t ~ h .
Partículas estacionárias mantém os valores de E e p originais:
princípio de incerteza determina a magnitude da violação.
Partículas Virtuais: vácuo não
é meramente espaço vazio ::
partículas virtuais podem ser
“criadas” e “aniquiladas”
“espontaneamente”.
•Interações Fundamentais.
Polarização do Vácuo: e- real “embebido” em uma nuvem
de fótons virtuais; estes podem por sua vez
c
decair em pares virtuais e- e+ .
Fótons têm pouco efeito.
c
c
c
c
c
c
e- e+ : partículas virtuais são polarizadas :: cargas virtuais negativas
repelidas pela carga negativa real e cargas virtuais positivas atraídas
pela carga negativa real. Carga do elétron real “blindada”, na região de
curto alcance, por cargas virtuais positivas.
α
α = 1/137
a = 10-8 cm
Alcance a
Carga nua do elétron é muito
maior do que a carga medida
do elétron
infinito
•Interações Fundamentais.
•QCD: Quantum chromodynamics.
Teoria moderna da interação forte.
•Raízes: na física nuclear e no estudo da estrutura de prótons e
nêutrons e suas interações.
•Presentemente: QCD é utilizada para descrever experimentos a altas
energias.
•No passado: esta atividade era denominada de “teste da QCD”.
Foco: “entender a QCD”
e não “testar a QCD”!
•Interações Fundamentais.
•Sucesso da QCD: hoje falamos de "calculating QCD backgrounds”.
•Exemplo: a descoberta dos bósons W e Z, mediadores da
interação forte, ou do quark “top”, enfrentaria mais dificuldades e
incertezas sem um entendimento preciso, confiável e consistente
da QCD.
•Futuro: busca da partícula de Higgs, manifestações de
supersimetria entre outras.
•Interações Fundamentais.
•Linguagem pictórica de Feynmann:
expandida da QED.
QCD representa uma visão
•Na QED: apenas um tipo de carga.
•Na QCD: três tipos de carga – “cores”: vermelho, verde e azul.
•Cores: propriedades análogas à carga elétrica. Além de fração da
carga elétrica, quarks carregam carga de cor.
Cor e carga
de cor
Cor: Conservada em todos os processos físicos.
Glúons: mediadores da interação de cor
(photon-like massless particles).
•Interações Fundamentais.
Glúons: quanta da interação forte, têm massas nulas como
os fótons:: alcance da interação: infinito. Possuem a
propriedade de confinamento.
Férmions elementares: léptons e quarks. Partículas de spin
1/2 descritas, quando isoladas, pela equação de Dirac.
Léptons não sofrem interação forte. Quarks interagem
através de todas as forças da natureza.
•Interações Fundamentais.
•Comportamento da constante de acoplamento da
interação forte (running coupling "constant“) αs,
predita pela QCD: αs decresce com o crescimento
da energia e momentum. Isto é denominado de
liberdade assintótica (asymptotic freedom).
•A curva em vermelho mostra a dependência em Q
predita para αs (magnitude do quadri-momentum
transferido nos vértices das partículas fortemente
interagentes).
•Input empírico: intensidade do acoplamento entre um par de quarks
e um glúon virtual, para valores da massa do bóson Z0; o
espaçamento laranja reflete a incerteza nestes valores.
•A teoria tem concordância excelente com uma grande variedade de
experimentos.
•Interações Fundamentais.
Os quanta da interação fraca, são os bósons eletricamente
carregados W+ e W- e o bóson neutro Z, descoberto no CERN em
1983. Como eles carregam massa, a interação fraca é de curto
alcance.
Pelo Princípio da Incerteza, uma partícula virtual de massa M pode
existir por um tempo
E t ~ h ≈ Mc2 t ~ h :::> t ~ h/ Mc2.
Este é o tempo que a partícula pode viajar uma distância da ordem
t ≈ d/c ≈ h/ Mc2
d ~ hc/ Mc2.
MW : 80 GeV / c2 ; MZ : 90 GeV / c2;
alcance da interação fraca: 10-3 fm.
•Interações Fundamentais.
•Interações Fundamentais.
FIM
Da 1a. Parte da Introdução
Do Capítulo 1