Introdução à Física de Altas Energias
Propaganda
Introdução à Física de Altas Energias São Paulo Regional Analysis Center Introdução à Física de Altas Energias SPRACE Programa Introdução Uma visão geral das partículas e suas interações Aceleradores e Detectores Como explorar o interior da matéria Base Experimental da Física de Altas Energias Do experimento à teoria com o aval da Natureza Aspectos Gerais do Modelo Padrão Um pouco de teoria Desafios para o Futuro A evolução da área e benefícios secundários Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 2 Uma Visão Geral das Partículas e suas Interações São Paulo Regional Analysis Center Introdução à Física de Altas Energias SPRACE Do que é feito o Universo China Antiga – "Teoria dos 5 Elementos” : • metal, madeira, água, fogo e terra → constituiriam toda a matéria do universo. • ∼ 5.000 anos atrás (reino de Huang Di) • Citados no livro Shang Shu ou Shu Jing (“O Livro de História), um dos 6 clássicos compilados por Confúcio. • Descrição via cinco elementos → anterior à criação dos caracteres da escrita chinesa. • Antiga mas não corresponde à realidade! Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 4 Do que é feito o Universo? Empédocles (490-430 AC) – Modelo simples e econômico – Pena que esteja errado! Mendeleiev (1834-1907) – Está correto – Pena que seja muito complicado Partículas Elementares (Sec. XX) – Simples – Correto (até o momento) Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 5 Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 6 Do Átomo aos Quarks 10-9 Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 7 Férmions: Léptons Elétron: – 1897 Thomson Múon: – 1937 Neddermeyrer, Anderson Tau: Massa (Gev) Carga Neutrino do Elétron < 2,2 x 10-9 0 Elétron 0,000511 -1 Neutrino do Múon < 170 x 10-6 0 Múon 0,106 -1 Neutrino do Tau < 15,5 x 10-3 0 Tau 1,777 -1 Sabor Introdução à Física de Altas Energias – 1975 Perl Neutrino do Elétron – 1956 Cowan, Reines Neutrino do Múon – 1962 Lederman Neutrino do Tau – 2000 DONUT Collab., Fermilab SPRACE 8 Férmions: Quarks Up, Down, Strange – 1964 Gell Mann Charm – 1974 Ting, Richter Sabor Massa (Gev) Carga Up 0,002 2/3 Down ~ 0,005 -1/3 Charm 1,3 2/3 Strange ~ 0,1 -1/3 Top 173 2/3 Bottom 4,2 -1/3 Introdução à Física de Altas Energias Bottom – 1977 Herb et al. Top – 1995 CDF, DØ SPRACE 9 Massas u d s c b t p Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 10 Famílias Os diferentes sabores aparecem em famílias – 2 Léptons / Família – 2 Quarks / Família Anti-partículas: Mesma massa e spin Carga, sabor, cor opostas Por que 3 Famílias? – Somente a primeira seria “suficiente” p (uud) + n (udd) + e = matéria usual Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 11 Propriedades Gravitacional Fraca Eletromagnética Forte Massa e Energia Sabor Carga Elétrica Carga de Cor Partículas que sentem Todas Quarks e Léptons Partículas Carregadas Quarks e Glúons Partículas Intermediárias Gráviton (?) W+ Z0 W- γ Glúons Intensidade a ~10-17 m 10-41 10-4 1 60 Infinito 10-18 m Infinito 10-15 m Interações Atua em Alcance Eletrofraca Eletromagnética q γ + e - e q e+ e+ Fraca Carregado e Neutro u W d e- νe νe Zo - e e+ - e Introdução à Física de Altas Energias d e+ e- SPRACE e- q' g q e- q' g q Zo W u q e+ + e e γ - - Forte q g g q' q' g g 16 g g g g g 12 Bósons Intermediários Fóton – 1923 Compton WeZ – 1983 UA1 e UA2 Collab. (CERN) Glúon – 1979 MARKJ/TASSO/PLUTO/JADE (Desy) Introdução à Física de Altas Energias Sabor Massa (Gev) Carga Fóton 0 0 W+ 80,39 1 Z0 91,19 0 W- 80,39 -1 Glúon 0 0 SPRACE 13 Resumo: Partículas e Interações Léptons Forte Carga Elétrica Tau -1 0 Tau Neutrino Muon -1 0 Muon Neutrino Elétron -1 Elétron Neutrino 0 Quarks Glúons (8) Eletromagnética Fóton Quarks Mesons Barions Núcleo Átomos Luz Química Eletrônica Fraca Gravitacional Carga Elétrica Bottom Strange Down -1/3 2/3 Top -1/3 2/3 Charm -1/3 2/3 Up cada quark: R, B, Gráviton ? Sistema Solar Galaxias Buracos Negros G 3 cores Introdução à Física de Altas Energias SPRACE Bósons (W,Z) Decaimento do Nêutron Radioatividade Beta Interação dos Neutrinos Brilho do Sol 14 Modelo a Quarks Murray Gell-Mann e George Zweig – Introduziram o modelo a quarks: – Bárions (próton, nêutron, etc) e mésons (píon, kaon, etc) seriam compostos de partículas mais fundamentais, os quarks. – Haveria 3 “sabores” de quarks: up, down e strange. – Os quarks teriam spin ½ e carga 2/3, -1/3 e -1/3. – Bárions seriam compostos de 3 quarks: próton = u + u + d nêutron = u + d + d – Mésons seriam compostos de um par quark-antiquark píon = ū + d Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 15 Bárions: Férmions Compostos (qqq) Nome Quarks Carga Massa (Gev) Spin p próton uud +1 0,938 1/2 p antipróton uud ―1 0,938 1/2 n nêutron udd 0 0,940 1/2 Λ lambda uds 0 1,116 1/2 Ω ômega sss ―1 1,672 3/2 Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 16 Mésons: Bósons Compostos (qq) Nome Quarks Carga Massa (Gev) Spin π+ píon ud +1 0,140 0 K― káon su ―1 0,494 0 ρ+ rô ud +1 0,776 1 B0 B-zero db 0 5,279 0 ηc eta-c cc 0 2,980 0 Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 17 Alcance e Intensidade T ≈ t-1/2 λ =h/p -10 10 m ≤ 10 eV > 300.000 anos 1900.... -15 10 m MeV-GeV 10-16 m >> GeV Z -18 10 6 Leptons eνe 6 Quarks u d m ≈ 100 GeV ≈ 3 min ≈ 10 -6 seg -10 ≈ 10 seg Mecânica Quântica Física Atômica 1940-50 Electrodinâmica Quântica 1950-65 Núcleos, Hadrons Simetrias, Teoria de Campos 1965-75 Quarks, Teorias de Gauge 1970-83 SPS Unificação Eletrofraca, QCD 3 famílias νµ ντ τ 1990 LEP c s t b 1994 Tevatron Quark top µ 3 "Cores" Origem das massas 10 -19 m ≈ 10 3 GeV Decaimento proton 10 -32 m ≈ 10 Origem Universo 16 ≈ 10 -12 seg 2008 LHC GeV ≈ 10 -32 seg Lab Subterrâneos Grand Unified Theories ? 10 -35 m ≈ 10 19GeV ≈ 10 -43 seg ?? Introdução à Física de Altas Energias Higgs, Supersimetria SPRACE Gravitação Quântica Superstrings 18 História do Universo Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 19 Unificando as Forças Mecânica Terrestre Gravitação Universal Inércia e Massa Gravitacional Mecânica Celeste + Eletricidade − (Newton, 1687 ) Eletromagnetismo Ondas Eletromagnéticas (fóton) N S Magnetismo γ γ νe e- Eletrofraca Eletromagnetismo Bosons Intermediários W, Z p n (Maxwell, 1860 ) Força Fraca (Salam, Glashow, Weinberg, 1970-83 ) Explorar distâncias cada vez menores revela simetrias cada vez mais profundas Descrição unificada das interações? Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 20 Algumas Questões Ainda Não Resolvidas Matéria X Antimatéria – Apesar de terem sido criadas em igual quantidade no início do universo, porque vemos praticamente apenas matéria atualmente? Origem da Massa – Seria possível compreender de forma mais profunda a origem da massa de todas as partículas? Seria realmente o mecanismo de Higgs o responsável por essa massa? Matéria Escura – Uma forma invisível de matéria domina a matéria observada nas galáxias e clusters. Seria constituída de um novo tipo de partículas? Universo em Aceleração (Energia Escura) – A expansão do Universo parece estar acelerando. Existira uma nova interação ou dimensões extras do espaço? Introdução à Física de Altas Energias SPRACE 21
