Introdução à Física de Partículas
              e à Cosmologia

         do Infinitamente pequeno…ao Infinitamente grande!...
RESSALVA


Estas são aulas sobre Física de Partículas e Cosmologia.

      Cobre aproximadamente 100 anos de ideias,
     ...
O facto mais incompreensível sobre o Universo
é de que este é compreensível.	


(Albert Einstein, 1879-1955)
Teoria Cinética,          Electro-                            Mecânica
       Termodinâmica            magnetismo


      ...
Nos idos 1890s, muitos físicos acreditavam que a Física estava
finalmente completa, sendo a natureza descrita pela mecânic...
1900


Universo = Sistema solar e estrelas à nossa volta (*)

Não se sabia como o Sol produzia a sua Energia

Nada se sabi...
1                                 PARTÍCULAS                                        1897

                                ...
PARTÍCULAS                   1905




A Existência dos Átomos ficou provada
PARTÍCULAS                                            1911




Ernest Rutherford (dta.) e
Hans Geiger(esq.) em Manchester
...
PARTÍCULAS                                     1911



                                    Analogia com o dia-a-dia:

    ...
PARTÍCULAS                                1913

                     J. J. Balmer (1885) mediu o espectro de emissão do Hi...
PARTÍCULAS                                      1922-1927

Demorou-se ainda 10 anos para começar a compreender as misterio...
PARTÍCULAS                               1922-1927


                    Princípio de Incerteza

                    Se as...
PARTÍCULAS                                         1922-1927

                                                         Des...
PARTÍCULAS                                1922-1927

Spin

- Experiência de Stern-Gerlach (1922)

estados de rotação intrí...
PARTÍCULAS                                          1928


Com a Física Quântica foi possível explicar a estrutura na Natu...
PARTÍCULAS                               1932

Mas então, de que é feito o núcleo ?

exemplo: He-4 tem Z=2; as outras 2 un...
PARTÍCULAS


            Espectro de Partículas
             Elementares (1932)




neutrão             protão           e...
Teoria Cinética,          Electro-                            Mecânica
       Termodinâmica            magnetismo


      ...
2                        Interacções                                   1900

O que mantém juntos os átomos e os núcleos?

...
Lembram-se? em 1900, havia apenas 2 ‘nuvens’ no horizonte da Física:




                        1) Radiação do Corpo Negr...
Interacções                     Electromagnetismo
    Fotão!

Radiação do Corpo Negro

                           “Corpo N...
Interacções                       Electromagnetismo
  Fotão!

                   um “Acto de Desespero”
                  ...
Interacções                              Electromagnetismo
        Fotão!

     1902              O Efeito Fotoeléctrico
 ...
Interacções                             Electromagnetismo
      Fotão!


        “a minha Única contribuição revolucionári...
Interacções                                Relatividade

Relatividade Restrita

Einstein pensou na estrutura do ‘meio’ par...
Interacções                              Relatividade




                                              c²t² = v²t² + w²

...
Interacções   Relatividade

  CAUSALIDADE


  Nada pode andar
  mais depressa do
      que a luz




Só acontecimentos no
...
Interacções                  Electromagnetismo



                  Equação de Dirac: relatividade restrita+física quântic...
Interacções                    Electromagnetismo



     Duas previsões cruciais de Dirac (teóricas):

A Função de Onda te...
PARTÍCULAS                     1936




         Descoberta do Positrão

                  Dirac estava certo!



Anderson...
Interacções                        Electromagnetismo


     AGORA O VÁCUO FICOU MESMO CONFUSO!

Física Quântica diz que ‘o...
Interacções                     Electromagnetismo

    Como calcular a interacção entre fotões e electrões?

       Emergi...
Interacções                              Electromagnetismo
1934 - 1948

                    QED: Electrodinâmica Quântica
...
1948
                                   Interacções                             Electromagnetismo

                  Fluct...
Interacções                             Electromagnetismo

     QED: Partículas carregadas interagem trocando fotões


1) ...
3                          Interacções                          Raios-X + Radioactividade
1895: Wilhelm Conrad Roentgen (1...
Interacções                                         Interacção Fraca
 Mistério nas transições nucleares (A,Z)(A,Z+1) + e-...
Interacções                                Interacção Fraca

Que teoria para o declíneo beta?

                          n...
Interacções                      Interacção Forte

  E quanto à Interacção Forte: porque é que há núcleos coesos?!
       ...
Teoria Cinética,          Electro-                            Mecânica
       Termodinâmica            magnetismo


      ...
4                       O Universo


Antes do séc.XX, o Universo parecia um local calmo. Não acontecia grande coisa.


   ...
Universo                               1823



                        “Paradoxo” de Olbers
                         Heinr...
Universo                                  1907

    Princípio de Equivalência

    F = mI !                     F = mG g

...
Universo                   1915

O caminho mais curto no espaço definido pelos raios de luz.
 Elevador acelerado: luz segu...
Equações Rel. Geral

              1915
Universo   1915




Confirmado por Sir Arthur Eddington
       Ilha do Príncipe, 1919
Universo                   1915


Friedmann escreveu a evolução do
Universo em função da escala a(t)


As suas equações re...
Universo                              1927




              George Lemaitre (1927)!
             Todo o Universo Expande!...
Universo

A questão crucial é a massa (densidade de energia) do Universo. À partida, pode
      tomar qualquer valor. Cont...
Universo

       Einstein não gostava de um Universo ‘dinâmico’.

         Acreditava num Universo estático e eterno.


Ma...
Universo                                        1929

EXPANSÃO DO UNIVERSO!




                                          ...
Universo

Observação de muitas estrelas e galáxias revelou factos espantosos:

O Universo é o mesmo em qualquer direcção e...
Universo                                                 1948

               11948: O Modelo do 'Big Bang'* para o início...
Teoria Cinética,             Electro-                            Mecânica
       Termodinâmica               magnetismo


...
Universo                                1912


        Em 1912, primeiras sugestões de um universo violento apareceram



...
5                                      PARTÍCULAS
                                      Tecnologias                       ...
PARTÍCULAS
                             Tecnologias                                        1931 - 1955



Aceleradores (2)...
6                               PARTÍCULAS                                         1937

Depois da previsão de Yukawa da e...
PARTÍCULAS                                    1947


 Descoberta do pião (carregado)




                  Ouff!




 Ceci...
PARTÍCULAS   1948




LEPTÕES




HADRÕES
PARTÍCULAS                             1950- 1968
            Jardim
           Zoológico"
                             Co...
PARTÍCULAS                  The Eightfold Way (1963)
                                            SU(3)–Classificação basea...
PARTÍCULAS                                          1973

  Carga de côr               Δ++ =     u     u     u            ...
PARTÍCULAS                                1973




LEPTÕES




QUARKS
Constroem
os hadrões



                            ...
7      Electrofraca
                                     Interacções                      1958 Glashow

       Havia um pe...
Electrofraca
                             Interacções                                               1968


ν              ...
Electrofraca
                              Interacções                                1973

Descoberta das correntes neutr...
Electrofraca
                                 Interacções                                                1983


          ...
Electrofraca
                    Interacções                                1970

        Artigo de Referência (Glashow, I...
PARTÍCULAS                                              1974

E o quark c (charm – encanto) foi descoberto pouco depois :
...
Teoria Cinética,             Electro-                              Mecânica
       Termodinâmica               magnetismo
...
Leptões
                         PARTÍCULAS                                       1975

SLAC (Martin Perl)           Desco...
Quarks
                                   PARTÍCULAS                                                   1977



Descoberta ...
Quarks
                        PARTÍCULAS              1995


                                       u    c       t
Descob...
Neutrinos
                           PARTÍCULAS                                   1956



                  A História dos...
Neutrinos
                                    PARTÍCULAS                                             1962


              ...
Neutrinos
                                 PARTÍCULAS                    2000


 Descoberta do neutrino do tau
           ...
O MODELO PADRÃO (2006)
Peter Higgs
                                Mecanismo de Higgs

                            Como é que as partículas ganha...
LARGE HADRON COLLIDER


LHC ARRANCOU EM 10/09/2008 e em 20/11/2009




     Novas respostas!...Novas perguntas!
Colisões em LHC
Universo
O Cosmos no LHC
•  As condições do Universo logo após o
   Big-Bang serão recreadas no LHC.




                 ...
History of Our Universe
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Universo	

Estudo da Radiação Cósmica de Fundo (COBE)
            (Prémio Nobel 2006)



                                 ...
Universo	

A mais precisa observação hoje (WMAP)
O Mistério da
 Matéria Escura
        velocidade das estrelas (v)
     raio r



                                         ...
Matéria Escura na Colisão de Galáxias
© CHANDRA X-RAY OBSERVATORY




                                                 Mat...
Matéria Escura também aqui na
    nossa Galáxia!
    M100 ≅ Milky Way                © COBE             Milky Way




    ...
O Mistério da Energia Escura
  Cientistas estudaram supernovas distantes para
    estimar a variação da expansão do Univer...
Oops…NÃO está diminuindo!
  •  A Expansão do
     Universo está
      acelerando!

•  Algo se sobrepõe
     à gravidade!
 ...
Evidência para EE!




                        fainter
 E mais recentemente:
 Luminos. diminui




 Densidade
Não-Matéria
...
EE na Radiação Cósmica de Fundo
Verificação Independente!
                            Fotografia bebé do Universo
        ...
Então, de que é feito o Universo?!



       ??!



             ?
Como poderá LHC ajudar?
•  Bosão de Higgs ? Se existir deve permear o U.


 •  Encontrar Supersimmetria, se existir: o mel...
Conclusões

 Partículas Elementares                   Cosmologia

   A Origem da massa               A Expansão do Univers...
Obrigado pela vossa atenção!
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Introdução à Física de Partículas e à Cosmologia - do infinitamente pequeno... ao infinitamente grande!

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Apresentação do Prof Dr Pedro Abreu na sessão de trabalho "Radiação Cósmica" de 21 de Novembro de 2009 na Amadora

Publicada em: Educação
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Introdução à Física de Partículas e à Cosmologia - do infinitamente pequeno... ao infinitamente grande!

  1. 1. Introdução à Física de Partículas e à Cosmologia do Infinitamente pequeno…ao Infinitamente grande! Pedro Abreu LIP/IST Lisboa, Portugal Adapted from talks given by Rolf Landua and Angel Uranga at CERN
  2. 2. RESSALVA Estas são aulas sobre Física de Partículas e Cosmologia. Cobre aproximadamente 100 anos de ideias, teorias e experiências Mais de 50 galardoados com o Prémio Nobel Muito difícil ser completo, exacto ou profundo Apenas breve perspectiva das descobertas principais
  3. 3. O facto mais incompreensível sobre o Universo é de que este é compreensível. (Albert Einstein, 1879-1955)
  4. 4. Teoria Cinética, Electro- Mecânica Termodinâmica magnetismo Electromagnético Fraco Forte Detector Acelerador 1 1895 Fotão" 1905 Geiger Raios Cósmicos Nuvens Galáxias; Expansão do Universo Ciclotrão 2 Matéria Escura Sincrotrão Zoo
 Bubble Partícu- las" Colisão e+e- Radiação Cósmica de Higgs Fundo (Micro-ondas) Wire chamber Arrefecimento GUT Online computers 1975 MODELO PADRÃO SUSY Colisão p+p- Supercordas Detectores Modernos! Anisotropias RCF (COBE, WMAP) WWW Energia Escura (?) GRID
  5. 5. Nos idos 1890s, muitos físicos acreditavam que a Física estava finalmente completa, sendo a natureza descrita pela mecânica, termodinâmica, e pela teoria de Maxwell do electromagnetismo. Tudo o que falta fazer em Física resume-se a preencher o valor da 6ª casa decimal (Albert Michelson, 1894) Mensagem à British Association for the Advancement of Science, 1900 :! Não há nada fundamentalmente novo para ser descoberto. Tudo o que há a fazer é medir com mais precisão…! (Lord Kelvin, 1900)! Mas Lord Kelvin também mencionou ʻnuvensʼ William Thomson no horizonte da Física:
 (Lord Kelvin) 1) Radiação do Corpo Negro! 2) Experiências de resultado nulo de 
 (Albert )Michelson – (Edward )Morley!
  6. 6. 1900 Universo = Sistema solar e estrelas à nossa volta (*) Não se sabia como o Sol produzia a sua Energia Nada se sabia sobre a estrutura atómica ou os núcleos Só duas áreas conhecidas: gravidade, electromagnetismo Ninguém anticipou a incrível jornada em Física nos 100 anos que se seguiram (*) não havia o conceito de galáxias
  7. 7. 1 PARTÍCULAS 1897 Eléctrodos D+E : campo eléctrico Solenóides exteriores: campo magnético Cátodo J.J. Thomson Experiências com Tubo de Raios Catódicos (~TV) 'Raios' são corpúsculos carregados* com uma única razão carga/massa *mais tarde denominados 'electrões' Electrões são partículas sub-atómicas! Modelo do átomo (1904) ‘Pudim de passas’
  8. 8. PARTÍCULAS 1905 A Existência dos Átomos ficou provada
  9. 9. PARTÍCULAS 1911 Ernest Rutherford (dta.) e Hans Geiger(esq.) em Manchester Geiger e Marsden dispararam partículas alfa (4He) sobre folhas Ouro 1 em 8000 partículas alfa voltaram para trás (ângulo > 90°) Isto não podia ser explicado pelo ‘Modelo do Pudim de Passas' Explicação de Rutherford: toda a carga positiva do átomo está concentrada num núcleo central! À distância mínima D, repulsão de Coulomb = energia cinética => D ~ 27 ×10-15 m (valor real: 7.3) Descoberta do Núcleo
  10. 10. PARTÍCULAS 1911 Analogia com o dia-a-dia: Se o átomo tivesse o tamanho de um estádio de futebol, O núcleo teria o tamanho da cabeça de um alfinete no centro do campo e uma questão para mais tarde: Que força vence a poderosíssima força de repulsão eléctrica ? Como podiam os electrões andar à volta do ? núcleo sem perder energia ? ? O Núcleo é feito de quê ? quase-modelo de Rutherford para um átomo vazio
  11. 11. PARTÍCULAS 1913 J. J. Balmer (1885) mediu o espectro de emissão do Hidrogénio A sua fórmula empírica: Niels Bohr visitou Rutherford em 1913 foi o 1º a aplicar as ideias de quantificação aos átomos • Quantificação do Momento Angular => Níveis de Energia • Emissão de radiação só durante as transições • Energia da radiação = diferença dos níveis de energia
  12. 12. PARTÍCULAS 1922-1927 Demorou-se ainda 10 anos para começar a compreender as misteriosas regras do mundo sub-atómico: Mecânica Quântica. Partículas que se comportam com ondas! Louis de Broglie (1924) *hipótese confirmada (1927) por difracção de electrões (Davisson/Germer)
  13. 13. PARTÍCULAS 1922-1927 Princípio de Incerteza Se as partículas também são ondas, então tem de existir um limite para a precisão nas medidas simultâneas de: Posição e Momento Heisenberg (1925) Analogia: Medida do tempo Δt de um sinal leva a uma incerteza na frequência (Transform. Fourier): Δf Δt ~ 1 Energia e Tempo
  14. 14. PARTÍCULAS 1922-1927 Descrição Excelente para Função de Onda de Probabilidade v << c Partículas = Ondas => descritas por uma Equação de Ondas De E=T+V=(P2/2m)+V, e com Schrödinger 1926 Ψ = função complexa (onda): Interferência! Nível de energia Interpretação (Bohr, 1927): Ψ = Amplitude de probabilidade |Ψ |2 = Ψ*Ψ = Probabilidade Funções de onda do electrão no átomo de H (‘ondas 3D estacionárias')
  15. 15. PARTÍCULAS 1922-1927 Spin - Experiência de Stern-Gerlach (1922) estados de rotação intrínsecos da partícula, polarização esquerda ou direita da onda Ψ -  Kronig; Uhlenbeck, Goudsmit (1925): “spin”: +1/2, -1/2 (x h/2π) -  Pauli (1924): Princípio de Exclusão: apenas 2 electrões em cada orbital Fermiões e Bosões - Fermiões: Partículas com spin semi-inteiro (electrão, protão, etc) Obedecem ao Principio de exclusão de Pauli: Não podem existir 2 fermiões no mesmo estado quântico - Bosões: Partículas con spin inteiro (fotão, etc) Não se aplica o princípio de exclusão de Pauli. Sistemas de bosões no mesmo estado quântico (p.ex. laser) => Impenetrabilidade da matéria
  16. 16. PARTÍCULAS 1928 Com a Física Quântica foi possível explicar a estrutura na Natureza Natureza das Ligações Químicas Linus Pauling (1928) Átomos, Moléculas e a origem da estrutura foram compreendidas. E o núcleo atómico? Não houve grandes progressos de 1911 - 1932.
  17. 17. PARTÍCULAS 1932 Mas então, de que é feito o núcleo ? exemplo: He-4 tem Z=2; as outras 2 unidades de massa são de quê ? Heisenberg: Protões e electrões (4 protões e 2 electrões)? Não pode ser: o princípio de incerteza não permite a presença de electrões no núcleo! Chadwick (1932): o neutrão Da cinemática: Massa do neutrão ~ massa do protão O que mantém o núcleo coeso? Força forte de alcance reduzido?
  18. 18. PARTÍCULAS Espectro de Partículas Elementares (1932) neutrão protão electrão Simples, fácil de fixar Ainda ensinado nas Escolas
  19. 19. Teoria Cinética, Electro- Mecânica Termodinâmica magnetismo Electromagnético Fraco Forte Detector Acelerador 1895 1905 Fotão" 3 2 Raios Geiger Cósmicos Nuvens Galáxias; Expansão do Universo Ciclotrão Matéria Escura Sincrotrão Zoo
 Bubble Partícu- las" Colisão e+e- Radiação Cósmica de Higgs Fundo (Micro-ondas) Wire chamber Arrefecimento GUT Online computers 1975 MODELO PADRÃO SUSY Colisão p+p- Supercordas Detectores Modernos! Anisotropias RCF (COBE, WMAP) WWW Energia Escura (?) GRID
  20. 20. 2 Interacções 1900 O que mantém juntos os átomos e os núcleos? 1900: conhecidas duas interacções fundamentais: G1 1 FG = GN m1m2 2 r 1 FE = K E Q1Q2 2 r E1 Gravidade Electromagnetismo Semelhanças: ambas variam com o inverso do quadrado do raio ambas têm alcance muito elevado (ilimitado) ambas descritas por Campos Vectoriais (G1 e E1) Diferenças: as intensidades são muito diferentes (38 ordens de grandeza!)
  21. 21. Lembram-se? em 1900, havia apenas 2 ‘nuvens’ no horizonte da Física: 1) Radiação do Corpo Negro" 2) Experiências Michelson-Morley" William Thomson A sua investigação levou à (Lord Kelvin) - Teoria Quântica - Relatividade
  22. 22. Interacções Electromagnetismo Fotão! Radiação do Corpo Negro “Corpo Negro” absorve toda a luz incidente; re-emite radiação em equilíbrio térmico: P~T4 “Função de Radiação” = Intensidade (frequência) = f(T) apenas <E> Energia média de osciladores (proporcional à temperatura) Ok para temperaturas baixas (Rayleigh-Jeans) Emission spectrum e para frequências baixas.
  23. 23. Interacções Electromagnetismo Fotão! um “Acto de Desespero” Osciladores (nas paredes do corpo negro) 14 Dezembro 1900 emitem apenas ‘bocadinhos de energia’ =h h = nova constante fundamental Frequências maiores  bocados maiores, e portanto é menos provável obter E >> kT Energia média osciladores Max Planck
  24. 24. Interacções Electromagnetismo Fotão! 1902 O Efeito Fotoeléctrico Raios catódicos (electrões) são produzidos quando a luz incide em superfícies metálicas. Esperava-se que a Energia do electrão fosse proporcional à intensidade da luz Philipp von Lenard Mas: Energia proporcional à frequência (declive “h”) “A energia do electrão não mostra a mais pequena dependência com a intensidade da luz”
  25. 25. Interacções Electromagnetismo Fotão! “a minha Única contribuição revolucionária” 17 Março 1905 Luz é emitida e absorvida em quanta Emax = h - W “1 quantum de luz dá toda a energia a 1 único electrão.” (Compton,1917, provou isto) Albert Einstein
  26. 26. Interacções Relatividade Relatividade Restrita Einstein pensou na estrutura do ‘meio’ para as ondas electromagnéticas Os seus postulados: 1) Velocidade da Luz = constante; 2) Todos os referenciais inerciais são equivalentes. Mas como é que se podia ter a mesma velocidade da luz em todos os referenciais inerciais?! As suas conclusões: Como c = constante, e velocidade = (espaço/tempo) --> espaço e tempo não podem ser absolutos!
  27. 27. Interacções Relatividade c²t² = v²t² + w² t²(c² - v²) = w² 1) Dilatação do Tempo, Contracção do espaço 2) Modificação das Leis de Newton, Massa efectiva aumenta!
  28. 28. Interacções Relatividade CAUSALIDADE Nada pode andar mais depressa do que a luz Só acontecimentos no “cone de luz” podem estar relacionados por uma relação de causa-efeito
  29. 29. Interacções Electromagnetismo Equação de Dirac: relatividade restrita+física quântica Paul A.M. Dirac (1928) Compare-se com a equção de Schrödinger (não-relativistica) CONSEQUÊNCIA: EXISTÊNCIA DE ANTIPARTÍCULAS!
  30. 30. Interacções Electromagnetismo Duas previsões cruciais de Dirac (teóricas): A Função de Onda tem 4 componentes (duas partículas, spin ½) 2 componentes para a partícula - e 2 componentes para antipartícula! Cada partícula tem uma antipartícula !
  31. 31. PARTÍCULAS 1936 Descoberta do Positrão Dirac estava certo! Anderson (1932)
  32. 32. Interacções Electromagnetismo AGORA O VÁCUO FICOU MESMO CONFUSO! Física Quântica diz que ‘osciladores’ (e.g. quanta) não podem estar em repouso absoluto (princípio de incerteza) Os estados de energia mais baixos dos campos electromagnéticos podem produzir pares (virtuais) electrão-positrão: FLUCTUAÇÕES do VÁCUO
  33. 33. Interacções Electromagnetismo Como calcular a interacção entre fotões e electrões? Emergiu uma nova imagem do electrão “vestido” : Fluctuações do vácuo modificam a sua carga e massa (‘Écran de Debye’)
  34. 34. Interacções Electromagnetismo 1934 - 1948 QED: Electrodinâmica Quântica Feynman, Tomonaga, Schwinger “Renormalização” electrão ‘nu’ + fluctuações vácuo = electrão medido (“infinito” - “infinito” = “finito”) R. P. Feynman Diagramas de Feynman Regras de cálculo Exactas – numa forma gráfica Todos os caminhos são possíveis
  35. 35. 1948 Interacções Electromagnetismo Fluctuações do Vácuo têm efeitos observáveis! ... e a QED permitiu calculá-los com grande precisão Momento Magnético do electrão (anómalo) Desvio de Lamb (desvios nos níveis de energia) Casimir effect (força entre duas placas metálicas descarregadas)
  36. 36. Interacções Electromagnetismo QED: Partículas carregadas interagem trocando fotões 1) Cargas eléctricas emitem continuamente fotões virtuais de massa nula 2) A Lei 1/r2 vem da probabilidade de atingir outra partícula à distância r e e e e t lei 1/r2 Poderia ser um modelo para outras interacções?
  37. 37. 3 Interacções Raios-X + Radioactividade 1895: Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923) descobre os Raios-X alvo P.N. 1901 Observou uma radiação muito penetrante, que não sofria reflexão nem refracção, nem era sensível a campos electromagnéticos. Conseguiu fixar as imagens em chapas fotográficas, sensíveis à nova radiação designada por raios X. 1896: Henri Becquerel descobriu uma radiação espontânea em cristais de Urânio: Raios U Radioactividade P.N. 1903 1898: Marie & Pierre Curie : radiação ionizante na ‘Pecheblenda’ (Urânio + Polónio). Descobriram ainda o Rádio, ++radioactivo! P.N. 1903,1911 Qual a origem desta radiação ?! =>Transições Nucleares!
  38. 38. Interacções Interacção Fraca Mistério nas transições nucleares (A,Z)(A,Z+1) + e- (Declíneo Beta): Electrões emitidos com vários valores de energia e momento !? Violação da Conservação da Energia? 1911 Lise Meitner, Otto Hahn 1930 Wolfgang Pauli: partícula extremamente leve e neutra* é emitida no declíneo β *‘neutrão’, mas em 1931 Fermi chamou-lhe “neutrino” (pequeno neutrão [italiano]) Declíneo Beta: np+e+ ν
  39. 39. Interacções Interacção Fraca Que teoria para o declíneo beta? n p ν e Propôs um modelo fenomenológico para a interacção fraca Acoplamento pontual com intensidade GF ~ 10-5 intensidade e.m. Enrico Fermi (1934) Acoplamento e Interacção entre ‘correntes’ (protão-neutrão / electrão-neutrino) Eficaz para descrever os processos: p → n + e+ + ν ν + n → p+e − n → p + e− + ν Ok até ~1960 p + e− → n + ν ν + p → n + e+ ν (ν ) + e− → ν (ν ) + e−
  40. 40. Interacções Interacção Forte E quanto à Interacção Forte: porque é que há núcleos coesos?! Yukawa propôs a troca de Pião uma partícula com massa Lei de Coulomb modificada Yukawa (1934) Alcance versus Massa (princ.incerteza): 1.4 fm ~ 140 MeV
  41. 41. Teoria Cinética, Electro- Mecânica Termodinâmica magnetismo Electromagnético Fraco Forte Detector Acelerador 1895 1905 Fotão" 4 Geiger Raios Cósmicos Nuvens Galáxias; Expansão do Universo Ciclotrão Matéria Escura Sincrotrão Zoo
 Bubble Partícu- las" Colisão e+e- Radiação Cósmica de Higgs Fundo (Micro-ondas) Wire chamber Arrefecimento GUT Online computers 1975 MODELO PADRÃO SUSY Colisão p+p- Supercordas Detectores Modernos! Anisotropias RCF (COBE, WMAP) WWW Energia Escura (?) GRID
  42. 42. 4 O Universo Antes do séc.XX, o Universo parecia um local calmo. Não acontecia grande coisa. Cientistas assumiam o Universo como sendo infinito e eterno. Contudo, obviamente havia um pequeno problema: A Noite é Escura! Isto não é compatível com um Universo infinito e eterno.
  43. 43. Universo 1823 “Paradoxo” de Olbers Heinrich Wilhelm Olbers (1823)! Se o Universo é infinito e eterno (e com uma densidade de estrelas ±uniforme), " então todas as linhas de visão deveriam terminar na superfície de uma estrela." Formalmente:! Cada camada contribui com nº estrelas ~ r2! A luz diminui de intensidade com ~1/r2! Contribuição de luz de cada camada = constante! O Céu deveria ser cheio de luz" Consequência:! Universe não existiu sempre, ou ...! Universo tem um tamanho finito, ou ...! Ambos!!
  44. 44. Universo 1907 Princípio de Equivalência F = mI ! F = mG g mI = m G Massa Inercial = Massa Gravítica Aceleração = Gravitação “A Ideia mais feliz da minha vida" (Albert Einstein)
  45. 45. Universo 1915 O caminho mais curto no espaço definido pelos raios de luz. Elevador acelerado: luz segue uma trajectória parabólica Campo Gravítico: raios de luz são curvados! Espaço e Tempo são curvos! Albert Einstein (1912-15) : Relatividade Geral! Matéria diz ao Espaço como se curva! Espaço diz à Matéria como é que se move!
  46. 46. Equações Rel. Geral 1915
  47. 47. Universo 1915 Confirmado por Sir Arthur Eddington Ilha do Príncipe, 1919
  48. 48. Universo 1915 Friedmann escreveu a evolução do Universo em função da escala a(t) As suas equações relacionam a densidade média "ρ" e a curvatura K com a taxa de expansão da escala:
  49. 49. Universo 1927 George Lemaitre (1927)! Todo o Universo Expande!! Um ‘átomo primordial quente’ ?!
  50. 50. Universo A questão crucial é a massa (densidade de energia) do Universo. À partida, pode tomar qualquer valor. Contudo, existe uma ‘densidade crítica de energia’. Se a densidade de energia média do Universo fôr superior a esta densidade crítica, o Universo parará a sua expansão e voltará a comprimir um dia no futuro. Simples, !=!/ Fácil de Tamanho do Universo !C fixar, Ainda ensinado nas Escolas Tempo ERRADO!
  51. 51. Universo Einstein não gostava de um Universo ‘dinâmico’. Acreditava num Universo estático e eterno. Mas as suas equações, sem outros termos, previam outra coisa! Assim decidiu ‘aldrabá-la’ juntando uma 'constante cosmológica'
  52. 52. Universo 1929 EXPANSÃO DO UNIVERSO! Recession speed of galaxies increases proportional to their distance Edwin Hubble (1929)! Mt. Palomar telescope! Einstein afirma: a constante cosmológica = ‘o meu maior erro'
  53. 53. Universo Observação de muitas estrelas e galáxias revelou factos espantosos: O Universo é o mesmo em qualquer direcção e a qualquer distância ... Hydrogénio ~ 75 %! Hélio-4 ~ 25 %! Hélio-3 ~ 0.003 %! Deutério ~ 0.003 %! Lítio-7 ~ 0.00000002 %! TEM que haver uma razão! ...
  54. 54. Universo 1948 11948: O Modelo do 'Big Bang'* para o início do Universo O Universo começou por um estado inicial MUITO QUENTE! Depois expandiu rapidamente, enquanto arrefecia Nos primeiros tempos, o Universo era quase só Radiação George Gamov Radiação produzia partículas (protões, neutrões, electrões) • Nos primeiros minutos, só houve tempo para criar os elementos mais leves • Mas deveria haver um ‘eco’ na forma de uma radiação de corpo negro (T ~ 5 K) *O nome “Big Bang” foi usado por Fred Hoyle para gozar com a ideia de Gamov. Mais tarde foi Fred Hoyle o ridicularizado.
  55. 55. Teoria Cinética, Electro- Mecânica Termodinâmica magnetismo Electromagnético Fraco Forte Detector Acelerador 1895 1905 Fotão" 5 Geiger Raios Cósmicos Nuvens Galáxias; Expansão do Universo Ciclotrão 6 7 Matéria Escura Sincrotrão Zoo
 Bubble Partícu- las" Colisão e+e- Radiação Cósmica de Higgs Fundo (Micro-ondas) Wire chamber Arrefecimento GUT Online computers 1975 MODELO PADRÃO SUSY Colisão p+p- Supercordas Detectores Modernos! Anisotropias RCF (COBE, WMAP) WWW Energia Escura (?) GRID
  56. 56. Universo 1912 Em 1912, primeiras sugestões de um universo violento apareceram Descoberta dos raios cósmicos Victor Hess Victor Hess
  57. 57. 5 PARTÍCULAS Tecnologias 1931 - 1955 Aceleradores “Raios cósmicos feitos pelo Homem" Rolf Wideroe, 1928 Ernest Lawrence, 1931 Ciclotrão Usa-se um campo magnético para obrigar as partículas a descrever trajectórias semi-circulares. Acelerador Linear Partículas passam muitas vezes pelo mesmo intervalo de aceleração e atingem energias muito elevadas: Acelera partículas nos intervalos entre eléctrodos Radiofrequência ajustada para compensar mov. part. 1931: 80 keV 1932: 1000 keV 1939: 19 MeV* 1946: 195 MeV ("synchrocyclotron") *primeiras limitações devido à relatividade
  58. 58. PARTÍCULAS Tecnologias 1931 - 1955 Aceleradores (2) 1947: US constrói 2 'sincrotrões' Brookhaven (1952) - 3 GeV Berkeley (1954) - 6.2 GeV ('antiprotão') Sincrotrão 1954: Europe compete com US Idêntico ao ciclotrão, mas campo magnético também é alterado para manter as partículas CERN (1959) - 24 GeV na mesma órbita resolvendo também o Brookhaven (1960) - 30 GeV problema das velocidades relativistas. Detectores Após 1967: Contadores Geiger Contadores Cherenkov Câmaras de Fios Câmaras de Nuvens Fotomultiplicadores Câmaras de Deriva Emulsões Fotográficas Câmaras de Faíscas Calorímetros Câmaras de Bolhas Cintiladores Detectores de Silício!
  59. 59. 6 PARTÍCULAS 1937 Depois da previsão de Yukawa da existência de um 'pião' (1934), para explicar a interacção forte, houve muitos à procura dessa partícula (com massa ~100-200 MeV). Não havia aceleradores, e mais uma vez, colocaram-se os detectores no topo das montanhas para analisar os raios cósmicos… Seria esta o pião de Yukawa?! Mas: alcance na matéria muitíssimo elevado !! ? Isto é: não pode ter interacção forte com os núcleos, logo não poderia ser o pião de Yukawa! Mas então é o quê?! => Muão Muão = ‘electrão pesado’ (206 x me) I. Rabi: “Mas quem o encomendou ?!”
  60. 60. PARTÍCULAS 1947 Descoberta do pião (carregado) Ouff! Cecil Powell Técnica Emulsão Fotográfica Raios Cósmicos a grande altitude (Pic du Midi, Pirinéus) Traços dos Piões identificados ao microscópio Um ano +tarde: Piões produzidos no Ciclotrão de Berkeley (Alfa+Carbono)
  61. 61. PARTÍCULAS 1948 LEPTÕES HADRÕES
  62. 62. PARTÍCULAS 1950- 1968 Jardim Zoológico" Com novos aceleradores e detectores, o “Zoo das Partículas" tem mais de ~ 200 'partículas elementares' π + π − π 0 Pions Δ++, Δ+, Δ0, Δ−! K+ K− K0 Delta HADRÕES η' Λ0! Kaons Eta-Prime η Σ+, Σ0, Σ−! Lambda (estranho!) Eta φ Sigma (estranho!) Phi Ξ0, Ξ−! ρ + ρ − ρ o Sigma(muito estranho!) Rho Mesões BARIÕES Qual seria a estrutra de base, a ‘nova tabela periódica’ ?
  63. 63. PARTÍCULAS The Eightfold Way (1963) SU(3)–Classificação baseada em QUARKS u d s +2/3 e -1/3 e -1/3 e 3 tipos de “quarks” : up, down, estranho Aparecem apenas nas combinações: Mesão = quark+antiquark Gell-Mann, 1963 (G. Zweig, 1963, CERN) Barião = quark1 + quark2 + quark3 1967 Friedmann, Kendall, Taylor (SLAC): ‘difusão inelástica profunda’ de Protão, Neutrão; Lambda, Sigma’s, Xi’s electrões em 3 ‘partículas pontuais’ Mas e o Δ++ ?! uuu??!!
  64. 64. PARTÍCULAS 1973 Carga de côr Δ++ = u u u u u u Gluões Gluões são os portadores da interacção forte Há 3 x 3 - 1 = 8 gluões Gluões têm carga de côr -> auto-interacção Auto-interacção dos gluões Distâncias pequenas: Liberdade Assimptótica Quarks/Gluões não podem andar sós! PETRA Storage Ring, 1979, DESY
  65. 65. PARTÍCULAS 1973 LEPTÕES QUARKS Constroem os hadrões Que Ligação? Chave: ‘interacção electrofraca’ e o ‘sabor’ das partículas
  66. 66. 7 Electrofraca Interacções 1958 Glashow Havia um pequeno problema (teórico): GF = (1/294 GeV)2 Probabilidade Neutrino-Proton ~ (GF Eν ) viola Princípio da Unitaridade* for E > 300 GeV (*probabilidade da interacção > 100%) n p n p Ideia W - ν e ν e Modelo de Fermi Modelo Glashow e e Interacção Fraca mediada por Bosões Massivos (analogia com a troca do fotão!) γ Grande massa (80 GeV) explica curto alcance (2·10-18 m) e baixas probabilidades e e
  67. 67. Electrofraca Interacções 1968 ν e ν ν W charged current Zo Neutral current e ν e e Glashow, Salam, Weinberg (1968) – Força Electrofraca • As interacções electromagnética e fraca são dois aspectos da mesma força 'electrofraca' • Todos os quarks e os leptões têm uma carga ‘fraca' • Devia haver um ‘fotão massivo' (Zo) e 2 bosões carregados (W±) de massas ~ 50-100 GeV • Estes recebem a sua massa apenas devido a um nova “Interacção de Higgs" H. • Só havia interacções fracas carregadas com partículas ‘esquerdas’!
  68. 68. Electrofraca Interacções 1973 Descoberta das correntes neutras no CERN: ν ν Zo Corrente Neutra e e • Feixe de neutrinos dirigido a uma câmara de bolhas • Um traço de um electrão surge do ‘nada'
  69. 69. Electrofraca Interacções 1983 Descoberta dos Bosões W, Z no CERN (1983) (Carlo Rubbia – Responsável pela Colaboração UA1, e proponente do collisionador protão-antiprotão SpS) (Simon van der Meer - inventor do arrefecimento estocástico do feixe de anti-protões)
  70. 70. Electrofraca Interacções 1970 Artigo de Referência (Glashow, Iliopoulos, Maiani) Quarks Leptons u c e- µ- 'Standard Model' (com duas famílias) d s
  71. 71. PARTÍCULAS 1974 E o quark c (charm – encanto) foi descoberto pouco depois : A REVOLUÇÃO DE NOVEMBRO (11 Novembro 1974) Dois grupos descobriram ~ simultaneamente uma nova partícula, denominada 'Psi' em SLAC (Burton Richter) e 'J' em Brookhaven (Samuel J. Ting). A resonância J/psi era ‘vida-longa' (~10-20 sec). Só podia decair através da interacção fraca, preferencialmente em quarks estranhos. Daí o estreito pico.
  72. 72. Teoria Cinética, Electro- Mecânica Termodinâmica magnetismo Electromagnético Fraco Forte Detector Acelerador 1895 Fotão" 1905 Geiger Raios Cósmicos Nuvens Galáxias; Expansão do Universo Ciclotrão Matéria Escura Sincrotrão Zoo
 Bubble Partícu- 10 las" Colisão e+e- Radiação Cósmica de Higgs Fundo (Micro-ondas) Wire chamber Arrefecimento GUT 9 Online computers 1975 MODELO PADRÃO SUSY 8 Supercordas W" Z" g" Detectores Modernos! Colisão p+p- Anisotropias RCF (COBE, WMAP) WWW Energia Escura (?) GRID
  73. 73. Leptões PARTÍCULAS 1975 SLAC (Martin Perl) Descoberta do Tau (massa = 3500 me) e- µ- τ- νt Prémio Nobel 1995 Então e no sector dos quarks? u c t? d s b? Diário do Martin Perl
  74. 74. Quarks PARTÍCULAS 1977 Descoberta do Quark ‘Bottom’ (Fermilab) u c t e- µ- τ- d s b νt Quarks Leptons Em 1977 os físicos descobriram no Fermilab a partícula Upsilon = mesão com quark b e antiquark b. O quark b tem carga -1/3 e uma massa aproximada de 4,5 GeV.
  75. 75. Quarks PARTÍCULAS 1995 u c t Descoberta do Quark ‘Top’ (Fermilab) d s b Quarks
  76. 76. Neutrinos PARTÍCULAS 1956 A História dos Neutrinos Descoberta do neutrino do electrão Reactores Nucleares são uma grande fonte de anti-neutrinos Fred Reines Coincidência dos sinais de captura do n e aniquilação positrão
  77. 77. Neutrinos PARTÍCULAS 1962 Neutrino do “Muão” Existem 2 tipos de neutrinos: tipo electrão e tipo muão Jack Steinberger, 1962 Jack Steinberger, HST 2002 Prémio Nobel 1989 Os neutrinos têm massa? Podem oscilar ?
  78. 78. Neutrinos PARTÍCULAS 2000 Descoberta do neutrino do tau Então, quantos tipos há?! DONUT collaboration (Fermilab)
  79. 79. O MODELO PADRÃO (2006)
  80. 80. Peter Higgs Mecanismo de Higgs Como é que as partículas ganham massa? 1 TeV 100 GeV 1 GeV Limites (95%) 1 MeV 0.01 eV 80
  81. 81. LARGE HADRON COLLIDER LHC ARRANCOU EM 10/09/2008 e em 20/11/2009 Novas respostas!...Novas perguntas!
  82. 82. Colisões em LHC
  83. 83. Universo O Cosmos no LHC •  As condições do Universo logo após o Big-Bang serão recreadas no LHC. 13.7
  84. 84. History of Our Universe eme Extr H ? L O H J C E
  85. 85. Universo Estudo da Radiação Cósmica de Fundo (COBE) (Prémio Nobel 2006) Penzias & Wilson, T= 2.7 K Prémio Nobel 1965 ΔT= 3.3 mK (depois da subtracção do fundo comum) ΔT= 18 µK (depois de corrigido para o mov. Terra)
  86. 86. Universo A mais precisa observação hoje (WMAP)
  87. 87. O Mistério da Matéria Escura velocidade das estrelas (v) raio r ©A.De Angelis Gravidade: G M(r)/r2 = v2/r Massa interior: M(r) = v2 r / G Maior fracção de massa não brilha! O que é?!
  88. 88. Matéria Escura na Colisão de Galáxias © CHANDRA X-RAY OBSERVATORY Matéria Matéria Escura Normal Matéria Escura (Reconstruída) (Reconstruída)
  89. 89. Matéria Escura também aqui na nossa Galáxia! M100 ≅ Milky Way © COBE Milky Way Velocity v Distance ©Anglo-Australian Observatory •  Espalhada pela galáxia, não agrupada! •  Nenhuma forma de matéria conhecida! r (kpc)
  90. 90. O Mistério da Energia Escura Cientistas estudaram supernovas distantes para estimar a variação da expansão do Universo. Esperavam que a taxa de expansão deveria diminuir desde o tempo do Big Bang.
  91. 91. Oops…NÃO está diminuindo! •  A Expansão do Universo está acelerando! •  Algo se sobrepõe à gravidade! fainter •  Cientistas chamam-lhe ‘Energia Escura’
  92. 92. Evidência para EE! fainter E mais recentemente: Luminos. diminui Densidade Não-Matéria .vs. fainter Densidade Matéria s/ efeito
  93. 93. EE na Radiação Cósmica de Fundo Verificação Independente! Fotografia bebé do Universo (380 000 anos de idade) ? 380000 ©WMAP 13.7 A Expansão do Universo está Acelerando!
  94. 94. Então, de que é feito o Universo?! ??! ?
  95. 95. Como poderá LHC ajudar? •  Bosão de Higgs ? Se existir deve permear o U. •  Encontrar Supersimmetria, se existir: o melhor candidato para a Matéria Escura será a partícula supersimétrica mais leve, estável e produzida em grandes quantidades no Big Bang •  Encontrando Weakly Interactive Massive Particles, que se existirem em grandes quantidades = Matéria Escura •  Encontrando para dimensões extra (>=5D), etc!
  96. 96. Conclusões Partículas Elementares Cosmologia A Origem da massa A Expansão do Universo Big-Bang Espectro de massas, famílias Nucleosíntese primordial Massa dos neutrinos Radiação Cósmica de Fundo Massa e simetria de gauge Mecanismo de Higgs Inflação ? Teorias VSL ? A Unificação das Interacções Homogeneidade Ω≅1 Grande unificação Matéria Escura/Energia escura Decaimento do protão Supersimetria Buracos Negros Gravitação e supercordas Assimetria matéria- Violação de CP antimatéria
  97. 97. Obrigado pela vossa atenção!

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