O documento discute a física de partículas, começando com a estrutura dos átomos e descendo até os níveis subatômicos de quarks e elétrons. Explica as quatro forças fundamentais e como elétrons, neutrinos e quarks interagem através delas. Também aborda questões em aberto como a natureza da matéria escura e por que o universo contém principalmente matéria e não antimatéria.
1. Uma pequena jornada até o
infinitamente pequeno
Fundamentos da
Física de Partículas
Prof. Luiz Fernando Mackedanz
F&S, Setembro 2013
• Os constituintes: partículas e forças
• O que se faz e o que pode ainda ser feito
2. Atenção
Esta jornada pode mudar sua visão do Universo.
O que você vai ouvir pode alterar sua percepção da realidade
Estamos entrando em um Mundo Quântico..
Permaneça acordado e mantenha a mente aberta!
3. Nós e todas as coisas ao nosso
redor somos feitos de átomos
Cabelo Humano
~ 50 µm = 50 10-6
m
= 0.000050 m
Átomo ~ 10-10
m
= 0.0000000001 m
Magritte
4. Átomos
Todos os átomos são basicamente compostos de:
- protons e neutrons no núcleo
- elétrons orbitando ao redor
elétron
proton
neutron
Protons,
neutrons são
feitos de
quarks
O elétron foi a
primeira partícula
Elementar a ser
descoberta
(JJ Thomson 1897)
5. Do átomo ao quark
Átomos e partículas subatômicas são muito menores do que o comprimento da luz
Visível. Portanto, não podemos realmente “vê-los” (todas as ilustrações são artísticas)
Para aprender sobre a estrutura subatômica precisamos de aceleradores
O quão pequenos podem ser os constituintes da matéria?
~ 10-10
m
~ 10-14
m
~ 10-15
m
<10-18
m
<10-1 8
m
7. 1911
Rutherford encontrou um núcleo no
átomo ao dispara partículas alfa
num alvo de ouro e observando que
elas eram defletidas de volta.
Rutherford: átomos não são
partículas elementares!
Precursor dos experimentos de espalhamento modernos nos aceleradores
8. Quarks detectados dentro dos
protons
Stanford (SLAC), California, final dos anos 60
Disparo de elétrons num proton: grandes deflexões observadas!
Acelerador de 2 milhas
Estação Final A
Área experimental
Freeway 280
9. Protons e neutrons
no modelo de quarks
proton (carga +1) neutron (carga 0)
uu dd
dd
uu uu
dd
Quarks têm carga elétrica fracionária!
Carga elétrica do u = + 2/3
Carga elétrica do d = - 1/3
( )1
3
1
3
2
3
2
+=++ pduu - ( )0
3
1
3
1
3
2
nddu =+ --
10. Todo o Universo é feito apenas de
quarks e elétrons?
Não! Também existem neutrinos!
Elétron, proton e neutrons são raridades!
Para cada um deles no Universo, existem 1 bilhão de neutrinos
Neutrinos são as partículas de matéria mais
abundantes no Universo!
ν
ν ν ν ν ν νννννννν
νν ν ν νν ν ννννννν
ν νν νν νν ν ν ν ν ν
νν ν ν νν ν νννννν
ν νν νν νν ννννννν
νν νν ν ννν ννννννν
νν νν ν ννν ννννννν
1 cm
Em cada cm3
do
espaço: ~300 neutrinos
originados no Big Bang
Neutrinos estão por todo o lugar!
No espaço, na Terra, em nossos corpos..
1 cm
11. Neutrinos penetram a nossa pele!
Através de nosso corpo a cada
instante: aproximadamente 30
milhões de neutrinos do Big
Bang
Mas não te preocupes, tchê!
Neutrinos não causam nenhum mal para nós.
Nossos corpos são transparentes aos neutrinos.
~1014
neutrinos por segundo
originados no Sol estão
atravessando você
ν
Cada cm2
da superfície da
Terra é atravessada a cada
segundo por mais de 10
bilhões (1010
) de neutrinos
produzidos no Sol
12. As partículas da matéria comum
ee--
uu
dd
-1/3
+2/30
-1
charge
Toda a matéria estável a nossa volta
pode ser descrita usando
elétrons, neutrinos, “quarks” u e d
Quarks:
u = up
d = down
Leptons:
ν = neutrino
e = elétron
ννee
13. 3 Famílias (ou Gerações)
μμ--
cc
ss ττ--
tt
bb
Matéria comum Raios Cósmicos Aceleradores
1ª
geração 2ª geração 3ª geração
3 gerações com tudo comum, exceto a massa
-1/3-1/3
+2/3 +2/3
ννee
ee--
uu
dd
-1/3
+2/3
Acreditamos que estas sejam os constituintes
fundamentais da matéria
-1 -1 -1
0 00
ννμμ ννττ
14. As massas dos quarks
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Mass
(GeV)
Quarks
Up Down Strange Charm Bottom Top
0.003 0.006 0.095 1.2 4.5
Top
(descoberto em 1995)
175 GeV
E= mc2
1 massa de proton ~ 1GeV (10-27
Kg)
A massa cresce cada vez mais em cada família
15. Antimatéria
• Para cada partícula fundamental de matéria existe uma
antipartícula com mesma massa e propriedades mas carga oposta
ννee
ee--
uu
dd
-1/3
+2/3
ννee
ee++
uu
dd
+1/3
-2/3
+1
0
-1
0
pósitron
• Antipartículas correspondentes existem para todas as 3 famílias
• Antimatéria pode ser produzida usando aceleradores
Matéria Antimatéria
A barra no alto
Indica uma
antipartícula
16. Criação de pares
matéria-antimatéria
• Par elétron-pósitron criado dos fótons
atingindo o líquido de uma câmara de
bolhas
• Exemplo da conversão da energia de
um fóton em matéria e antimatéria
• Matéria e antimatéria descrevem
espirais em direções opostas no campo
magnético devido a suas cargas
opostas
• Momentum e energia são conservados
17. Quarks e cor
Todos os sabores de quarks vêm em 3 versões, chamadas “cores”
uu dd
+2/3 -1/3uuuu dddd
up down
Quarks combinam-se para formar partículas sem cor
- Bárions (três quarks: vermelho+verde+azul =branco)
- Mésons (par quark-antiquark)
tal como um estado u-ubar
vermelho+antivermelho
proton
uu
uu
pion
pp
ππ
As forças
fortes “colam”
os quarks
juntos em
estados
ligados
18. Construindo mais partículas
bb bb
J/Ψ
cc cc
Y
bb uu
B-
uu bb
B+
bb dd
B0
dd bb
B0
B mesons (bq)
Muito mais mésons e bárions…
19. A Bíblia dos Físicos de Partículas:
Particle Data Book
https://pdg.lbl.gov
“Meu jovem, se eu pudesse me
lembrar do nome de todas estas
partículas, eu teria sido um
botânico!“
E.Fermi ao seu estudante
L. Lederman (ambos agraciados com
o Nobel em Física)
A maioria das partículas não são estáveis e podem decair em mais leves...
21. Decaimento β do neutron
Um neutron (livre) decai após 15 min
uu dd
dd
nn uu uu
dd
pp
ee--
d→ u e-
νe
ννee
15 min
No nível dos quarks:
Tempo de vida longo (15min é uma eternidade na física de partículas!)
força “fraca”
sem estas interações o Sol se desligaria!
22. As 4 forças da Natureza
Fraca
• Decaimento β
• Fusão pp
Strong
• Ligações
entre quarks
Eletromagnética
•TV, PCs
• Imãs
• criação e- e+
Gravidade
Responsável por nos
manter com os pés
firmes na Terra
Carga
elétrica
massa
Carga
fraca
Carga
forte
23. Força Eletromagnética
e-
e-
Fóton
A força repulsiva que dois elétrons se aproximando “sentem”
Fóton é a partícula associada à
Força eletromagnética
“menor porção” da força
27. Confinamento de Quarks
• Não existem quarks livres, eles estão “confinados” em dupletos
(mésons) ou tripletos (bárions) sem cor pela troca de glúons
Os novos quarks ligam-
se aos quarks antigos
e formam novos mésons
Até a conexão de glúon estourar,
e outros pares quark-antiquark
serem criados a partir da energia
liberada
Glúon mantém os quarks
juntos enquanto eles se
afastam
Z0
Decaimento
® S.Ward
28. Partículas de Força (sumário)
Partículas interagem e/ou decaem devido às forças
Forças também são responsáveis por ligar as partículas
Forte: glúons
Apenas quarks
(devido a suas
cargas de cor)
Fraca: W+
, W-
, Z0
Léptons e quarks (única
força para os neutrinos)
Eletromagnética: γ
Quarks e léptons carregados
(não neutrinos)
Gravidade: G?
Ainda a ser descoberta
Efeitos desprezíveis sobre
as partículas
29. O Modelo Padrão
Matéria
• 6 quarks
• 6 léptons
Agrupados em três gerações
Forças
• Eletrofraca:
- γ (photon)
- Z0
, W±
• Forte
- g (gluon)
Bem sucedido para descrever todos os fenômenos observados no
mundo subatômico até agora. Mas deve haver algo mais..
Inclui:
Mas não a gravidade! Nenhuma
TQC para a Gravidade ainda
encontrada.
H= ingrediente que falta: o Bóson de Higgs
30. Além do Modelo Padrão:
Unificação das forças
FRACA
FORTEGRAVIDADE
ELETRO-
MAGNÉTICA
FORÇA
UNIFICADA?
Em busca de uma teoria unificada elegante
31. Questão aberta:
Por que o Universo é constituído
de matéria e não igualmente de
antimatéria?
• Já vimos que cada partícula fundamental tem
sua antipartícula correspondente.
• Mas, onde estão estas antipartículas?
• Grandes quantidades de matéria mas nenhuma
evidência de grandes quantidades de
antimatériar no Universo.
32. Por que toda a antimatéria
desapareceu?
Antimatéria
A evolução do Universo contendo matéria e
não antimatéria exige que seus comportamentos
sejam diferentes
Violação de simetrias CP
matéria Puff
É bom para nós que não exista antimatéria por aí!
33. Outra questão aberta:
Onde está a Matéria Escura?
• Observações astronômicas mostraram que a massa “observável”
representa menos de 4% do Universo!
• O que é a matéria escura? Ainda não sabemos com certeza …
– Talvez parcialmente composta de neutrinos, ou possivelmente neutralinos
partículas previstas por teorias SUSY além do MP?
Matéria EscuraMatéria Visível
Cores falsas
O brilho dos
aglomerados
corresponde à
densidade de massa.
34. Neutrinos são importantes:Neutrinos são importantes:
se não houvessem neutrinosse não houvessem neutrinos
o Sol não brilharia!o Sol não brilharia!
Quase nenhuma interação (apenas fraca)
• Pode viajar anos-luz de matéria sem ser afetada
• Pode viajar dos pontos mais remotos do Universo trazendo
informação sobre a origem do espaço e do tempo
O quebra cabeças dos neutrinos
35. R. Davis: mediu o fluxo de neutrinos
solares numa mina de ouro em Dakota
do Sul por 30 anos (1969-1999)
…e observou apenas 1/3 do fluxo esperado!! Por quê?
R. Davis
Pioneiro dos
Neutrinos solares
36. Oscilações de Neutrinos
Ise deixarmos um neutrino viajar o bastante,
ele pode mudar seu sabor!
nm
ne
νe
νµ ντ
a huge neutrino detector
in the right place exists!
Um detector aqui
não detecta nm
Kamioka Observatory, ICRR (Institute for
Cosmic Ray Research),
The University of Tokyo
Um grande detector
de neutrinos existe!
Um detector aqui
detecta todos nm
37. Na mina de Kamioka, no Japão
SuperKamiokande mede neutrinos criados na atmosfera
acima do detector..
Fluxo de nm por baixo = ½ do fluxo por cima!
..e abaixo do detector (pelo outro lado da Terra!!)
Fluxo TOTAL de neutrinos por baixo= fluxo TOTAL por cima
38. Descoberta das oscilações dos
neutrinos Super-Kamiokande (1998)
Metade dos nm são perdidos!
Oscilam para nt não detectados!
PNF 2002
Koshiba
(chairman superK)
em conjunto com Davis
Up-going Down-going
39. O que aprendemos?
• Algumas coisas surpreendentes:
– Um número limitado de forças e partículas de matéria
descrevem todo o Universo que conhecemos;
– Uma teoria das interações da matéria com as forças
chamada de Modelo Padrão que descreve bem os
fenômenos do mundo subatômico;
– Existem evidências de muita coisa que ainda não
sabemos explicar e que nossas pesquisas têm
encontrado: tais como antimatéria desaparecida,
matéria escura, properties desconcertantes dos
neutrinos, mas também a chave do MP ..o Higgs!
40. Olhando para frente
• O Higgs foi encontrado no LHC .... Ou
não!?!? Ainda devemos responder isso!
NOT
Notas do Editor
So we know now that protons and neutrons are made of quarks.