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Uma jornada até o mundo quântico
- 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
- 6. A dualidade onda-partícula da Natureza Um conceito central da mecânica quântica: todas as partículas apresentam propriedades ondulatórias De Broglie mostrou que partículas em movimento tem Um comprimento de onda equivalente λ p 1 ∝λ Então grandes momenta nos fornecem pequenos comprimentos de onda, de forma que podemos verificar pequenos detalhes Exemplp: microscópio eletrônico Não é apenas a luz que tem uma Natureza dual λ Imagem de Microscópio Eletrônico Átomos de Ouro (separados por 0.2 nm) Copyright © FEI
- 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...
- 20. A FORÇA FRACA Decaimento Beta n p Antineutrino Elétron
- 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
- 24. Troca de fóton Diagrama de Feynman e- e- e- e- γ
- 25. Força fraca: W- ,W+ ,Z0 Decaimento β n→peνe A carga elétrica é Conservada em cada vértice W-
- 26. Força forte: glúons Glúons interagem com quarks Glúons interagem com outros glúons
- 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.