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

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!

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

ÁtomosTodos 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 aprimeira partícula Elementar a ser descoberta(JJ Thomson 1897)

Do átomo ao quark

Átomos e partículas subatômicas são muito menores do que o comprimento da luzVisível. 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

A dualidade onda-partícula da NaturezaUm conceito central da mecânica quântica:todas as partículas apresentam propriedadesondulatórias

De Broglie mostrou que partículas em movimento temUm comprimento de onda equivalente λ

p

1∝λ Então grandes momenta nos fornecem pequenos comprimentosde onda, de forma que podemosverificar pequenos detalhes

Exemplp: microscópio eletrônico

Não é apenas a luz que tem umaNatureza dual

λ

Imagem de MicroscópioEletrônicoÁtomos de Ouro(separados por 0.2 nm)

Copyright © FEI

1911Rutherford 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

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 AÁrea experimental

Freeway 280

Protons e neutrons no modelo de quarks

proton (carga +1) neutron (carga 0)

uu dddd

uu uudd

Quarks têm carga elétrica fracionária!Carga elétrica do u = + 2/3Carga elétrica do d = - 1/3

( )13

1

3

2

3

2 +=++ pduu - ( )03

1

3

1

3

2nddu =+ --

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 νννννννν νν νν νν ν ν ν ν ν νν ν ν νν ν ννννννν νν νν νν ννννννννν νν ν ννν ννννννννν 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

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 segundooriginados 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

As partículas da matéria comum

ee--

uu

dd-1/3

+2/30

-1

charge

Toda a matéria estável a nossa voltapode ser descrita usando

elétrons, neutrinos, “quarks” u e d

Quarks:u = upd = down

Leptons:ν = neutrinoe = elétron

ννee

3 Famílias (ou Gerações)

μμ--

cc

ss ττ--

tt

bbMatéria 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

As massas dos quarks

020406080

100120140160180

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

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 umaantipartícula

Criação de paresmatéria-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

Quarks e corTodos os sabores de quarks vêm em 3 versões, chamadas “cores”

uu dd+2/3 -1/3uuuu ddddup 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

uuuu

pion

pp

ππ

As forças fortes “colam” os quarks juntos em estados ligados

Construindo mais partículas

bb bb

J/Ψ

cc cc

Y

bb uuB-

uu bbB+

bb ddB0

dd bbB0

B mesons (bq)

Muito mais mésons e bárions…

A Bíblia dos Físicos de Partículas: Particle Data Bookhttps://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...

A FORÇA FRACADecaimento Beta

n p

Antineutrino

Elétron

Decaimento β do neutron

Um neutron (livre) decai após 15 min

uu dddd

nn uu uudd

pp ee--

d→ u e- νe

ννee15 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!

As 4 forças da NaturezaFraca• Decaimento β• Fusão pp

Strong• Ligações entre quarks

Eletromagnética•TV, PCs • Imãs

• criação e- e+

GravidadeResponsável por nosmanter com os pésfirmes na Terra

Cargaelétrica

massa

Cargafraca

Cargaforte

Força Eletromagnética

e- e-

Fóton

A força repulsiva que dois elétrons se aproximando “sentem”

Fóton é a partícula associada àForça eletromagnética“menor porção” da força

Troca de fótonDiagrama de Feynman

e- e-

e-e-

γ

Força fraca: W-,W+,Z0

Decaimento βn→peνe

A carga elétrica éConservada em cada vértice

W-

Força forte: glúons

Glúons interagem com quarks Glúons interagem com outros glúons

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 antigose 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 seafastam

Z0

Decaimento

® S.Ward

Partículas de Força (sumário)

Partículas interagem e/ou decaem devido às forçasForças também são responsáveis por ligar as partículas

Forte: glúonsApenas quarks (devido a suas cargas de cor)

Fraca: W+, W-, Z0

Léptons e quarks (única força para os neutrinos)

Eletromagnética: γQuarks e léptons carregados (não neutrinos)

Gravidade: G?Ainda a ser descobertaEfeitos desprezíveis sobre as partículas

O Modelo Padrão

Matéria• 6 quarks• 6 léptonsAgrupados em três gerações

Forças• Eletrofraca:

- γ (photon) - Z0, W±

• Forte - g (gluon)

Bem sucedido para descrever todos os fenômenos observados nomundo subatômico até agora. Mas deve haver algo mais..

Inclui:

Mas não a gravidade! NenhumaTQC para a Gravidade aindaencontrada.

H= ingrediente que falta: o Bóson de Higgs

Além do Modelo Padrão:Unificação das forças

FRACA

FORTE GRAVIDADE

ELETRO-MAGNÉTICA

FORÇAUNIFICADA?

Em busca de uma teoria unificada elegante

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.

Por que toda a antimatéria desapareceu?

Antimatéria

A evolução do Universo contendo matéria enão antimatéria exige que seus comportamentos sejam diferentes

Violação de simetrias CP

matéria Puff

É bom para nós que não exista antimatéria por aí!

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 falsasO brilho dos aglomerados corresponde à densidade de massa.

Neutrinos são importantes:Neutrinos são importantes:se não houvessem neutrinos se 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

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. DavisPioneiro dosNeutrinos solares

Oscilações de NeutrinosIse deixarmos um neutrino viajar o bastante,

ele pode mudar seu sabor! nm

ne

νeνµ ντ

a huge neutrino detectorin the right place exists!

Um detector aquinão detecta nm

Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo

Um grande detector de neutrinos existe!

Um detector aquidetecta todos nm

Na mina de Kamioka, no Japão SuperKamiokande mede neutrinos criados na atmosferaacima 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

Descoberta das oscilações dos neutrinos Super-Kamiokande (1998)

Metade dos nm são perdidos! Oscilam para nt não detectados!

PNF 2002Koshiba (chairman superK)em conjunto com Davis

Up-going Down-going

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!

Olhando para frente

• O Higgs foi encontrado no LHC .... Ou não!?!? Ainda devemos responder isso!

NOT