Fsica de Partculas

Aluno: Digenes Prof: Tatiana UFSC 2015

Objetivo:

Apresentar as menores estruturas (lptons e quarks) que os Fsicos j conceberam, algumas das quais j foram detectadas nos modernos laboratrios enquanto outras s existem nas teorias.

O que partcula?

Talvez, lhe ensinaram, que partculas so corpos muito pequenos. Por corpo entendemos: objeto slido de forma definida que ocupa um lugar definido no espao e que o lugar ocupado por um corpo no pode ser ocupado ao mesmo tempo por nenhum outro corpo.

Revendo o conceito de partcula:

Os objetos analisados em Fsica de Partculas no tm forma definida e no ocupam uma posio definida, podendo ocupar simultaneamente o mesmo espao, portanto, no pense em uma partcula elementar como apenas sendo um corpo muito, muitssimo pequeno.

Um pouco de Histria...

No ano de 1911 Ernest Rutherford realizou experimentos que evidenciaram que o tomo no uma pequena esfera slida e homognea, mas que ele tem uma estrutura interna, um ncleo, com dimetro 100.000 vezes menor que o dimetro do tomo, ao redor do qual orbitam os eltrons. Em 1932 o nutron foi detectado por Chadwick. e foi realizada a primeira reao nuclear usado partculas aceleradas, por este motivo, podemos considerar que 1932 o ano do incio de Fsica Nuclear.

Mais um pouco de Histria...

A teoria de Paul Dirac j previa a existncia do neutrino que foi detectado em 1956, mas neste intervalo de tempo muitas partculas foram descobertas (msons, brions e lptons...). No incio da dcada de 1960 um verdadeiro "zoo" de partculas era conhecido, principalmente hdrons.

O modelo que teve maior sucesso em organizar estas partculas foi proposto por Gell-Mann e Y. Ne'eman em 1961, cuja teoria baseada na existncia dos quarks.

Modelo Padro: Organograma

Bsons e Frmions

Todas as partculas podem ser classificadas em Bsons e Frmions. Bsons possuem spin inteiro (... -2; -1; 0; 1; 2; ...), isto faz com que no obedeam o Princpio de Excluso de Pauli, j os Frmions so partculas com spin semi-inteiro (...-3/2 ; -1;2 ; 1/2; 3/2 ; ...) e que por isso obedecem o Princpio de Excluso de Pauli.

Partculas constituintes e mediadoras:

As partculas elementares, aquelas que at o momento parecem ser indivisveis, podem ser divididas em duas classes, as partculas constituintes, que so os blocos bsicos de constituio da matria, e as partculas mediadoras, que transmitem as interaes entre as partculas constituintes. Uma das caractersticas que permite diferenciar estas classes de partculas justamente o spin. As partculas constituintes so frmions e as partculas mediadoras so bsons.

Frmions: Lptons e Quarks

H duas classificaes para as partculas constituintes, os lptons e os quarks. Os lptons so o eltron, o mon e o tau, seus respectivos neutrinos e suas anti partculas. Lptons no tem carga cor, possuem carga eltrica inteira e podem existir livremente. Os quarks so up, charm, top, down, strange e bottom e as suas respectivas anti-partculas. Quarks tem carga cor, isto , sentem a interao forte, tem carga eltrica fracionria (-1/3 ; -2/3 ; +1/3 ; +2/3 ) e s existem confinadas dentro de outras partculas, os hdrons. Hdrons so combinaes de quarks que permanecem juntos por causa da interao forte (troca de glons). Em princpio podemos imaginar qualquer combinao de quarks, mas, at hoje, nenhuma partcula livre com carga fracional foi observada, e este fato experimental levou os cientistas a concluir que somente duas formas de combinar quarks so vlidas.

Combinao de Quarks Combinando um quark com um anti-quark se obtm msons. Como a soma dos spins de um quark e um anti-quark pode resultar em -1; 0; ou +1, os msons tambm so bsons. Combinando dois quarks de carga +2/3 com um quark de carga -1/3 se obtm um brion de carga positiva, como exemplo podemos citar o prton. A combinao de dois quarks de carga -1/3 com um quark de carga +2/3 resulta em um brion neutro, como exemplo podemos citar o nutron. Como a soma dos spins de trs quarks vai resultar em -5/2 ; -3/2 ; -1/2 ; +1/2 ; +3/2 ou +5/2, os brions tambm so frmions. Nutrons e Prtons interagem pela fora forte, intermediando glons, para formar os ncleos atmicos, os quais interagem com os eltrons atravs da fora eletromagntica, trocando ftons virtuais. Da interao entre o ncleo atmico e os eltrons surgem os tomos que constituem a matria macroscpica.

Foras Fundamentais

A fora forte, que atua somente em distncias muito pequenas, menores que o raio do ncleo atmico, intermediada por glons. A fora fraca, que tambm est limitada ao ncleo atmico responsvel pelos decaimentos b e intermediada pelas partculas Z, W-, W+ que so msons. A fora eletromagntica, que pode atuar em qualquer distncia, a responsvel pela maioria das foras que sentimos no nosso dia a dia (atrito, fora muscular, foras de contato ...) intermediada por ftons virtuais. E a fora gravitacional, (seu peso um bom exemplo de fora gravitacional) intermediada por grvitons.

Mais Quarks... Os quarks juntamente com os lptons so as menores partculas constituintes da matria. Observa-se porm, uma diferena muito curiosa entre elas: os lptons so facilmente encontrados livres enquanto que quarks sofrem uma espcie de confinamento que impede a sua existncia isolada. Esta uma questo bem interessante e ao longo do texto faremos vrias referncias a ela. Observa-se, por exemplo, que quando um quark recebe energia atravs da coliso de um eltron ele dissipa esta energia formando pares quark-antiquark ao invs de ser ejetado do ncleo como uma partcula livre. Dessa forma, temos que quarks esto sempre presentes dentro de hdrons. Os hdrons dividem-se em dois grupos: brions e msons. Estes, dessa forma, so compostos da unio de quarks e/ou antiquarks. A seguir faremos uma breve descrio de cada um deles, mostrando alguns exemplos, bem como algumas de suas principais caractersticas.

Msons Msons, os quais so compostos de um quark e um antiquark, so classificados como bsons, pois seu spin sempre inteiro e, portanto, no so obrigados a obedecer o princpio da excluso de Pauli.

Brions Os brions e suas antipartculas que so constitudos por um conjunto de trs quarks ou trs antiquarks, respectivamente.

Mais sobre Brions e Glons:

Os ncleons (prtons e nutrons) so os brions mais leves. Comparando suas energias de repouso com as dos quarks percebe-se que a soma da massa de 3 quarks correspondentes a um determinado ncleon cerca de 100 vezes menor que a massa deste ncleon. A explicao para este fato de que ncleons no so formados apenas por quarks soltos, mas por quarks envoltos em glons.

Carga Cor Da mesma forma que cargas eltricas produzem e sentem campos eletromagnticos, quarks e antiquarks, atravs de sua carga cor, produzem e sentem a ao de um campo. Enquanto cargas eltricas interagem atravs do campo eletromagntico cuja partcula mediadora o fton, quarks e suas antipartculas sofrem a ao da interao forte dentro do ncleo. A partcula mediadora dessa interao o glon; e portanto, esse campo de interao tambm chamado campo glunico.

Lptons Uma caracterstica importante dos lptons que estes no possuem carga cor e por este motivo no participam da interao forte. Como j foi mencionado, as partculas que interagem por meio da fora nuclear so os quarks, atravs da troca de glons que transportam a carga cor. Diferentemente dos quarks, os lptons podem ser observados isoladamente. Estas partculas so estveis, com exceo do Mon e do Tau que possui vida mdia muito pequena. Assim como os quarks, os leptons so partculas constituintes e possuem spin .

Interaes Nosso conhecimento sobre essas partculas e suas propriedades surge ao estudar suas interaes e leis de conservao. Alm das leis de conservao clssicas como: conservao da carga eltrica, conservao da energia e conservao dos momenta linear e angular, existe a lei da conservao dos nmeros leptnico e barinico.

Organograma: Partculas Mediadoras

Glons e Ftons

H somente um tipo de carga eltrica (a carga do eltron) e o seu oposto, a carga do psitron (anti-eltron). Mas h trs tipos de carga cor (vermelho, verde e azul) possveis para cada quark, e os respectivos opostos de cada carga cor (anti-vermelho, anti-verde e anti-azul). Uma diferena muito importante entre ftons e gluons que o fton no transporta carga eltrica, e por isso no pode emitir outros ftons mas pode percorrer grandes distncias (infinitas), j os glons transportam a carga cor, portanto so capazes de emitir gluons e interagir com outros gluons, mas isto os impede de percorrer distncias maiores que o dimetro do ncleo atmico.

Grviton

O modelo padro prev a existncia do grviton, mas as interaes gravitacionais entre as partculas elementares so de pouca intensidade e pouco afetam o comportamento das partculas elementares, porem a deteco do grviton seria uma forte corroborao do modelo padro.