o que é o desbalanço de matéria e anti-matéria no universo? · constante e bem definida, dada...
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O que é o desbalanço de Matéria e Anti-matéria no Universo?
Ignacio Bediaga
Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas
"Do que a matéria é feita?"O Átomo dinâmico do Séc XX
Rutherford:
Partículas alfa
Bohr:
Postulados de 1913 1. Elétrons orbitam em torno do núcleo sobre a
influência da atração Coulombiana.
2- A órbita circular do elétron tem raios quantizados.
3- Em cada órbita permitida, o elétron tem uma energiaconstante e bem definida, dada por: E = -13,6 eV, n=1,2,3,.. n2
4. Os elétrons nas suas orbitas não irradiam.
Átomo Quântico
Heisenberg
(1927)Dualidade
onda partícula
De Boglie
(1924)
Schrödinger
(1926)
Mecânica Quântica
"Do que a matéria é feita?"Elétrons e Quarks (1964)
Quarks e Leptons
Três famílias de Quarks e
três famílias de Leptons.
Todas já produzidas e observadas em
aceleradores.
"Do que a matéria é feita?"
........ enorme vazio
O Sol esta para o nosso sistema planetário assim como o núcleo esta para o átomo
"Do que a matéria é feita?"........... e Forças
Estrutura CristalinaEstrutura CristalinaRuptura das Ruptura das ligaçõesligações
eletromagnéticaseletromagnéticas
As Forças da Natureza
Existem quatro forcas fundamentais na
Natureza
Gravitacional Fraca Eletromagnética Forte
Ação de forças a distância
Sucesso absoluto para explicar diferentes fenômenos, movimento das mares, movimento da Lua e dos planetas, movimento de um projetil na terra, tudo isso com uma simples equação:
Lei da Gravitação Universal de Newton:
Como se transmite a força?
Ação de forças a distância
Lei de Coulomb:
Atração e repulsão entre dois imãs
Como se transmitem as forças?
Como se transmitem as forças?
Como se transmitem as forças?
Como se transmitem as forças?
As força se transmitem através da troca de partículas.Que partículas?
Como se transmitem as forças?Eletromagnética
Fóton γ:Atua em todas as partícula que
possuam carga elétrica.
Responsável pelo atrito, o magnetismo, a coesão
das moléculas e etc.
tempo
Como se transmitem as forças?Forte
Núcleo: Prótons e Nêutrons
Força forte, tem carga de cor e é transmitida pelo
Glúon g
Eletromagnética repulsiva
Residual forte atrativa
Atua em todas as partícula que possuam carga de cor, ou seja os quarks.
Outra interação básicas da natureza
tempo
Como se transmitem as forças?Nuclear
Residual forte atrativa
Méson π:Atua em todas as partícula
nucleares.
Hádron:Quarks confinados a baixas temperaturas
Do grego ἁδρός: "forte", "robusto".
Partículas que interagem através das forcas fortes.
Todas formadas por quarks.
Próton, Nêutron, Mésons e toda uma imensa família observada em laboratórios.
Hadronização é o processo dos quarks se agruparem em hádrons.
Como se transmitem as forças?Fraca
Três famílias de Quarks e
três famílias de Leptonsno início do universo
Reduzidos a uma família
de cada
Desintegração
Como se transmitem as forças!!Fraca
Interage com os quarks e leptons.Responsável pela desintegração dos quarks e leptons pesados.
Não forma estado ligado.A mais surpreendente das quatro forças da Natureza.
W+, W- e Z0
Outra interação básicas da natureza
tempo
Existem dois tipos de partículas:as transmissoras de força,
conhecidas como bósons
e as receptoras, conhecidas como fermions
(A família dos elétrons (leptons) e a família dos quarks ).
Bósons e Fermions!
Primeira das interações básicas da
natureza
tempo
"Do que a matéria é feita?"Partículas Interagindo!
Interações básicas da natureza
Interações combinadas
tempo
Como se transmitem as forças?Gravitacional
A mais universal, a mais antiga. Mas é a menos conhecida das quatro forças da Natureza!
Graviton?
EinsteinDois postulados:
1- O princípio da relatividade. As leis da física são as mesmas em todos os referenciais.
2- Velocidade universal da luz. A velocidade da luz no vácuo é sempre a mesma, independente da velocidade da fonte, e esta é máxima.
Contração espacial Δx' = Δx /γ Dilatação temporal Δt' = γ Δt
γ = 1
√( 1- v2/c2)
Espaço e tempo são relativos ao observador, não mais uma moldura onde se desenrola o movimento
Fator de Lorentz
E = m0 c 2
Equivalência massa e energiapara um corpo em repouso
E = m0 c 2 γ
Equivalência massa e energiapara um corpo em movimento
γ = 1
√( 1- v2/c2)
E = γ m c 2
Equivalência massa e energia
Se v2/c2 → 1; γ → ∞ e E → ∞Se v2/c2 → 0; γ → 1 e E → m
0 c2
γ = 1
√( 1- v2/c2)
Conseqüências diretas do princípio da relatividade:
1-Nenhum objeto com massa pode ter velocidade maior que a luz
2- c = 300.000.000 metros por segundo, isto implica que a massa concentra uma imensa quantidade de energia
{
Gedankenexperiment Equação de Dirac (1928)
Erwin Schrodinger e Werner Heisenberg:Mecânica Quântica.
Einstein: Relatividade
Equação de Dirac para um elétron relativístico
Pósitron ou anti-elétron
A solução desta equação é da forma: E2 = m2 C4 , ou seja E pode ser tanto + mc2 como - mc2 .
Energia negativa ou anti-partícula?????
1932 – Descoberta do pósitron ou anti-elétron,mesma massa do elétron, mas com carga positiva.
1955 – Descoberta do anti-próton, mesma massa do próton, mas com carga negativa.
Anti-Matéria
Para cada partícula de matéria temos outra de anti-matéria
Átomos de Anti-Hidrogeneo ATHENA e ATRAP
ANTIHYDR
Mesmo espectro de luz?
Mesmo peso?
Nova Dinâmica: Aniquilação Partícula Anti-Partícula
Criação Partícula Anti-Partícula
Aniquilação Partícula Anti-Partícula
Aniquilação e Criação Partícula Anti-
Partícula, dependente da energia inicial.
"Do que a matéria é feita?"Partículas Interagindo!
Interações básicas da natureza
Interações combinadas
tempo
Dinâmica Partícula Anti-Partícula
tempo
Início do Universo: criação e destruição
Dinâmica Partícula Anti-Partícula
tempo
Expansão e resfriamento
Uma infinidade depares partícula anti-partícula
Leva a uma infinidade de
Fótons com mesma energia pairando
pelo Universo
Proporção partícula anti-partícula
Radiação de fundo
2.7248 a 2.7252 K0 Menos de 0.01% de variação
Sobrou alguma Matéria
Onde esta a Anti-Matéria?
Balões com detectores de antipartículas.
Radio telescópios, satélites com detecção de raios gamma e raios X.
Nenhuma evidência de antimatéria em ~ 1 Bilhão de anos luz
Condições de Sakharov
Para a produção da assimetria entre a matéria e a
antimatéria, observada no universo atual, são
necessárias duas condições:
O número bariônico ser violado.
Violação de C e de CP.
Estas duas condições seriam possíveis, segundo
Sakharov, somente em um sistema fora do equilíbrio
termodinâmico, ou seja no Universo em forte expansão.
Violacão do número Barionico
Processos onde: o número de quarks, menos o número
de antiquarks, é diferente entre o estado inicial e final.
Resultados Experimentais
Aparentemente somente em sistemas fora do equilíbrio termodinâmico.
Plasma de Quarks e Glúons (QGP)
Estado do Universo logo após o BigBang
Energias 100.000 vezes a temperatura do centro do Sol
Energias 100.000 vezes superior a temperatura do centro do Sol
Produção de QGP Período especial de tomada de dados com núcleo de
chumbo com energia de 2.8 TeV por núcleon
Densidade de energia 2 X 2.8 TeV X 416 N / 14 fm3 ~ 150 TeV/fm3
~10.000 partículas produzidas em uma colisão
Detector: Alice
Simetria de CP
CC
PP
CPCP
Violação da simetria de CP
Condições de Sakharov
Para a produção da assimetria entre a matéria e a
antimatéria, observada no universo atual, são
necessárias duas condições:
O número bariônico ser violado.
Violação de C e de CP.
>>e
Isto daria contado fato de que a soma das cargas elétrica do Universo é zero
Observação de Violação da Simetria de CP em um sistema em equilíbrio
termodinâmico
1/500 dos Klong
se desintegravam em 2 pions, violando CP
em um sistema em equilíbrio termodinâmico.
Teorema de CPTReversibilidade temporal
e+
e
μ+
μ-ZZ00
tempotempo
Igual probabilidade
Teorema CPT: violação de CP → Irreversibilidade
Transformacão em tempo pode ser descrita por
uma transformacao complexa eiEt T e→ → iEt
ZZ00
μ+
μ- e
e+
ZZ00
Como se transmitem as forças?Fraca
Três famílias de Quarks e
três famílias de Leptons
no início do universo
Reduzidos a uma família
de cada
Desintegração
Grande probabilidade
Pequena probabilidade
Matrix de transicão entre qurks
WW±±
Kobayashi-Maskawa Nobel de 2008
2 → 3 famílias de quarksMatriz de mistura 2X2 > 3X3,permite um termo complexo que poderia explicar a violação de CP
Matriz de Cabibbo de mistura 2X2: não permite violação de CP, falta o termo complexo.
Kobayashi e Maskawa propuseram dois novos quarks o b b e tt
Quark b: maior fonte de violacão de CP
Decaimentos de partículas envolvendo o quark b, apresentam forte componente de violação de CP
ACP= - 0.097 ± 0.012
Bd → π - K+
Bu → ρ0K+
ACP= - 0.41 ± 0.10
ColaboraçõesBelle e BaBar
PEP II- Stanford-EUAKEK Japão
657 milhões de Mésons B's produzidos
383 milhões de Mésons B's produzidos
Observação de Violação da Simetria de CP em um sistema em equilíbrio
termodinâmico
Violação de CP nos decaimentos dos mésons K's e B's, podem ser explicados pelo Modelo Padrão
Entretanto ela não explica toda a violação de CP necessária para entender a assimetria matéria antimatéria do Universo
Novas fontes de violação de CP são necessárias
Colaboração LHCb no LHC
Produzir de 10 a 100 vezes mais B's por ano que o Belle e BaBar produziram nos 10 anos de funcionamento
LHCb
Interferência: Decaimentos do B em três corpos
Proposta estudar a desintegração B± ̶> K ± π + π -
I.B, R. Blanco, C. Gobel e R.MendezGalain PRL V81, 4067 (1998) e I.B, G. Guerrer e J. Miranda, PR D76: 073011 (2007)
Estudar as interferência entre estados intermediários
Anisotropia de CP
Decaimentos:
B± ̶>π ± π + π -
B± ̶>K ± π + π -
B± ̶>π ± K + K -
B± ̶>K ± K + K -
B± ̶>π ± p̶ p
B± ̶>K ± p̶ p -
Subtração entre os planos do decaimento do B+ e o B, fornece um mapa da violação de CP
Violação de CP: vinda ou não da matriz de CKM
Sumario
A dinâmica das interações tem um papel central na formação da matéria.O processo de criação-aniquilação foi dominante no início do Universo. Uma parte em um 10bilhões de quarks não se aniquilaram com a expansão do Universo. Não há evidências de processos onde o número bariônico é violado.Existe violação de CP em sistemas em equilíbrio termodinâmico, mas não é suficiente para explicar a assimetria matéria anti-matéria. A experiência LHCb te como objetivo aprofundar ainda mais a questão da violação de CP
"Do que a matéria é feita?"A filosofia de Heráclito
“Este Cosmos não foi feito por deuses ou por homens,mas que sempre foi , e é, e
será, como um fogo eternamente vivente, que se
acende com medidamedida e se extingue com medidamedida.”
Heráclito (500AC)