CAPÍTULO 31: Física de Partículas As Forças Fundamentais na Natureza Mésons e o início da Física de Partículas Classificação das Partículas Quarks

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1 CAPÍTULO 31: Física e Partículas As Forças Funamentais na Natureza Pósitrons e outras anti-partículas Mésons e o início a Física e Partículas Classificação as Partículas Leis e Conservação Partículas Estranhas e Estranheza Criano partículas e meino suas proprieaes Quarks Quarks Colorios O Moelo Parão Lista e exercícios sugeria Capítulo 30: Exs.:, 4, 6, 10, 13, 37, 38, 40, 44, 45, 50, 53

2 EXISTEM 4 FORÇAS FUNDAMENTAIS NA NATUREZA Força Nuclear Forte Força Eletromagnética Força Nuclear Fraca Força Gravitacional

3 EXISTEM 4 FORÇAS FUNDAMENTAIS NA NATUREZA Força Gravitacional É uma Força e longo alcance cujo efeito sobre as partículas elementares é esprezível (cresce com a massa os corpos interagino). É a Força responsável por manter planetas e galáxias unios. Sua intensiae é a orem e a Força Nuclear Forte. GM1M F ; one r F força (N) M massa (Kg) r istância (m) G constante gravitacional Nm Kg

4 EXISTEM 4 FORÇAS FUNDAMENTAIS NA NATUREZA Força Eletromagnética É a Força ue liga os átomos e moléculas para formar a matéria comum. A Força eletromagnética tem ~1% a intensiae a Força Nuclear Forte e iminui e intensiae com o inverso o uarao a separação entre as partículas interagentes. k1 F r Lei e Coulomb

5 k1 F ; one r F força (N) carga elétrica (C) r istância (m) k constante eletrostática Nm C GM1M F ; one r F força (N) M massa (Kg) r istância (m) G constante gravitacional Nm Kg

6 EXISTEM 4 FORÇAS FUNDAMENTAIS NA NATUREZA Força Nuclear Forte É a Força entre QUARKS A Força entre os nucleons ue mantêm o núcleo ligao é um efeito resiual a Força Nuclear Forte (Força Nuclear).

7 Prótons e nêutrons, são os maiores componentes a massa a matéria orinária e são compostos por uarks. Prótons e Nêutrons são constituíos por uma combinação e 3 uarks Prótons são constituíos e ois uarks tipo u (up) carga positiva e um uark tipo (own) carga negativa Nêutrons são constituíos por ois uarks tipo (own) carga negativa e um uark tipo u (up) carga positiva. Qualuer partícula subatômica formaa por uarks ue permanecem unios evio à interação nuclear forte é enominaa háron.

8 Consierano o próton com carga positiva igual a uma uniae e carga e o nêutron com carga igual a zero (uniaes e carga). Seno um próton formao por ois uarks tipo u (up), com carga positiva, e um uark tipo (own), com carga negativa, e ue um nêutron é formao por ois uarks tipo (own), com carga negativa, e um uark tipo u (up) com carga positiva. Qual eve ser a carga os uarks u e para ue a carga o próton seja e 1 uniae e a carga o nêutron e 0 uniaes e carga?

9 u u u u u u u (1) 1 em Substituino (1) u u u u Seno (1)

10 EXISTEM 4 FORÇAS FUNDAMENTAIS NA NATUREZA Força Nuclear Forte É a Força entre QUARKS (uarks formam os hárons) Os uarks estão entre as partículas elementares, ou seja, são os constituintes básicos e outras partículas (como os prótons e os nêutrons) e portanto a matéria em geral. 1 Os uarks possuem uma carga elétrica fracionária ± ; 3 ± 3 spin ½ e iferentes meias e massa (energia) e forma a termos seis tipos classificaos: 6 sabores

11 Consierano a tabela abaixo, etermine a carga os anti-uarks: u,, c, s, t, b 6 sabores

12 Consierano a tabela abaixo, etermine a carga os anti-uarks: b t s c u,,,,, 3 ) ( 3 1 ) ( 3 ) ( + c u 3 1 ) ( 3 ) ( 3 1 ) ( b t s 6 sabores

13 EXISTEM 4 FORÇAS FUNDAMENTAIS NA NATUREZA Força Nuclear Forte É a Força entre QUARKS (uarks formam os hárons) A Força entre os nucleons ue mantêm o núcleo ligao é um efeito resiual a Força Nuclear Forte. Sua intensiae é consierável e ominaria toas as outras forças a natureza se o seu raio e ação não fosse tão limitao (a orem e graneza os núcleos atômicos, 1 3 fm) Isto explica porue no núcleo, ois prótons, com a mesma carga positiva Q, não são violentamente separaos pela força eletromagnética: a interação forte é muito mais poerosa e é exercia entre toos os pares e nucleons: próton-próton nêutron-nêutron e próton-nêutron

14 Estabiliae Nuclear Componente repulsiva evio à força e Coulomb ausência a componente repulsiva ~iguais a curtas istâncias Largo alcance omínio repulsivo Curto alcance omínio atrativo O nêutron não sente o potencial elétrico repulsivo (a) Energia potencial em função a istância e separação para o sistema nêutron-próton. (b) Energia potencial em função a istância e separação para o sistema próton-próton. A iferença nas uas curvas é evio à repulsão e Coulomb no caso a interação próton-próton.

15 EXISTEM 4 FORÇAS FUNDAMENTAIS NA NATUREZA Força Nuclear Fraca É uma Força e curto alcance (~ < 1fm) ue tene a prouzir instabiliae em certos núcleos. É a Força responsável pelo ecaimento beta. Sua intensiae é a orem e < 0.001% a Força Nuclear Forte. A partícula mais comum ue interage somente por meio a força fraca é o neutrino. A interação fraca é causaa pela emissão ou absorção e bósons (W e Z). NOVO CONCEITO

16 Na Física Moerna as interações entre as partículas são escritas em termos e um moelo estrutural ue envolve a troca e partículas e campos ou uanta. No caso a interação eletromagnética, as partículas e campo são os fótons.

17 Assim, a Força Eletromagnética é meiaa pelos fótons e os fótons são os uanta o campo eletromagnético. Da mesma forma, a força nuclear forte é meiaa por partículas e campo chamaas e glúons. Os glúons, assim como os fótons, não possuem massa, nem carga elétrica, mas transmitem e sofrem a interação nuclear forte. Glúons são bósons ue transportam a força nuclear forte. partículas elementares Glúons mantêm os uarks unios formano prótons e nêutrons A Força Fraca é meiaa por partículas chamaas bósons (W e Z). partículas elementares caracterizaas por um spin inteiro. E a Força Gravitacional é meiaa pelos uanta o campo gravitacional chamaos e grávitons (partícula teórica ue seria um bóson).

18 Glúons formaos por pares e cores 8 espécies A força nuclear (ou força forte resiual) é responsável pela interação entre um próton e um nêutron. Os círculos uplos peuenos e colorios são glúons (ue são bósons spin inteiro), ue mantêm a ligação entre prótons e nêutrons. Estes glúons também mantêm a combinação uarkantiuark chamaa e píon, e, assim, ajuam a transmitir uma parte resiual a força forte.

19 QUANDO NÚCLEOS coliem e a ensiae e energia as partículas prouzias é suficientemente elevaa, então um plasma uark-glúon poeria ser prouzio. Conições extremas e pressão e temperatura

20 Uma classificação para os tipos básicos e partículas elementares é iviia em: Bósons (meiaores): partículas elementares com spin inteiro Férmions: partículas elementares com spin fracionao No Moelo Parão se classificam os Férmions em ois tipos funamentais: QUARKS LÉPTONS 6 sabores No Moelo Parão a Física e Partículas os Férmions são consieraos os constituintes básicos a matéria, ue interacionam entre eles via bósons (meiaores elementares).

21 Uma classificação para os tipos básicos e partículas elementares é iviia em: Bósons: partículas elementares com spin inteiro Férmions: partículas elementares com spin fracionao No Moelo Parão se classificam os Férmions em ois tipos funamentais: QUARKS LÉPTONS No Moelo Parão a Física e Partículas os Férmions são consieraos os constituintes básicos a matéria, ue interagem via bósons.

22 Uma classificação para os tipos básicos e partículas elementares é iviia em: Bósons: partículas elementares com spin inteiro Férmions: partículas elementares com spin fracionao No Moelo Parão se classificam os Férmions em ois tipos funamentais: QUARKS formam as partículas o núcleo atômico, e interagem meiante a Força Nuclear Forte LÉPTONS entre eles estão os elétrons e outras partículas ue interagem basicamente meiante a interação a Força Fraca e eletromagnética (neste último caso, se as partículas são carregaas). TODOS os léptons têm spin ½ No Moelo Parão a Física e Partículas os férmions são consieraos os constituintes básicos a matéria, ue interacionam entre eles via bósons

23 As partículas compostas ue contêm um número par e férmions (partículas elementares e spin fracionao) chegam a comportar-se como bósons (partículas elementares) para valores e energia tais ue não se uebrem as ligações entre elas. Este é o caso os mésons Em Física e Partículas méson é um bóson (partícula elementar com spin inteiro [0,1]) ue respone à interação nuclear forte, isto é, um háron (efinio como uma composição e uarks mantios juntos pela força nuclear forte). Os mésons são partículas formaas por um uark e um anti-uark com carga elétrica igual a -1, 0, +1

24 Quais são os valores as cargas os seguintes mésons? Quais são a(s) possível(is) combinações (uark-antiuark) entre u e para formar caa um os mésons π+,π- e π0 (one +, - e 0 representam as possíveis cargas o méson (+1e, -1e, 0e).

25 Quais são os valores as cargas os seguintes mésons? π ( u) + ( ) ( c) + ( c ) ( u) + ( s ) 1 Quais são a(s) possível(is) combinações (uark-antiuark) entre u e para formar caa um os mésons π+,π- e π0 (one +, - e 0 representam a carga o méson) + 0 u ; π u; π / uu

26 As partículas compostas e uarks ue interagem por meio a força nuclear forte são chamaas e hárons. Os hárons são iviios em uas classes epeneno o número e suas massas e spin: Mésons possuem spin nulo ou inteiro (0 ou 1) e uma massa entre o elétron e o próton (aí o nome «méson»). A maioria os mésons possuem massas nestes intervalos. Os mésons são formaos por um uark e um anti-uark. Os Bárions têm massas iguais ou superiores à massa o próton e seus spins têm sempre um valor fracionao: 1 ou 3 Assim prótons e nêutrons são bárions.

27 O próton tem uma única carga positiva +e e o elétron tem uma única carga negativa -e one: e O nêutron não tem carga elétrica, ou seja, é eletricamente neutro. 19 C Como o nêutron não tem carga, não interage eletricamente com outras partículas e é ifícil e ser etectao (e é altamente ionizante). Repulsão Força e Coulomb Próton : Nêutron : Elétron : Kg u Kg Kg u u ,8MeV/c 939,57MeV/c 0.511MeV/c

28 Originalmente, foi previsto por Hieki Yukawa ue os mésons eram os portaores a força ue une o próton ao nêutron. O píon foi o primeiro méson autêntico a ser escoberto. O píon, portaor a força nuclear forte, aparece em três varieaes + 0 corresponeno aos 3 estaos e carga: π, π, π As partículas π+ e π- têm massas iguais a A partículaπ0 tem massa inferior e igual a Os píons têm spin zero π µ µ 139MeV 135MeV um uark "up" e outro uark "anti-own" compõe oπ + ; um uark "own" e outro "anti-up" compõe oπ, sua antipartícula. a combinação "up-antiup" e "own-antiown" constitui oπ 0, O méson π ± tem uma massa e 139,6 MeV/c e uma via méia e, segunos. A esintegração principal é em um muon e um neutrino: e + ν + ν + ν c c

29 As partículas compostas ue contêm um número par e férmions (partículas elementares e spin fracionao) chegam a comportar-se como bósons (partículas elementares) para valores e energia tais ue não se uebrem as ligações entre elas. Este é o caso os mésons Em Física e Partículas méson é um bóson (partícula elementar com spin inteiro [0,1]) ue respone à interação nuclear forte, isto é, um háron (efinio como uma composição e uarks mantios juntos pela força nuclear forte). Os mésons são partículas formaas por um uark e um anti-uark com carga elétrica igual a -1, 0, +1

30 Na Física Moerna as interações entre as partículas são escritas em termos e um moelo estrutural ue envolve a troca e partículas e campos ou uanta. No caso a interação eletromagnética, as partículas e campo são os fótons. Este iagrama e Feynman representa a interação eletromagnética (a expressão força resultaría mais familiar) entre ois elétrons meiaa pelo intercâmbio e fótons virtuais.

31 Na interação elétron-elétron, o fóton ue transfere energia e momento e um elétron para outro é chamao e fóton virtual, pois esaparece urante a interação sem ser etectao. Os fótons virtuais não violam a Lei e Conservação e energia pois, pelo princípio a incerteza, têm um tempo e via muito curto. Pelo Princípio a Incerteza t E h E h t h E Para um tempo muito peueno ( t) a incerteza na energia o sistema composto pelos ois elétrons e pelo fóton é maior ue a energia o fóton. ou t

32 Consierano um píon fazeno a meiação a força nuclear entre um próton e um nêutron como no moelo e Yukawa. A energia e repouso ER necessária para criar um píon e massa mπ é aa pela euação e Einstein: E R m c A simples existência o píon tene a violar a lei e conservação a energia se a partícula existisse por um tempo maior o ue E R One t é o tempo necessário para o píon transferir-se e um núcleon para outro. t h h Portanto: ER mπ c Como o píon não poe eslocar-se mais rápio o ue a velociae a luz, existe uma istância máxima ue ele poe percorrer ue é c assim: h hc c t t m c Estimativa a π energia o píon t c m π π c t h

33 Consierano a atuação a força nuclear em istâncias a orem o fermi (fm). Utilizano este valor na euação abaixo, estime a energia o píon. h c t t m c π c m c π hc h J s 8 c m/ s 1 fm m

34 O alcance a força nuclear é a orem e Utilizano este valor para na euação: m 1fm c t h m π c ( 34 )( J s m/ s) ( m) hc 11 mπ c J 100MeV Esta é a mesma orem e graneza as massas os píons. Seção 31.3 Mésons e o Início a Física e Partículas Exercício 5: Um os meiaores a interação fraca é o bóson Z0 com massa igual a: 93GeV / c. Utilize esta informação para encontrar a orem e graneza o alcance a força e interação fraca. c t hc 4π E

35 Seção 31.3 Mésons e o Início a Física e Partículas Exercício 5: Um os meiaores a interação fraca é o bóson Z0 com massa igual a: 93GeV / c. Utilize esta informação para encontrar a orem e graneza o alcance a força e interação fraca. A criação e um bóson virtual Z E t c t h E 10 hc 4π E 18 m 9 ev 34 0 e não poe urar mais ue : ( ev ) representa uma flutuação e energia : e mover - se por uma istância maior ue c t ( π J s)( m/ s) 1eV J m