O que é o desbalanço de Matéria e Anti-matéria no Universo? Ignacio Bediaga Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas

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1 O que é o desbalanço de Matéria e Anti-matéria no Universo? Ignacio Bediaga Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas

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3 "Do que a matéria é feita?" O Átomo dinâmico do Séc XX Partículas alfa Rutherford:

4 Átomo Quântico Bohr: Postulados de 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 energia constante e bem definida, dada por: E = -13,6 ev, n=1,2,3,.. n2 4. Os elétrons nas suas orbitas não irradiam.

5 Mecânica Quântica Dualidade onda partícula De Boglie (1924) Schrödinger (1926) Heisenberg (1927)

6 "Do que a matéria é feita?" Elétrons e Quarks (1964)

7 Quarks e Leptons Três famílias de Quarks e três famílias de Leptons. Todas já produzidas e observadas em aceleradores.

8 "Do que a matéria é feita?"... enorme vazio O Sol esta para o nosso sistema planetário assim como o núcleo esta para o átomo

9 "Do que a matéria é feita?"... e Forças Ruptura das ligações eletromagnéticas Estrutura Cristalina

10 As Forças da Natureza Existem quatro forcas fundamentais na Natureza Gravitacional Fraca Eletromagnética Forte

11 Ação de forças a distância Lei da Gravitação Universal de Newton: 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:

12 Ação de forças a distância Lei de Coulomb: Atração e repulsão entre dois imãs Como se transmite a força?

13 Como se transmitem as forças?

14 Como se transmitem as forças?

15 Como se transmitem as forças?

16 Como se transmitem as forças? As força se transmitem através da troca de partículas. Que partículas?

17 Como se transmitem as forças? Eletromagnética tempo Fóton γ: Atua em todas as partícula que possuam carga elétrica. Responsável pelo atrito, o magnetismo, a coesão das moléculas e etc.

18 Como se transmitem as forças? Forte Eletromagnética repulsiva Núcleo: Prótons e Nêutrons Residual forte atrativa Força forte, tem carga de cor e é transmitida pelo Glúon g tempo Outra interação básicas da natureza Atua em todas as partícula que possuam carga de cor, ou seja os quarks.

19 Como se transmitem as forças? Nuclear Méson π: Atua em todas as partícula nucleares. Residual forte atrativa

20 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.

21 Como se transmitem as forças? Fraca Três famílias de Quarks e três famílias de Leptons no início do universo Desintegração Reduzidos a uma família de cada

22 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,WeZ Outra interação básicas da natureza tempo

23 Bósons e Fermions! 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 ). tempo Primeira das interações básicas da natureza

24 "Do que a matéria é feita?" Partículas Interagindo! Interações básicas da natureza Interações combinadas tempo

25 Como se transmitem as forças? Gravitacional A mais universal, a mais antiga. Mas é a menos conhecida das quatro forças da Natureza! Graviton?

26 Einstein Dois 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' Fator de Lorentz γ= = γ Δt 1 ( 1- v2/c2) Espaço e tempo são relativos ao observador, não mais uma moldura onde se desenrola o movimento

27 E = m0 c 2 Equivalência massa e energia para um corpo em repouso

28 2 E = m0 c γ Equivalência massa e energia para um corpo em movimento γ = 1 ( 1- v2/c2)

29 2 E=γmc Equivalência massa e energia γ = 1 ( 1- v2/c2) { Se v2/c2 1; γ ee Se v2/c2 0; γ 1 e E m0 c2 Conseqüências diretas do princípio da relatividade: 1-Nenhum objeto com massa pode ter velocidade maior que a luz 2- c = metros por segundo, isto implica que a massa concentra uma imensa quantidade de energia

30 Gedankenexperiment Equação de Dirac (1928) Erwin Schrodinger e Werner Heisenberg: Mecânica Quântica. Einstein: Relatividade Equação de Dirac para um elétron relativístico

31 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 Descoberta do anti-próton, mesma massa do próton, mas com carga negativa.

32 Anti-Matéria Para cada partícula de matéria temos outra de anti-matéria

33 Átomos de Anti-Hidrogeneo ATHENA e ATRAP Mesmo espectro de luz? ANTIHYDR Mesmo peso?

34 Nova Dinâmica: Aniquilação Partícula Anti-Partícula Criação Partícula Anti-Partícula Aniquilação Partícula Anti-Partícula Aniquilação e Criação Partícula AntiPartícula, dependente da energia inicial.

35 "Do que a matéria é feita?" Partículas Interagindo! Interações básicas da natureza Interações combinadas tempo

36 Dinâmica Partícula Anti-Partícula tempo

37 Início do Universo: criação e destruição

38 Dinâmica Partícula Anti-Partícula tempo

39 Expansão e resfriamento Uma infinidade de pares partícula anti-partícula Leva a uma infinidade de Fótons com mesma energia pairando pelo Universo

40 Proporção partícula anti-partícula

41 Radiação de fundo a K0 Menos de 0.01% de variação

42 Sobrou alguma Matéria

43 Onde esta a Anti-Matéria? Balões com detectores de anti partículas. Radio telescópios, satélites com detecção de raios gamma e raios X. Nenhuma evidência de anti matéria em ~ 1 Bilhão de anos luz

44 Condições de Sakharov Para a produção da assimetria entre a matéria e a anti matéria, 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.

45 Violacão do número Barionico Processos onde: o número de quarks, menos o número de anti quarks, é diferente entre o estado inicial e final.

46 Resultados Experimentais Aparentemente somente em sistemas fora do equilíbrio termodinâmico.

47 Plasma de Quarks e Glúons (QGP) Estado do Universo logo após o Big Bang Energias vezes a temperatura do centro do Sol Energias vezes superior a temperatura do centro do Sol

48 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

49 ~ partículas produzidas em uma colisão

50 Detector: Alice

51 Simetria de CP P C CP

52 Violação da simetria de CP

53 Condições de Sakharov Para a produção da assimetria entre a matéria e a anti matéria, 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

54 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.

55 Teorema de CPT Reversibilidade temporal tempo e+ e tempo μ+ Z0 μ- μ+ μ- e+ 00 ZZ Igual probabilidade Teorema CPT: violação de CP Irreversibilidade Transformacão em tempo pode ser descrita por uma transformacao complexa e iet T eiet e

56 Como se transmitem as forças? Fraca Três famílias de Quarks e três famílias de Leptons no início do universo Desintegração Reduzidos a uma família de cada

57 Matrix de transicão entre qurks Grande probabilidade ± W Pequena probabilidade

58 Kobayashi-Maskawa Nobel de 2008 Matriz de Cabibbo de mistura 2X2: não permite violação de CP, falta o termo complexo. 2 3 famílias de quarks Matriz de mistura 2X2 > 3X3, permite um termo complexo que poderia explicar a violação de CP Kobayashi e Maskawa propuseram dois novos quarks o b e t

59 Quark b: maior fonte de violacão de CP Decaimentos de partículas envolvendo o quark b, apresentam forte componente de violação de CP Bd π - K+ ACP= ± Bu ρ0k+ ACP= ± 0.10

60 Colaborações Belle e BaBar KEK Japão 657 milhões de Mésons B's produzidos PEP II- Stanford-EUA 383 milhões de Mésons B's produzidos

61 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 anti matéria do Universo Novas fontes de violação de CP são necessárias

62 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

63 LHCb

64 Interferência: Decaimentos do B em três corpos Proposta estudar a desintegração B± > K ± π +π - I.B, R. Blanco, C. Gobel e R.Mendez Galain PRL V81, 4067 (1998) e I.B, G. Guerrer e J. Miranda, PR D76: (2007) Estudar as interferência entre estados intermediários

65 Anisotropia de CP Subtração entre os planos do decaimento do B+ e o B, fornece um mapa da violação de CP Decaimentos: B± >π ± π +π - B± >K ± π +π - B± >π ± K +K - B± >K ± K +K - B± >π ± p p B± >K ± p p - Violação de CP: vinda ou não da matriz de CKM

66 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

67 "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 medida e se extingue com medida. medida Heráclito (500AC)