Nestre curso, estudamos propriedades básicas de núcleos atomicos e de partículas elementares e introduzimos modelos e abordagens teóricas utilizadas,

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1 I. INTRODUÇÃO Nestre curso, estudamos propriedades básicas de núcleos atomicos e de partículas elementares e introduzimos modelos e abordagens teóricas utilizadas, embora muitas vezes apenas no nível bastante qualitativo. Historicamente falando, a física nuclear e de partículas elementares tem sido um campo da física que vem introduzindo novos conceitos surpreendentes para resolver as questões fundamentais da física[? ]. Ao mesmo tempo, as necessidades de invenção de novos métodos experimentais e suas resoluções técnicas vêm estimulando o desenvolvimento da tecnologia em outras áreas, em particular, na área de instrumentação eletrônica e informática. Um exemplo típico é a invenção do sistema WWW que foi primeira vez introduzido pela comunidade de física de alas energias no CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) em Genebra. As tecnologias desenvolvidas em instrumentação para deteção de partículas atualmente tem campo de aplicação importante na área de medicina nuclear. A pesar disto, neste últimos décadas, do ponto de vista conceitual, a física nuclear e de altas enegias aparentemente vem sofrendo uma certa desaceleração no que diz respeito a descoberto de novos fenômenos que provocariam a mudânça fundamental nos conceitos, pelo menos aqueles que realmente confirmadas experimetalmente. A perspectiva de se encontrar tais fenômenos nos aceleradores também não está sendo tão clara. Reflectindo este fato, vários aceleradores foram desativados nos últimos anos, e programas e projetos de grandes aceleradores vem sofrendo as cortes de verbas em varios paises. Isto não quer dizer que não tem surgidas propostas e idéias novas e nem a falta de perspectivas. Pelo contrário, existem várias idéias e abordagens até muito criativas e interessantes. Mas já alguns tempos mudanças conceituais na base da física não se consagraram. Isto porque, afinal a física é uma ciência que tem como base os fatos observacionais. As idéias revolucionárias que contribuiram no salto significativo em desenvolvimento de conceitos básicos da física em geral têm surgidas quando enfrentamos alguns fenômonos conratidórios com os conceitos já estabelicidos, causando um enpasse. Como exemplos típicos podemos lembrar o experimento de Michelson e Morley sobre a velocidade de luz, e outro, o espectro de corpo negro. Atualmente na área de física nuclear e de partículas estamos enfrentando uma gama de fenomenos extremamente complexos e específicas, nos quais não foram identificados sinais claras de violação de leis até agora estabelecidas. Entretanto, não sabemos se os dados ex- 1

2 perimentais existentes de fato não manfestam sinais de nova lei da física e precisamos buscar outras fontes (aumentar escala da energia das experiencias, ou buscar fenômenos de processos astrofisicos), ou, se existe possibilidade de encontrar algo novo ainda mas estão faltando precisão de analises dos dados alcançáveis da escala de energia atual. Lembre que numa palestra no Royal Institution em 27 de abril de 1900, o Lord Kelvin (William Thomson) ( ) mencionou que a física Newtoniana conquistou um grande sucesso, e a compreensão básica da lei de natureza está fundamentalmente estabelecida, exceto, talvez, as duas pequenas nuvens no horizonte, que são da radiação de corpo negro e o experimento de Michelson-Morley. Estes duas pequenas nuvens cresceram em tempestagem que alteraram o conceito básico da física moderna. Na escala menor, também tivemos a situação análogo no final da decada 60, quando a comunidade física de altas energias tinha enfrentado um período bastante confuso, sem capaz de formular uma teoria promissora, embora, as idéias que serviu como sementes do modelo padrão de hoje já vem acumulando. A situação foi esclarecida com a série de experiências que definiu o estabelecimento de chromodinâmica quântica e em seguida formulação do modelo padrão atual, tais como, o espalhamento muito profundo de elétrons que identificou os quarks, a descoberta de partícula J/Psi e descoberta de lepton pesado, tau. A motivação primodial nas bases de Física Nuclear e Física de Partículas Elementares é uma das questões mais antigas, O que constitui a nossa matéria?. Esta questão também está relacionado intimamente a outra questão, "qual é a orgem das forças?" Até no final do século 19, foram conhecidas a existência de forças gravitacionais e as forças eletromagnéticas. As forças gravitacionais foram formuladas primeiramente pelo Newton. As forças eletromagnéticas foram formuladas teoricamente pelo J. C. Maxwell como consequência de unificação das forças elétricas e forças magnéticas num único esquema através de 4 equações que tem seu nome. No início de século 20, com vários descobertas de fenomenos novos, tais como radio atividades e processos quânticos, a existências de outras forças ficaram evidentes. Assim, no século 20, 4 tipos de formas da interações fundamentais na natureza foram reconhecidas, a saber, a interação gravitacional, a interação eletromagnética, a interação forte e a interação fraca. Um dos temas principais da física comtempranea é construir uma teoria que unificam todas as estas forças. Quando a teoria de relatividade geral foi formulado pela Einstein em termos de visão geométrica do espaço tempo, muitas esforças foram feitas para tentar unificar a força gravitacional e a força eletromatnética numa abordagem geométrica. 2

3 Posteriormente, com avanço de compreenção dos fenômenos quânticos e surgimentos de outras forças, foi reconhecido que a tentativa geométrica, pelo menos no contexto daquela epoca, não é adequada, embora a idéia de unificação das forças da natureza continua sendo um tema principal da física. Na década 1960, dentro da esquema de teoria de calíbre, a interação fraca e a interação eletromagnética foram unificada por A.Salam e S. Weinberg, independentemente. Neste formulação, a interação eletromagnética e a interação fraca são as duas faces de uma mesma teoria, a teoria de eletro-fraca, como a interação elétrica e a interação magnética são as duas faces de uma mesma teoria de electromagnetismo. O sucesso da abordagem de teoria de calíbre da interação eletrofraca também foi estendido para formular a interação forte em termos de chromodinâmica quântica. Assim, com as teorias eletrofraca e chromodinâmica quântica, temos esquema teorica que descrevem todas as forças que atuam no mundo microscópico, exceto a força gravitacional. Esta teoria é atualmente chamado de Modelo padrão. Como veremos, existem vários fatos experimentais que o Modelo Padrão descreve bem e até no momento, não há evidência contraria. Por outro lado, certamente o Modelo Padrão ainda não será uma teoria final que desejamos. Isto porque, em primeira lugar, o Modelo Padrão é apenas uma agregação direta (produto direto de grupos) das duas teorias independentes, a teoria eletrofraca e a chromodinâmica quântica. Exitem vários parâmetros contidos no Modelo Padrâo sem explicaçaão da sua origem. Em segunda lugar, o mais importante, é que a interação gravitacional não está unificada neste esquema. A interação gravitacional tem a peculiaridade comparada com as outras interações. Todas as interações exceto gravitação existem "carga" como fonte de interação. No caso da interação gravitacional, ela acopla com todas as energias, inclusive a energia da própria. Esta propriedade requer um esquema diferente da teoria de campo usual para formular uma teoria quântica de gravitação. Esta direção está sendo desenvolvida em termos de supersymmetria e teoria de super-cordas e um vasto avanço nos formalismos com consistência matemática são obtidos, embora ainda não se encontram evidências observacionais para consagrar a abordagem. De qualquer forma, não o assunto ultrapassa o tema deste curso e não será tratado aqui, a não ser a pequena pincelagem sobre o tema em relação a perspectiva futura, e nos restringimos basicamente nos fatos consagrados até o presente e os caminhos em que os conceitos atuais foram adequiridos. Mesmo assim, o tema tratado neste curso é extremamente vasto. Mesmo no nível introdutório, não é possível tratar todos os assuntos importantes em detalhe, especialmente 3

4 na forma de aulas expositivas. Assim, adotaremos o seguinte método. Nas aulas expositivas, abordamos vários tópicos e técnicas matemáticas que fornecem uma visão global sobre aspectos fenomenologicos da física nuclear e partículas, inclusive os conceitos e modelos estabelecidos, seguindo basicamente a evolução histórica do assunto. Desta forma, esperamos que os alunos adequirem um conhecimento geral e visão geral sobre porque e como alcançamos o estado atual da área. 4

5 II. MÉTODOS EXPERIMENTAIS A. Métodos de Deteção 1. Interação de partículas com a matéria B. Aceleradores III. PROPRIEDADES GERAIS DE NUCLEOS A. Carta de Nucledeos, Especíe Nuclear B. Raios Nucleares e distribuição de carga C. Estabilidade e modos de decaimento nuclear 1. Isomeros e Decaimento γ 2. Estabilidade β e Decaimento β 3. Decaimento α 4. Fissão 5. Emissão de neutrons D. Energia de ligação e descrição fenomenológica 1. Parabola de massa e Fórmula de massa 2. Números mágicos e Efeito de camada 3. Energia de Emparalheramento E. Spin e Momentos magnéticos 5

6 IV. FORÇAS NUCLEARES A. Potencial nucleon-nucleon 1. Teoria de Espalhamento, Matriz S 2. Deslocamento de fase, Lippmann-Schwinger 3. Ondas parciais B. Potencial de troca de um méson 1. Grafico de Feynmann 2. Força Coulombiana como troca de um fóton 3. Troca de um méson massivo V. ESTRUTURA NUCLEAR A. Espectroscopia Nuclear e Níveis Nucleares B. Modelo de Camada C. Modelo Coletivo D. Decaimento γ e β, Regra de Seleção 1. Regra de Ouro e Espaço de Fase Final 2. Elemento de Matriz, Expansão Multipolar 3. Teoria de Fermi para a Interação Fraca 4. Teoria V A e Corrente Conservada 5. PCAC 6. Decaimento de Muons e Ângulo de Cabibbo 6

7 VI. REAÇÕES NUCLEARES A. Seção de Choque de reação, Observáveis B. Cinemáticas, Espaço de fase C. Modelo Ótico D. Resonância e Fórmula de Breit-Wigner, Núcleos Compostos E. Papel de Barreira Coulombiana F. Fissão e Fusão, Modelo de gota liguida G. Possíveis Reações da evolução estelar e Nucleosinteses H. Reações fotonuclear e Resonacia Gigante VII. INTERAÇÃO NUCLEON-NUCLEON A ALTAS ENERGIAS A. Seção de choque 1. Cinemática Relativística, Rapidez 2. Seção de total, elastica e inelastica B. Resonância C. Modelo eikonal e Teorema de Froissart D. Difração e Polo de Regge E. Produção Multipla 1. Espaço de Fase Relativístico 2. Modelo de Fermi e de Landau 7

8 VIII. PAPEL DE SIMETRIA E CLASSIFICAÇÃO DE ESTADOS A. Simetria e Quantidade Conservada B. Paridade, Conjugação de Carga, Inversão Temporal 1. Definições 2. Teorema CPT 3. Kaons Neutros e θ τ Puzzle 4. Quebra de Paridade e Experimento de C.S. Wu C. Isospin, Estranhesa, Gellmann-Nishijima D. Modelo de Quarks Estáticos e Grupo SU(3) (sabor) IX. ESPALHAMENTO DE ELÉTRON POR NUCLEON A. Função de Estrutura e Lei de escala de Bjorken B. Modelo de Parton X. TEORIA DE CALIBRE DA INTERAÇÃO FRACA A. Teoria de Calíbre e Acoplamento Mínimo B. Simetria Espontaneamente quebrada e Boson de Goldstone C. Mecamismo de Higgs D. Teoria de Salam-Weinberg 8

9 XI. SIMETRIA DE COR E CHROMODINÂMICA QUÂNTICA A. Problema de Spin e Estatística B. Número Quântico de Cor e Suas evidências obervacionais C. Chromodinâmica Quântica D. Confinamento e Desconfinamento de Quarks XII. MODELO PADRÃO A. Matriz Kobayashi-Maskawa B. Fatos Experimentais C. Violação de CP 9

10 XIII. PROBLEMAS ATUAIS A. Oscilação de Neutrinos e Massa B. Além do Modelo Padrão? 1. Dimensão Extra? 2. Supersimetria e Teoria de Corda C. Plasma de Quarks e Gluons 1. Reações de Íons Pesados, RHIC, LHC D. QCD na Rede E. Conexão com a Cosmologia e Astrofísica 1. Transição de Fase em QCD e Suas consequências? 2. Bariogenesis? 3. Natureza da Matéira Escura? 4. Produção de Elementos referente a origem da vida? F. [1] Além de descobertos de várias partículas novas, podemos citar, por exemplo, existência de antipartíulas, violação de paridade, simetria de cor, oscilação de neutrinos, transição de fase do vácuo, etc. 10