Aula 14. Partículas, e o início do Universo...

Transcrição

1 Aula 14 Partículas, e o início do Universo...

2 Partículas elementares Década de trinta, Átomo Novas partículas Prótons Nêutrons Elétrons Problema quase resolvido?? múon píon káon sigma... Partículas instáveis,com vidas médias muito pequenas, 10-6 a s.

3 Férmions e Bósons Férmions Partículas com spin semi-inteiro; nome em homenagem a Fermi (que junto com Dirac) discutiu suas propriedades estatísticas. Satisfazem ao Princípio de Exclusão de Pauli, que impede dois férmions de terem os mesmos números quânticos. Bósons Partículas com spin inteiro em homenagem a Bose (que junto com Einstein) discutiu suas propriedades estatísticas. Podem ocupar o mesmo estado quântico!

4 Férmions e Bósons Férmions Bósons 5 25E E E E 1 3 9E 1 3 9E 1 2 4E 1 2 4E 1 1 E 1 1 E 1 E F = 2E 1 +8E 1 +9E 1 = 19E 1 E B = 5E 1

5 Condensação de Bose Einstein Física Atômica e Molecular e Óptica - Como utilizar na prática íons e átomos aprisionados em armadilhas, condensados de Bose Einstein e redes ópticas? Baixando a temperatura

6 Condensação de Bose Einstein Física Atômica e Molecular e Óptica 400nK 200nK 50nK 0 v

7 Férmions Partículas com spin semi-inteiro (nome em homenagem a Enrico Fermi) S z 1 2

8 Bósons Partículas com spin inteiro. O nome homenageia Bose que, junto com Einstein, discutiu suas propriedades estatísticas. S z m m 0,1, 2,...

9 Classificação de partículas: Léptons: elétron, neutrino-e - ; múon, neutrino-µ; tau, neutrino- Não sofrem a interação forte Quarks (fermions): up (u), down (d), charme (c), estranho (s), top (t), bottom (b). Sofrem a interação forte Hádrons Bárions (fermions; formados por 3 Quarks): (ex. de spin ½): próton, nêutron, lambda, sigma +, sigma -, sigma 0, csi +, csi 0. Mésons (bósons; formados por 1 Quark e 1 anti-quark): (ex. de spin 0): píon 0,+,-,káon 0,+,-, eta, eta Sofrem a interação forte Quarks e Léptons parecem ser partículas fundamentais, sem nenhuma estrutura interna (hoje!)

10 Leis de Conservação......dos N os Leptônicos (eletrônico, muônico, tauônico);... do N o Bariônico (Bárions: +1; anti-bárions: - 1; outras partículas: 0);... de Estranheza (S = + 1, 0, - 1; ): apenas em reações que envolvem a interação forte.

11 Números Leptônicos Exemplos de decaimento de léptons - (+1) (+1) + (- 1) + (+1) (+1) (+1) + (+ 1) / ; não permitido!!!

12 Prob. 1 - Use as leis de conservação e as dados para Bárions e Mésons, para identificar a partícula "x" nas seguintes reações, que são mediadas pela interação forte: Carga: (+1) (0) + (+1) a) p + p p x Spin: (+1/2) (+1/2) + (0) x = K + ou: p 0 + x Estranheza: (0) (-1) + (+1) N o Bariônico: (+1) (+1) + (0) b) p p n x Carga: (+1) + (-1) (0) + (0) Spin: (+1/2) + (+1/2) (+1/2) + (+1/2) Estranheza: (0) + (0) (0) + (0) N o Bariônico: (+1) + (-1) (+1) + (-1) x n

13 Prob. 2 - Uma partícula que está se movendo com uma energia cinética de 220 MeV decai através da reação Σ π n. Calcule a energia cinética total dos produtos do decaimento. K i K f 2 ( m c ) K K ( m m m ) c f i n 2 K K f f 220 MeV MeV MeV MeV MeV MeV

14 Confinamento Quarks nunca aparecem livres Sempre aparecem em combinações incolores Mésons: quark-anti-quark Bárions: quark-quark-quark } HÁDRONS Confinamento:

15 Partículas e antipartículas Em 1928 Dirac previu a existência do pósitron, que é a antipartícula do elétron. Carl Anderson, em 1932, descobriu o pósitron em experiências com raios cósmicos. e e Para cada tipo de partícula existe uma correspondente antipartícula ; Antipartículas têm as mesmas propriedades que as partículas, porém possuem cargas opostas: Elétron e - => pósitron e + ; quark u => anti-quark ū Por quê a assimetria entre o número de partículas e anti partículas na Natureza?

16 Pesquisa em Partículas Raios cósmicos Aceleradores Brookhaven (Long Island NY) Fermilab (Chicago) CERN (Genebra) - Large Hadron Collider (2008) SLAC (Stanford Ca) DEISY (Hamburgo) Projeto Auger (raios cósmicos, de novo)

17 Radiação cósmica

18 Radiação Cósmica Um Pouco de História 1912 Hess descobriu os Raios Cósmicos 1932 Anderson descobriu a anti-matéria Descoberta do múon 1938 Auger descobriu os chuveiros atmosféricos 1949 Teoria de Fermi dos Raios Cósmicos 1962 Primeiro Raio Cósmico de ev detectado Proposta do corte GZK em energia para os Raios Cósmicos 1991 Evento de mais alta energia detectado pelo Fly's Eye 1995 Início do Projeto Pierre Auger Victor Hess Pierre Auger

19 Raio cósmico (núcleo de enxofre) Outros núcleos Emulsão 16 pions Núcleo de flúor

20 Câmara de Bolhas

21 CERN (Genebra)

22 LHC Tunnels (CERN)

23 LHC - ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) is one of the six particle detectors (46 m long, 25 m in diameter, weigh ~ 7,000 tonnes); CERN

24 Cornell Storage Ring

25 As partículas interagem entre si; Quais são as forças de interação entre elas? Quais são as FORÇAS FUNDAMENTAIS da Natureza? FORÇA GRAVITACIONAL FORÇA ELETROMAGNÉTICA FORÇA FRACA (ex: decaimento beta do nêutron) FORÇA FORTE (ex: forças nucleares)

26 A força eletromagnética é mediada por FÓTONS Atua sobre partículas com CARGA ELÉTRICA A força fraca é mediada pelos W +, W - e Z 0 Atua sobre partículas com SABOR A força forte é mediada pelos GLÚONS Atua sobre partículas com COR

27 As interacões e as forças

28 O modelo Padrão (bem sucedido; embora inconclusivo...) As forças nucleares: fraca e forte Física de altas energias: partículas e campos - A teoria das interações nucleares fortes: Cromodinâmica Quântica (QCD) - A teoria das interações nucleares fracas: interação eletro fraca Eletricidade Magnetismo Nuclear fraca Eletromagnetismo Eletro fraca Nuclear forte (QCD) Modelo Padrão

29 Modêlo Padrão das PARTÍCULAS ELEMENTARES Matéria (férmions): QUARKS LÉPTONS Portadores de força (bósons): Eletromagnetismo: (fóton) Fraca: W +, W -, Z 0 Forte: g (glúons) Eletromagnetismo: Eletrodinâmica Quântica U(1) Eletromagnetismo+fraca: Teoria Eletro-fraca SU(2)XU(1) Forte: Cromodinâmica Quântica SU(3)

30 Cosmologia Estudo da história do Universo O Universo teve um início: Big Bang Radiação de fundo: 2.7 K O universo está em expansão : Lei de Hubble (1929): v r r H v r T H r : velocidade de recessão (ou expansão); : distância do corpo celeste à Terra; km 6 km : Constante de Hubble 71.0 s(mpc) s (anos - luz) (1 Mpc km anos-luz) Idade do Universo: T* r v * r vr H v r 1 H anos

31 ...UNIVERSO

32 Prob. 3 - Se a lei de Hubble pudesse ser extrapolada indefinidamente, para que distância a velocidade aparente de recessão das galáxias seria igual à velocidade da luz? Fazendo: v r,luz H r luz c r luz km/s anos luz km km/(s.anos - luz) (1 ano-luz km)

33 SUCESSOS (Na Cosmologia) : A relatividade geral é extremamente bem sucedida O modelo padrão cosmológico descreve o Universo a partir de alguns instantes após o Big-Bang LIMITAÇÕES: Não é possível quantizar o campo gravitacional => A RELATIVIDADE GERAL NÃO É RENORMALIZÁVEL! Quantum do campo gravitacional: GRÁVITON? Falta detectar as ONDAS GRAVITACIONAIS.

34 Há, um conflito entre a MECÂNICA QUÂNTICA e a RELATIVIDADE GERAL Deve-se então procurar uma teoria que: contenha uma teoria quântica para a gravitação, que a baixas energias reduza-se à relatividade geral; a baixas energias reproduza o modelo padrão das partículas elementares; explique o Big-Bang e os parâmetros do modelo padrão. Uma candidata: TEORIA DE SUPERCORDAS

35 Tipos de cordas Formas de cordas Modos normais; massas, spin, etc

36 Interação de cordas

37 Espalhamento de cordas Vértice de cordas Espalhamento de cordas

38 SUCESSOS: A teoria de cordas fornece uma teoria quântica para a gravitação que generaliza a relatividade geral Existem setores na teoria de cordas que reproduzem o modelo padrão das partículas elementares LIMITAÇÕES: A teoria de cordas é consistente em D = 10 dimensões (... nós vivemos em D = 4! ) Pode-se "compactificar" a teoria de D = 10 para D = 4, porém é um procedimento ainda polêmico e inconclusivo...

39 Prob. 4 - Calcule qual seria a energia liberada se a Terra fosse aniquilada pela colisão com uma Antiterra. E ( 2m ) c T 2 E ( kg) ( m/s) J

40 Observatório Pierre Auger - Qual a origem dos Raios Cósmicos? - Como os Raios Cósmicos se propagam até nós? - Qual seu mecanismo de aceleração? O maior experimento de raios cósmicos já projetado para estudar com alta estatística os raios cósmicos de maior energia, utilizando duas técnicas de detecção de chuveiros atmosféricos extensos.

41 Observatório Pierre Auger Área de 3000 km 2 = 2 x Cidade do Rio de Janeiro - 17 países cientistas Malargüe - Argentina

42 Técnica Híbrida de Detecção 1600 tanques de superfície (SD) + 4 telescópios de Fluorescência (FD) Área de 3000 km 2 = 2 x Cidade do Rio de Janeiro

43 Correlação de UHECRs com objetos próximos extra-galáticos - Círculos de raios 3,1 o centrados na direção de chegada dos 27 raios cósmicos de energias mais altas detectados pelo Observatório Pierre Auger. - Posição de 472 AGNs com D < 75 Mpc (Vermelho) - Centaurus A (branco)