Teorias de Unificação Sérgio Mittmann dos Santos Oficina de Astronomia UNISINOS Março de 2004
Sumário Introdução Partículas fundamentais As 4 interações fundamentais da natureza General Theory of Relativity Teorias de calibre Modelo Padrão Unificação Eletrofraca e Forte Conflito GTR Modelo Padrão Teoria de Supercordas Conclusões Referências
Introdução Física Aristotélica 1680: Newton: Gravitação terrestre + Gravitação celeste 1830: Oersted, Faraday, Ampère: Eletricidade + Magnetismo 1878: Maxwell: Eletromagnetismo + Radiação 1955: Einstein: Gravitação + Eletromagnetismo = Teoria do campo unificado
Partículas fundamentais Férmions: elétron, pósitron, neutrino, anti-neutrino, quark, anti-quark Bósons: gráviton, fóton, bóson vetorial, glúon
As 4 interações fundamentais da natureza Gravitacional Eletromagnética Fraca Forte Partícula Gráviton Fóton Bóson vetorial Glúon mediadora Intensidade 1/10 38 1/100 1/10 20 1 relativa Alcance (m) < 1/10 16 1/10 15 Vida média (s) 1/10 16 1/10 8 1/10 23 Teoria GTR QED QFD QCD
General Theory of Relativity Interação Gravitacional: corpos massivos 1915: Einstein: Espaço-tempo curvo
Teorias de calibre: Quantum ElectroDynamics Interação Eletromagnética: próton-elétron Feynman, Schwinger, Tomonaga Precisão de 1 parte em 1 bilhão (10 9 ) Prêmio Nobel de 1965 Previsão do campo de fótons: Poder da simetria
Teorias de calibre: Quantum FlavourDynamics Interação Fraca: Decaimento do nêutron + hélice à esquerda da molécula de DNA? 1934: Fermi: Teoria preliminar Campo de bósons intermediários
Teorias de calibre: Teoria Eletrofraca Interação eletrofraca!: Unificação das interações eletromagnética e fraca 1958: José Leite Lopes: Previsão da unificação: massa dos bósons = 60 massa do próton 60: Glashow, Salam, Weinberg: Prêmio Nobel de 1979 1983: Carlo Rubbia e equipe: Conseil Europeén pour la Recherche Nucléaire Prêmio Nobel de 1984 para Rubbia
Teorias de calibre: Quantum ChromoDynamics Interação forte: prótons e nêutrons Yukawa: Previsão de um campo com massa finita e alcance finito 1947: Cesar Lattes, Occhialini, Powell: Comprovação experimental Prêmio Nobel de 1949 para Yukawa Prêmio Nobel de 1950 para Powell apenas!!! QCD na rede
Modelo Padrão Contempla os fenômenos da interação eletrofraca e parte da interação forte Grandes contribuições de Veltman e t Hooft: Prêmio Nobel de 1999 Excessivo número de parâmetros: Longe de ser uma teoria fundamental Superkamiokande: Massa diferente de zero dos neutrinos
Unificação Eletrofraca e Forte Na busca da unificação, estamos assistindo o nascimento do Universo Experimentos exigem grandes energias Projeto Superconducting Super Collider cancelado Lobby militar americano preferiu investir na Estação Espacial Internacional Large Hadron Collider em construção: Bósons de Higgs existem? Vivemos num mundo com mais de 4 dimensões?
Conflito GTR Modelo Padrão Campo gravitacional é a curvatura do espaçotempo; o campo eletromagnético atua no espaçotempo Pela quantização do campo eletromagnético, observam-se fótons Como quantizar o campo gravitacional? A interação gravitacional não prevê algo semelhante à renormalização/polarização do vácuo
Teoria de supercordas Solução para o conflito da física quântica com a relatividade geral? Partículas fundamentais são ressonâncias distintas de cordas abertas ou fechadas Tipo e massa dependem da amplitude e do comprimento de onda Partículas não são pontuais: Interações são mais suaves Tamanho típico: 1/10 33 cm
Teoria de supercordas: Teoria-M Representa os estados ligados de partículas Membranas: estados ligados de supercordas Contempla 5 teorias de supercordas existentes
Teoria de supercordas: Supersimetria Ressonância que descreve bóson, Ressonância que descreve férmion: massa e carga iguais Não se observa na natureza algo semelhante Experiências planejadas para ocorrer no LHC poderão responder a viabilidade de tal exigência
Teoria de supercordas: Dimensões extras Supercordas podem existir somente num mundo com 10 dimensões As 6 dimensões seriam tão pequenas que não as observamos: Compactificação Não sabe-se exatamente como as 6 dimensões estão compactificadas Exige-se experimentos com altas energias
Conclusões Teoria de supercordas é uma teoria para esse século? Teoria de supercordas pode tornar-se uma Theory Of Everything? Modelo Padrão, Teoria-M: Modelos muito complexos Uma teoria fundamental deve ser mais simples LHC é uma promessa para comprovar ou descartar várias teorias (modelo padrão, supercordas)
Referências S. Mittmann dos Santos, Simetria e quebra de simetria em sistemas físicos clássicos e quânticos, mittmann@pop.com.br S. Hawking, O universo numa casca de noz S. Hawking, A brief history of time (livro e filme) J. L. Lopes, A estrutura quântica da matéria: do átomo présocrático às partículas elementares L. H. Ryder, Quantum field theory W. N. Cottingham, D. A. Greenwood, An introduction to the Standard Model of particle Physics E. D. Commins, P. H. Bucksbaum, Weak interactions of leptons and quarks B. Greene, The elegant universe: superstrings, hidden dimensions, and the quest for the ultimate theory M. B. Green, J. H. Schwarz, E. Witten, Superstring theory J. Polchinski, String theory www.superstringtheory.com www.theory.caltech.edu/people/jhs/strings
The End