ASTRO-COSMO-ASTRO-COSMO-PARTÍCULASPARTÍCULAS

Vicente PleitezVicente PleitezIFT-UNESPIFT-UNESP

20042004

PLANO PLANO

► AS 4 FORÇAS DA NATURAEZAAS 4 FORÇAS DA NATURAEZA►NEUTRINOS SOLARES E ATMOSFÉRICOSNEUTRINOS SOLARES E ATMOSFÉRICOS►MATÉRIA ESCURA: LIPs, AXIONS E MATÉRIA ESCURA: LIPs, AXIONS E

NEUTRALINOS NEUTRALINOS ► ASSIMETRIA MATÉRIA – ANTIMATÉRIAASSIMETRIA MATÉRIA – ANTIMATÉRIA► A COSTANTE COSMOLÓGICAA COSTANTE COSMOLÓGICA

CONHECER QUE FORÇAS CONHECER QUE FORÇAS PODEN MANTER ESTE MUNDO PODEN MANTER ESTE MUNDO

UNIDOUNIDO

FAUSTOFAUSTO

I - AS 4 FORÇAS DA NATUREZA

PLANO -IPLANO -I► INTRODUÇÃO À FÍSICA DE PARTÍCULAS ELEMENTARES INTRODUÇÃO À FÍSICA DE PARTÍCULAS ELEMENTARES ► CLASSIFICAÇÃO DAS CLASSIFICAÇÃO DAS PARTÍCULASPARTÍCULAS ELEMENTARES ELEMENTARES ► SIMETRIAS E LEIS DE CONSERVAÇÃO SIMETRIAS E LEIS DE CONSERVAÇÃO ► AS QUATRO INTERAÇÕES DA NATUREZAAS QUATRO INTERAÇÕES DA NATUREZA► A INTERAÇÃO GRAVITACIONALA INTERAÇÃO GRAVITACIONAL► A INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICAA INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA► A INTERAÇÃO FRACA: O MODELO ELETROFRACOA INTERAÇÃO FRACA: O MODELO ELETROFRACO► A INTERAÇÃO FORTE: QCDA INTERAÇÃO FORTE: QCD► TEORIAS DE GRANDE UNIFICAÇÃO E ALÉMTEORIAS DE GRANDE UNIFICAÇÃO E ALÉM► FPE: 100 ANOS DE DESCOBERTASFPE: 100 ANOS DE DESCOBERTAS

INTRODUÇÃO À FPEINTRODUÇÃO À FPE

►A teoria da relatividade especial e a A teoria da relatividade especial e a mecânica quânticamecânica quântica

►As leis do mundo atômico, nuclear e As leis do mundo atômico, nuclear e sub-nuclearsub-nuclear

►Metodologia da física de partículas Metodologia da física de partículas elementareselementares

►Campos fundamentaisCampos fundamentais

A TEORIA DA RELATIVIDADE A TEORIA DA RELATIVIDADE ESPECIALESPECIAL

Em 1905 Albert Einstein propôs a TEORIA DA RELATIVIDADE ESPECIAL (TRE) …

A podemos resumir assim:

L=L0-1 T=T0

E0=mc2

A TRE ...A TRE ...

►Velocidades perto da velocidade da luzVelocidades perto da velocidade da luz►Medições de tempo muito precisas: GPS, Medições de tempo muito precisas: GPS,

relógios atômicos, aceleradores, FPE, ...relógios atômicos, aceleradores, FPE, ...►É MESMO UMA TEORIA MUITO BEM É MESMO UMA TEORIA MUITO BEM

TESTADA !TESTADA !

A MECÂNICA QUÂNTICAA MECÂNICA QUÂNTICA

Em 1900 Max Planck deu início à construção das leis da física quântica

podemos resumi-la assim:

Planck resolveu o chamado

PROBLEMA DO CORPO NEGRO resumido na figura

E=h h=6.58211889(26)x10-22MeV.s

Depois de mais de duas décadas de pesquisa teórica e

experimental, ficou claro que as leis físicas do mundo atômico

são diferentes das leis dos “corpos macroscópicos”. Essas leis

constituem a MECÂNICA QUÂNTICA.

Podemos resumi-las nas chamadas RELAÇÕES DE

INCERTEZA de Heisenberg:

Conseqüência: todos os corpos materiais têm

propriedades ondulatórias

[x,px]=i(2)-1h

No Sec. XIXNo Sec. XIX

►Partículas Partículas Radiação (ondas) Radiação (ondas)► Partículas: Leis de NewtonPartículas: Leis de Newton►Radiação: teoria eletromagnética, Radiação: teoria eletromagnética,

equações de Maxwellequações de Maxwell

p=hDe Broglie (1923): Broglie=h/mv

O fenômeno de difração e interferência ocorre com ondas de

luz (esquerda) ou com elétrons (direita).

Dessa forma

MATÉRIA E

RADIAÇÃO

são tratadas da

mesma maneira

Um dos resultados das leis da mecânica quântica foi

a explicação da Tabela periódica dos elementos químicos

Ou novos materiais plásticos condutores!(IFUSP/São Carlos)

A MQ ...A MQ ...

► Distâncias muito pequenas, de moléculas a Distâncias muito pequenas, de moléculas a átomos, enlaces químicos, núcleos, ...átomos, enlaces químicos, núcleos, ...

► Exceções: superfluidez, supercondutividade, o Exceções: superfluidez, supercondutividade, o condensado de Bose-Einstein, ...condensado de Bose-Einstein, ...

► Por sorte, seus efeitos são desprezíveis com Por sorte, seus efeitos são desprezíveis com corpos macroscópicos, assim, podemos viajar de corpos macroscópicos, assim, podemos viajar de carro, de avião e nos sentir seguros em casa: carro, de avião e nos sentir seguros em casa: ninguém vai entrar pela porta ... por tunelamentoninguém vai entrar pela porta ... por tunelamento

Nos anos 30 ficaria claro que a mecânica quântica podia aplicar-se aos

fenômenos nucleares. Mais tarde (nos anos 50) os físicos

compreenderam que também se aplicaria à física das partículas

elementares (distâncias sub-nucleares).

Neste caso, era necessário aplicar também a teoria da

relatividade especial (TRE). À combinação da MC y TRE chama-se

TEORIA QUÂNTICA DE CAMPOS, que é o formalismo matemático

usado na descrição das interações entre partículas fundamentais.

FPE união de:FPE união de:

►Raios cósmicosRaios cósmicos►Física nuclearFísica nuclear►Mecânica quântica relativista (Mecânica quântica relativista (teoria teoria

quântica de camposquântica de campos))

O resultado de mais

de um século de

pesquisas levou à

“observação” de distâncias

cada vez menores

MQ + TRE implicam a MQ + TRE implicam a existência de:existência de:

►Partículas virtuaisPartículas virtuais. E. E22 - P - P22 M M22 ; E ; E pc. são do mesmo tipo das partículas pc. são do mesmo tipo das partículas usuais. Seu efeito pode ser “visto” usuais. Seu efeito pode ser “visto” em fenômenos macroscópicos (efeito em fenômenos macroscópicos (efeito Casimir, deslocamento de Lamb, etc)Casimir, deslocamento de Lamb, etc)

►Anti-partículasAnti-partículas, ou anti-matéria. O , ou anti-matéria. O pósitron é a anti-partícula do elétron pósitron é a anti-partícula do elétron (antipróton, etc).(antipróton, etc).

METODOLOGIA DA FÍSICA DE METODOLOGIA DA FÍSICA DE PARTÍCULAS ELEMENTARES PARTÍCULAS ELEMENTARES

►Radioatividade naturalRadioatividade natural►Raios cósmicosRaios cósmicos►AceleradoresAceleradores►TeoriaTeoria►De novo os raios cósmicos (Sex. De novo os raios cósmicos (Sex.

XXI)XXI)

Por exemplo Por exemplo

►Radioatividade natural: próton Radioatividade natural: próton (1920), neutrinos (1930), nêutron (1920), neutrinos (1930), nêutron (1932)(1932)

►Raios cósmicos: pósitron, muon, Raios cósmicos: pósitron, muon, pion, kaons, etcpion, kaons, etc

►Aceleradores: todas as esperadasAceleradores: todas as esperadas►Teoria: neutrino, pion, ...Teoria: neutrino, pion, ...►De novo os raios cósmicos: oscilação De novo os raios cósmicos: oscilação

de neutrinos, Projeto Auger, ???de neutrinos, Projeto Auger, ???

TUDO COMEÇOU EM 1897TUDO COMEÇOU EM 1897

J. J. THOMSON:O elétron!

http://www.aip.org/history/electronhttp://www.sciencemuseum.org.uk/on-line/electron/index.asp

Em 1911 E. Rutherford descobre onúcleo atômico

Ferramentas principaisFerramentas principais

► AceleradoresAceleradores: : aceleram partículas aceleram partículas que colidem: eque colidem: e++ e-, pp, ppc , criam criam (novas) partículas, (novas) partículas, E=mcE=mc22

►DetectoresDetectores, “vem” , “vem” as partículas após a as partículas após a colisãocolisão

Aceleradores: microscópios sub-atômicos:

Resolução:

Broglie=h/mv

NOVOS QUARKS: 1974: charm c, 1977 bottom b

1995 foi descoberto o quark t ( FERMILAB)

Aceleradores:

FERMILAB

6.3 km

e

Main injector

3.2 km

LEP (LHC) 27 km no CERN

Acelerador linear de Stanford 3 km

Detectores modernos

Os detectores são de uma grande variedade, das telas dos televisores até gigantescos

A partícula 0 foi descoberta nos raios cósmicos

em 1949. Foi a primeira partícula “estranha”

descoberta numa câmara de nevoa. À direita outras “ressonâncias”descobertas no CERN nos anos 60

Antes por exemplo CERN: Depois

Descoberta de W, Z0

Aceleradores: usos múltiplosAceleradores: usos múltiplos

►Análise de materiais Análise de materiais ►Espectrometria em ciências ambientaisEspectrometria em ciências ambientais►15 000 aceleradores para 15 000 aceleradores para

implementação de ions, modificação de implementação de ions, modificação de superfícies, esterilização e superfícies, esterilização e polimerizaçãopolimerização

►Cirurgia por radiação (gerada por Cirurgia por radiação (gerada por partículas aceleradas) e terapias do partículas aceleradas) e terapias do câncercâncer

......

►5000 aceleradores em hospitais5000 aceleradores em hospitais►Produção de isótopos marcadores Produção de isótopos marcadores

úteis em medicina, biologia e úteis em medicina, biologia e ciência dos materiaisciência dos materiais

►Fonte de nêutrons (terapia de Fonte de nêutrons (terapia de nêutrons mais adiante) e fótons (luz nêutrons mais adiante) e fótons (luz síncrotron, para uso de litografia síncrotron, para uso de litografia por sua energia bem definida) e ... por sua energia bem definida) e ...

Seus televisores !

E não esqueçam:

Detectores: múltiplos usosDetectores: múltiplos usos

►Medicina: Charpak (Nobel de 1992)Medicina: Charpak (Nobel de 1992)►Ciências da Terra: Blackett (Nobel Ciências da Terra: Blackett (Nobel

1948)1948)

► Tomografia por Emissão de Pósitrons Tomografia por Emissão de Pósitrons (PET)(PET)

PC-I, o primeiro aparelhp PET

Ressonância magnética nuclear

Terapia por captura de nêutrons pelo Boro

CAMPOS FUNDAMENTAISCAMPOS FUNDAMENTAIS

►Escalares e/ou pseudoescalares: Higgs Escalares e/ou pseudoescalares: Higgs HH00, …, …

►Vetoriais sem massa: Maxwell ou campo Vetoriais sem massa: Maxwell ou campo eletromagnético A, os gluons, Geletromagnético A, os gluons, G

►Vetoriais com massa: campos de Proca, Vetoriais com massa: campos de Proca, ZZ00,, WW, …, …

►Campos espinoriais: elétron eCampos espinoriais: elétron e--, …, …►Outros campos …Outros campos …

… … EE

►LagrangianasLagrangianas►Simetrias: locais, globais, internas, Simetrias: locais, globais, internas,

geométricasgeométricas

CLASSIFICAÇÃO DAS CLASSIFICAÇÃO DAS PARTÍCULAS PARTÍCULAS

ELEMENTARESELEMENTARES

►Férmions e bósonsFérmions e bósons►Hádrons: Bárions e mésonsHádrons: Bárions e mésons►O caminho do octetoO caminho do octeto►Quarks e léptonsQuarks e léptons►Transmissores das forçasTransmissores das forças

Os estados quânticos (moléculas, átomos, núcleos, partículas

elementares) se classificam segundo seu momento angular

intrínseco, o espín, em FÉRMIONS e BÓSONS. Exemplos:

...

Em alguns anos se

descobriam um

grande número

de partícula chamadas

de “elementares”

Como se poderia

classificar esse

“zoológico” de

partículas?

O CAMINHO DO OCTETO

Essa foi a tarefa dos físicos de 1950 até 2002. Um resumo dos

“blocos FUNDAMENTAIS” da matéria:

http://particleadventure.org/particleadventure/

Todos os hádrons conhecidos são compostos assim:

Mas, surpresas aconteceram recentemente

20032003

Estes estados de 4 ou 5 quarks não são proibidos mas nunca tinham sido observados até 2003

Quarks * B** Q S C B T massa (MeV)

Down (d) 1/3 –(1/3)e 0 0 0 0 5–15

Up (u) 1/3 +(2/3)e 0 0 0 0 2-8

Strange (s) 1/3 –(1/3)e –1 0 0 0 100–300

Charm (c) 1/3 +(2/3)e 0 1 0 0 1000–1600

Bottom (b) 1/3 –(1/3)e 0 0 –1 0 4100–4500

Top (t) 1/3 +(2/3)e 0 0 0 1 180000

*Não incluímos os anti-quarks. **S,C,B e T são números quânticos para diferenciar os diferentes “sabores” dos quarks.

---------------------------------------------------------------------

Lépton * Q Le** L L massa -------------------------------------------------------------

Elétron (e- ) –e 1 0 0 0.5 MeV

Neutrino e (e) 0 1 0 0 <3 eV

Múon (-) –e 0 1 0 105 MeV

Neutrino () 0 0 1 0 <0.19 MeV

Tau (-) –e 0 0 1 1777 MeV

Neutrino ( ) 0 0 0 1 <18.2 MeV

*Não incluímos os anti-léptons . ** Le, L, L são números quânticos para diferenciar os diferentes “sabores” dos léptons.

Ainda é um mistério porque as partículas se replicam em

TRÊS “famílias” ou “generações”:

IFT/UNESP:porque a simetriade gauge é 3-3-1

SIMETRIAS E LEIS DE SIMETRIAS E LEIS DE CONSERVAÇÃOCONSERVAÇÃO

►Exemplos de simetriasExemplos de simetrias►Tipos de simetriasTipos de simetrias►O Teorema de NoetherO Teorema de Noether

Por exemploPor exemplo

► Invariância sob t Invariância sob t t + t t + t00 (c. da (c. da energia)energia)

► Invariância sob translações x Invariância sob translações x x+a x+a (c. do momento linear)(c. do momento linear)

► Invariância sob rotações (c. do Invariância sob rotações (c. do momento angular)momento angular)

► Invariância sob x Invariância sob x -x (paridade) -x (paridade)

Tipos de SimetriasTipos de Simetrias

►Discretas (paridade)Discretas (paridade)►Continuas (rotações)Continuas (rotações)►Globais (fases)Globais (fases)►Locais (de gauge), Abelianas ou não-Locais (de gauge), Abelianas ou não-

AbelianasAbelianas►Simetrias unitárias (globais o locais)Simetrias unitárias (globais o locais)

……

► Inversão temporal t Inversão temporal t -t -t►Conjugação da carga: partícula Conjugação da carga: partícula anti- anti-

partículapartícula►CPCP►CPTCPT

O TEOREMA DE NOETHERO TEOREMA DE NOETHER

simetrias simetrias quantidades quantidades conservadasconservadas

Simetria significa: i) algo não observável, ii) unidade de algo (a

unificação de 3 forças).

Não Observamos Transformação Conservação

Posição absoluta x x + a p

Tempo absoluto t t + t0 E

Orientação absoluta x x´ L

Velocidade absoluta v v + w

Direita absoluta x -x P

Futuro absoluto t -t T

Carga absoluta q -q C

Fase absoluta

Uma simetria também implica UNIDADE

Uma escala de energia na qualtrês das forças teriam a mesmaintensidade

AS QUATRO INTERAÇÕESAS QUATRO INTERAÇÕES

► Interação gravitacionalInteração gravitacional► Interação eletromagnéticaInteração eletromagnética► Interação nuclear fracaInteração nuclear fraca► Interação nuclear forteInteração nuclear forte

Até o presente todos os fenômenos observados na natureza

podem ser descritos como resultado de somente QUATRO

interações fundamentais

A INTERAÇÃO A INTERAÇÃO GRAVITACIONALGRAVITACIONAL

2

21||r

MMGF

NN

Lei de Newton

da gravitação

GN=6.673(10)x10-11 GeV-2

12

h

MGPN

Escala de Planck

O valor de GN implica

|FN| 10-40 |FE|

a gravitação não é importante a baixas

energias, porém

E ~ 1019 GeV

“Que a gravidade seja algo inato, inerente e

essencial da matéria, de modo que um corpo

possa agir a distância sobre outro ... é para

mim um absurdo tão grande que no acredito

que um homem com faculdade de pensar

competente em assuntos filosóficos possa cair nele alguma vez”

Newton

Gravitação: TRGGravitação: TRG

Em 1915 Albert Einstein propôs a teoria da relatividade geral. As coordenadas não são mais que parâmetros porque a teoria é invariante por transformações gerais de coordenadas

gTGG N

é a chamada “constante cosmológica” , e parece que

ainda é possivél que 0! Em 1917 nasce a cosmologia

relativista

GPS!

De fato, tanto a TER como a TGR De fato, tanto a TER como a TGR

têm de ser levadas em conta no têm de ser levadas em conta no Global Positioning SystemGlobal Positioning System

(GPS)!(GPS)!

A INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA

2

21||r

QQF

EInteração de

Coulomb

Forças químicas, etc são em última instância

efeitos da interação eletromagnética.

Classicamente: equações de Maxwell

ELECTRODINÂMICA ELECTRODINÂMICA QUÂNTICA:QUÂNTICA: QEDQED

Maxwell: teoria relativistaMaxwell: teoria relativista Dirac: teoria quântica-relativista: Dirac: teoria quântica-relativista:

criação e destruição de partículas; criação e destruição de partículas; partículas virtuais, antipartículaspartículas virtuais, antipartículas, , vácuo “cheio” de partículas virtuais vácuo “cheio” de partículas virtuais (mar de Dirac).(mar de Dirac).

Efeitos observáveis: pósitrons, …, Efeitos observáveis: pósitrons, …, efeito Casimir, deslocamento de efeito Casimir, deslocamento de

Lamb,…Lamb,…

Historia espaço-temporal de dois ou mais

elétrons

Mecânica quântica relativista

DIFICULDADES!DIFICULDADES!

Correções à propagação dos fótons, dos elétrons ou à sua interação (vértices)

Induzem resultados … INFINITOS! (1930-1949)

Tomonaga, Schwinger, Feynman e Freeman Dyson...

O fator g-2O fator g-2

A teoria de Dirac prediz que uma partícula de espín 1/2 como o

elétron tem um fator g=2. O fator “g “ é a razão entre o

momento magnético e o momento angular “intrínseco”

também chamado “espín”. Qualquer desvio deste valor deve

ser explicado como correção quântica (ou a teoria é descartada).

Ao fator g-2 chama-se momento magnético anômalo do elétron.

... fator g-2... fator g-2

= 1/137.03599993...

Experimentalmente:

O chamado método (algoritmo) de RENORMALIZAÇÃO

permite realizar cálculos teóricos precisos. Por exemplo:

(CGS)

... g-2... g-2

(g-2)qH =1,159,652,156.4(22.9) x 10-12

(g-2)acJ =1,159,652,378.0(65.3) x 10-12

Podemos agora medir e depois calcular g-2 com as expressões teóricas anteriores. Usando o efeito Hall quântico obtêm-se 1/137.0360037(27) (precisão de 0.020 ppm) e

Se é usado o efeito Josephson ac obtem-se 1/137.0359770(77)

(0.056ppm) e

... -2... -2

Os números entre parêntese são devidos à incerteza em ; o erro

teórico é mesmo pequeno! ±1.2. Podemos inverter, usar a teoria para

calcular (ou seja a carga do elétron, por Millikan!). Fazendo isso

se obtêm =1/137.03599993(52) um erro estimado de 0.0038 ppm!

“ This is undoubtedly the most accurate prediction ever made, and

one of the most difficult. It's also one of the most accurate

measurements ever made”. (Kinochita, U. de Cornell)

Para o muon, ainda não é completamente conhecido.

A INTERAÇÃO FRACAA INTERAÇÃO FRACA

Intensidade fraca Intensidade fraca Curto alcance Curto alcance Teoria de Fermi de 4-férmions (até 1957)Teoria de Fermi de 4-férmions (até 1957) Violação da paridade e da conjugação da Violação da paridade e da conjugação da

cargacarga São mediadas por bósons vetoriais São mediadas por bósons vetoriais

intermediários Wintermediários We Ze Z00

A idéia do NeutrinoA idéia do Neutrino

2

222

2c

M

mMMeE

A

eBA

Decaimento :

(radioatividade natural)

1930: Pauli

“n+”

eeArCl 3737

..))(()( cHOOGxL ienipFP

1933 E. Fermi: Interação de 4 férmions (V)

A paridade (x - x) é conservada

A FÍSICA ATRÁS DO ESPELHOA FÍSICA ATRÁS DO ESPELHO

Vetores e PseudovetoresVetores e Pseudovetores

►Sistemas de coordenadasSistemas de coordenadas LH y RH LH y RH►VetoresVetores x x,, p p,, v v,, a a,, E E,, ...... Sua direção Sua direção

nãonão depende do sistema de depende do sistema de coordenadas, ou sejacoordenadas, ou seja V V-V sob -V sob x x -x-x

►Pseudovectores Pseudovectores LL, , BB, ..., ...Sua direção Sua direção simsim depende do sistema de depende do sistema de coordenadas, ou seja coordenadas, ou seja A A AA, sob , sob x x --x.x.

1956 Lee-Yang:

Nas interações

fracas, o mundo do

espelho é diferente

exp. comprovado em

1957.

http://physics.nist.gov/GenInt/Parity/parity.html

Direita – Esquerda

Polo norte – Polo sul

Carga + – Carga -

a paridade é violada porquea paridade é violada porque►Os elétrons são emitidos Os elétrons são emitidos

preferencialmente na direção oposta preferencialmente na direção oposta à polarização (valor médio do espín) à polarização (valor médio do espín) PP..

►Se a paridade for conservada os Se a paridade for conservada os sistemas LH y RH seriam equivalentes sistemas LH y RH seriam equivalentes e o número de elétrons emitidos num e o número de elétrons emitidos num ângulo ângulo e e -- seriam iguais seriam iguais

..])´()[()( 5 cHccOOGxL ienipFNP

1957 Feynman+ Gellman, + ...: teoría V-A

Se c= ± c´ a paridade (x - x) é violada

maximalmente. Experimentalmente foi demonstrado

que c=-c´. A correntes fraca são de “mão esquerda”

Os neutrinos têm massa?Os neutrinos têm massa?

1933 Fermi:Se a paridade é violada de maneira

máxima isso poderia indicar que o

neutrino tem massa nula. Teoria dos

neutrinos de 2 componentes

A INTERAÇÃO FORTE: QCDA INTERAÇÃO FORTE: QCD

► intensidade muito forteintensidade muito forte►Curto alcanceCurto alcance►Respeita todas as simetriasRespeita todas as simetrias►ConfinamentoConfinamento

Independência da carga

MeVr

ECoulomb

731.0:

As forças entre n-n

n-p, p-p são as mesmas

(descontando a força de

Coulomb entre p-p

e a diferença de massa

n-p)

Simetria de sabor

Heisenberg 1932:)2(SU

n

pN

O MODELO PADRÃO DAS O MODELO PADRÃO DAS INTERAÇÕES FUNDAMENTAISINTERAÇÕES FUNDAMENTAIS

SUSUSUYLC )1()2()3(

Simetrias, campos locais,lagrangeanas,...

ModeloModelo::►Descreve três interações: a forte, a Descreve três interações: a forte, a

eletromagnética e a fracaeletromagnética e a fraca►No inclui a gravidadeNo inclui a gravidade►É um modelo “renormalizável” (se É um modelo “renormalizável” (se

pode fazer cálculos de ordem superior pode fazer cálculos de ordem superior em teoria de perturbações)em teoria de perturbações)

►Simetria de gauge Simetria de gauge SU(3)SU(3)CC SU(2) SU(2)LL U(1) U(1)YY,,

mais simetrias globais e Poincarémais simetrias globais e Poincaré

......

►De acordo com (quase) todos os dados De acordo com (quase) todos os dados experimentais experimentais

►Algumas questões permanecem sem Algumas questões permanecem sem respostaresposta

► Matéria de livro de textoMatéria de livro de texto

CROMODINÂMICA QUÂNTICA: CROMODINÂMICA QUÂNTICA:

►Cargas de corCargas de cor►simetria não-Abeliana simetria não-Abeliana SU(3)SU(3)cc u uu, u, u, u,

uu, etc, etc►8 Gluons8 Gluons►Liberdade assintôtica: a constante de Liberdade assintôtica: a constante de

acoplamento diminui com a energiaacoplamento diminui com a energia►Confinamento?Confinamento?

CONFINAMENTO DA COR:

INTERMEDIADAS PELOS GLUONS:

O MODELO ELETRO-FRACOO MODELO ELETRO-FRACO

►Antes de 1967: Antes de 1967: interações fracas e interações fracas e eletromagnéticaseletromagnéticas

►1967: Weinberg, Salam (Glashow 1967: Weinberg, Salam (Glashow 1962) SU(2)1962) SU(2)LL U(1) U(1)YY modelo para modelo para léptons mais “o mecanismo de quebra léptons mais “o mecanismo de quebra espontânea de simetria” (P. Higgs)espontânea de simetria” (P. Higgs)

►““unifica as duas interaçõesunifica as duas interações”:”: modelomodelo eletrofracoeletrofraco

Lee

O elétron e seu neutrino, dubleto de SU(2) “left-handed”

E o elétron “right-handed” eR transforma como singleto. Os

neutrinos não precisam ter massa zero para que a paridade seja

violada maximalmente. Posteriormente foram descobertos

os neutrinos do múon (1962), e os léptons da terceira

geração (1975) e seu respectivo neutrino (2000).

Ld

ui

i

Ls

ci

i

Lb

ti

i

RR

iRRRR

iiiii bsdtcu ,,,,,

i=1,2,3 (cores)

Lee

L

L

RReRRRRe

,,,,,

Quarks

Leptons

Conteúdo de representação dos campos de matéria

“L” (e R) implica a violação da paridade

Outra forma:

O mecanismo de HiggsO mecanismo de Higgs

000

0ImRe

iV

V(+ ) = 2 + + (+ )2

As cargas dependem da energia!:

2

22

2

2

log3

)(1

)()(

Q

Q

hc

e2

QED

QCD

2

22

2

2

log)233(12

)(1

)()(

Q

nQ

g

S

S

S

Como se chegou a tudo isso?

Como foram descobertos os quarks?

e os gluons?

As partículas aparecem assim:

Em 1974 foi descoberta a J/ (ccbar)

1977 foi a vez da , o bbar.

Agora se conhecem uma família

Liberdade assintótica na QCD (I. Forte):

FÍSICA ALÉM DO MP?FÍSICA ALÉM DO MP?

►Física de neutrinosFísica de neutrinos►Efeitos que atualmente não estão de Efeitos que atualmente não estão de

acordo com o MP (podem ser acordo com o MP (podem ser flutuações estatísticas)flutuações estatísticas)

►O modelo deixa muitos pontos sem O modelo deixa muitos pontos sem resposta. Por exemplo, por qué resposta. Por exemplo, por qué existem só 3 famílias de partículas? existem só 3 famílias de partículas? 3-3-3-1!3-1!

►etcetc

ESCALAS FUNDAMENTAIS DE ESCALAS FUNDAMENTAIS DE ENERGIA ENERGIA

►Massa dos neutrinos Massa dos neutrinos ►Teorias de Grande UnificaçãoTeorias de Grande Unificação►Teoria de SupercordasTeoria de Supercordas►NOVA FÍSICA NA ESCALA DOS TeV? NO NOVA FÍSICA NA ESCALA DOS TeV? NO

IFT/UNESP PROPOMOS OS MODELOS 3-IFT/UNESP PROPOMOS OS MODELOS 3-3-1 COMO UMA ALTERNATIVA3-1 COMO UMA ALTERNATIVA..

GRANDE UNIFICACIÓN, GRANDE UNIFICACIÓN, SUPERSIMETRÍA,…SUPERSIMETRÍA,…

UNIDADE só com supersimetria

PARTÍCULAS PARTÍCULAS ELEMENTALES: 100 ANOS ELEMENTALES: 100 ANOS

DE DESCOBERTASDE DESCOBERTAS

► 1896: Radioatividade natural, H. Becquerel1896: Radioatividade natural, H. Becquerel► 1897: O elétron, J. J. Thomson1897: O elétron, J. J. Thomson► 1900: Hipótese quântica, M. Planck1900: Hipótese quântica, M. Planck► 1905: Teoria da relatividade especial, A. 1905: Teoria da relatividade especial, A.

EinsteinEinstein► 1911-1913: O modelo atômico, E. 1911-1913: O modelo atômico, E.

Rutherford, N. Bohr, e A. SommerfeldRutherford, N. Bohr, e A. Sommerfeld► 1916-1917, TRG e cosmologia moderna, A. 1916-1917, TRG e cosmologia moderna, A.

EinsteinEinstein► 1926: Mecânica quântica,Schrödinger, 1926: Mecânica quântica,Schrödinger,

Heisenberg,…Heisenberg,…► 1927: Mecânica quântica relativista: Dirac1927: Mecânica quântica relativista: Dirac

1930-1933: Neutrino, Pauli y Fermi 1930-1933: Neutrino, Pauli y Fermi ► Interação de 4-férmions: FermiInteração de 4-férmions: Fermi► 1932: Anti-partículas, partículas virtuais, 1932: Anti-partículas, partículas virtuais,

DiracDirac► Descoberta do pósitron, AndersonDescoberta do pósitron, Anderson► Descoberta do nêutron, ChadwickDescoberta do nêutron, Chadwick► Simetria de isospin, o núcleon, HeisenbergSimetria de isospin, o núcleon, Heisenberg► Problema dos “infinitos” na QEDProblema dos “infinitos” na QED► 1935: el pion 1935: el pion , Yukawa; (1939) , Yukawa; (1939) 00,, N. N.

KemmerKemmer► 1937: descoberta do muon 1937: descoberta do muon , Anderson , Anderson

► 1944: Primeira evidência do K1944: Primeira evidência do K++, vários, vários► 1946: Proposta do modelo do Big-Bang, 1946: Proposta do modelo do Big-Bang,

Gamow et al.Gamow et al.► 1947: Descoberta do pion 1947: Descoberta do pion , Lattes et al.; , Lattes et al.;

descoberta dos eventos “V” , Rochester y descoberta dos eventos “V” , Rochester y ButlerButler

► 1948: QED, Feynman, Schwinger, Tomonaga1948: QED, Feynman, Schwinger, Tomonaga► 1954: Teorias de gauge não-Abelianas, Yang 1954: Teorias de gauge não-Abelianas, Yang

e Millse Mills

► 1956: Proposta da violação da paridade, Lee 1956: Proposta da violação da paridade, Lee e Yange Yang

► 1959: evidência do 1959: evidência do 00, Alvarez et al; detecção , Alvarez et al; detecção do anti-neutrino do elétron, Reines e Cowando anti-neutrino do elétron, Reines e Cowan

► 1961: “Caminho do octeto”, Gell-Mann; 1961: “Caminho do octeto”, Gell-Mann; Ne’emanNe’eman

► 1962: evidência do 1962: evidência do , Lederman et al., Lederman et al.

► 1964: modelo de quarks, Gell-Mann, Zweig; 1964: modelo de quarks, Gell-Mann, Zweig; evidência do evidência do --, Barnes et al.; Violação de CP; , Barnes et al.; Violação de CP; Fitch e CroninFitch e Cronin

► 1973: descoberta da “liberdade 1973: descoberta da “liberdade assintótica”, assintótica”, QCD, vários; descoberta QCD, vários; descoberta das correntes neutras fracas das correntes neutras fracas

► 1974: Descoberta do quark c1974: Descoberta do quark c► 1975: Descoberta do lépton 1975: Descoberta do lépton ► 1977: Descoberta do quark b (“bottom”)1977: Descoberta do quark b (“bottom”)► 1979: Descoberta da violação da paridade 1979: Descoberta da violação da paridade

em átomos, em átomos, -Z-Z00

► 1983: Descoberta dos W1983: Descoberta dos W, Z, Z00

► 1993: Confirmação do problema dos 1993: Confirmação do problema dos neutrinos solaresneutrinos solares

► 1995: Descoberta do quark t (“top”)1995: Descoberta do quark t (“top”)► 1998: Super-Kamiokande: neutrinos 1998: Super-Kamiokande: neutrinos

solares e atmosféricossolares e atmosféricos► 2001: Observação direta do 2001: Observação direta do ► 2002-2003: Confirmação das reações 2002-2003: Confirmação das reações

nucleares do Sol, SNO, KamLand.nucleares do Sol, SNO, KamLand.

Podemos resumir o anterior no seguinte quadro:

O que tem a ver o anterior com:

A história e destino do Universo?

Resumida assim:

Leituras recomendadasLeituras recomendadas

► A Aventura das Partículas Elementares A Aventura das Partículas Elementares

http://particleadventure.org/particleadventure/http://particleadventure.org/particleadventure/spanish/index.htmlspanish/index.html

► Searching for the Building Blocks of MatterSearching for the Building Blocks of Matter

http://wwwed.fnal.gov/projects/exhibits/searchinghttp://wwwed.fnal.gov/projects/exhibits/searching//

S .Kullander, Accelerators and Nobel Laurates, S .Kullander, Accelerators and Nobel Laurates, http://www.nobel.se/physics/articles/index.htmlhttp://www.nobel.se/physics/articles/index.html

INTERNET

Leituras …Leituras …

► The ABC´s of Nuclear Science, The ABC´s of Nuclear Science, http://www.lbl.gov/abchttp://www.lbl.gov/abc

►

INTERNET

HYPERPHYSICS:

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html

ArtigosArtigos

►C. Quigg, The Standard Theory, C. Quigg, The Standard Theory, Fermilab Library Server Fermilab Library Server http://library.fnal.gov/archive/test-fn/0http://library.fnal.gov/archive/test-fn/0000/fermilab-fn-0731.shtml000/fermilab-fn-0731.shtml

►C. Quigg, The Electroweak Theory, C. Quigg, The Electroweak Theory, hep-ph/0204104hep-ph/0204104

LivrosLivros

►V. V. Ezhela V. V. Ezhela et al. et al. (Eds.), (Eds.), Particle Particle Physics One Hundred Years of Physics One Hundred Years of DiscoveriesDiscoveries, AIP Press, 1996., AIP Press, 1996.