FÍSICA DE PARTÍCULAS:Motivações teóricas e fenomenológicas para uma física nova

Prof. Dr. Carlos Pires

GRUPO DE FÍSICA DE E COSMOLOGIA DAS PARTÍCULASELEMENTARES.

DEPARTAMENTO DE FÍSICA DA UFPB

Seminário apresentado na Unidade Acadêmica de Física da UFCG

DO QUE O MUNDO É FEITO?

ÁTOMO ATUAL

PRÓTON

NÊUTRON

QUARKDOWN

QUARKUP

A SITUAÇÃO PRESENTE

OBS: PARA CADA PARTÍCULA EXISTE A SUA ANTI-PARTÍCULA

O QUE MANTÉM AS COISAS UNIDAS?(INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS DA NATUREZA)

GRAVIDADE

ELETROMAGNÉTICA

FORTE FRACA

GRAVIDADE

MAGNETISMO

ELETRICIDADE

RESPONSÁVEL PELO DECAIMENTO RESPONSÁVEL PELA ESTABILIDADEDO NÚCLEO ATÔMICO

INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS DA NATUREZA

AS INTERAÇÕES SÃO MEDIADASPOR PARTÍCULAS ESPECIAIS

PROPRIEDADES DAS PARTÍCULAS

PREVISTAS TEORICAMENTE PELO MODELO MATEMÁTICO:

“ MODELO PADRÃO DAS INTERACÕES ELETROMAGNÉTICA, FRACA E FORTE ”.

PRINCIPAL OBJETIVO DO GRANDE COLISOR DE HÁDRONS:DETECTAR ESSA PARTÍCULA

BÓSON DE HIGGS:DARÁ SENTIDO A TUDO QUE CONHECEMOS

ATÉ AGORA A RESPEITO DA ESTRUTURA DA MATÉRIA E DA EVOLUCÃO DO UNIVERSO

É RESPONSÁVEL PELA ORIGEM DA MASSA

EXPLICACÕES DAS PROPRIEDADES DESSAS PARTÍCULAS PELO MODELO PADRÃO ESTÃO

CONDICIONADAS A EXISTÊNCIA DE UMA PARTÍCULA HIPOTÉTICA CHAMADA

BÓSON DE HIGGS, OU A PARTÍCULA DE DEUS

1000.000m

10cm1mm

1mm/10.000

Átomo /1.000.000

Átomo/100.000

Átomo/100.000.000

Átomo /1.000.000

Átomo/100.000.000

O que é o modelo padrão?

• Teoria quântica de campos( Teoria de campos+ mecânica quântica + relatividade especial) associada a teoria de gauge.

• Tudo isso expresso no formalismo lagrangeano.• Simetria do modelo:SU(3)xSU(2)xU(1) • Qualquer processo é calculado usando o método da matriz S

Lagrangeana do modelo

CONSTRUÇÃO DO MODELO:

Postula-se o conteúdo de matéria

E o grupo de simetria SU(3)xSU(2)xU(1)

A teoria prediz as interacões

Como consequência

PREDIÇÕES DO MODELO

• 03 bósons de gauge como intermediadores da força fraca.

• Um bóson escalar, Higgs, com massa de centenas de GeV.

SUCESSO DO MODELO

• Os 03 bósons de gauge foram detectados no LEP I

• Acomoda as propriedades dos férmions e das interações eletrofraca.

• O modelo padrão é atualmente a mais sofisticada teoria matemática sobre a natureza

Motivações para uma física nova em física de partículas

• Experimentais:• Neutrinos têm massa e oscilam.

• Ocilação:Fenômeno puramente quântico:

Neutrinos solares

Fluxo

• O sol produz neutrinos eletrônicos numa determinada taxa.

• Detectado na terra um terço do esperado(Superkamiokande)

• Conclusão:

Neutrinos atmosféricos

Conclusão:

Neutrinos atmosféricos

• Déficit na taxa de detecção de neutrinos na terra(KAMIOKANDE)

• Conclusão:

RESUMO DOS DADOS EXPERIMENTAIS

DESAFIO:

• Massa do neutrino mais pesado:

• Massa do elétron:

• Explicar a pequenez das massas dos neutrinos

Matéria escura: rotação de galáxias

Dados Experimentais

O problema da matéria escura

• Uma partículas, ou várias, com as seguintes propriedades:

• Eletricamente neutra.• Estável, ou com uma vida média superior ou da idade

do universo.• Não emite luz(não interage com fóton).• As demais interacões devem fornecer uma abundância

em torno de 20% da matéria do universo.• O modelo padrão não dispõe de um candidato que

apresente essas propriedades.

Problema da assimetria matéria-antimatéria

• O universo é composto de matéria( elétrons, prótons, nêutrons….)

• O modelo padrão prevê que matéria e antimatéria existam na mesma proporcão. Em termos tecnicos, matéria e antimatéria são produzidas aos pares.

• Só detectamos antimatéria em raios cósmicos na proporcão

Problema da assimetria matéria-antimatéria

Onde ,

Medidas atuais

Condicões de Sakharov para a bariogênesis

• Violacão do número bariônico.• Perda do equilíbrio térmico• Violacão de C e CP.

• O que diz o modelo padrão?• Não permite nem a primeira nem a segunda.• Acomoda a terceira, mas com pouca intensidade.

Problemas estruturais

• Problema da hierarquia: com relacão a massa do Higgs, contribuicões de segunda ordem são superiores as contribuicões de primeira ordem.

Problema da hierarquia

Problema da hierarquia

• M é uma escala de energia muito grande. O seu valor natural seria a constante de Planck.

• Para efeito de ilustração, o vácuo do modelo padrão é

de:

•

E a constante de Planck é da ordem de

Problema da hierarquia

• Para o modelo padrão ser consistente matematicamente, o Higgs deveria ter uma massa da ordem da constante de Planck.

• Os experimentos prevêem que a massa do Higgs deve estar entre 114 até 300 GeV.

• Considerado o problema mais sério do modelo padrão.

O problema da replicacão das geracões

• No modelo padrão, as geracões de partículas podem se

replicam indefinidamente.• Entretanto, sabemos que

só existem três gerações:

• O modelo acomodar

várias, por que

só temos 3

Demais problemas

• Preferência pela quiralidade esquerda.

• Quantizacão da carga elétrica.

• Qual a origem das partículas.

• Porque o grupo de simetria é :SU(3)xSU(2)xU(1) ……

Conclusões• Física das partículas é uma área da fronteira do

conhecimento com problemas reais esperando soluções.

• É uma das áreas mais ativas da física com uma média de 20 artigos científicos sendo submetidos a publicacão diariamente.

• O mais excitante: • o LHC sondará energias aonde o modelo padrão viola

unitariedade. Logo, seja lá qual for o resultado, teremos física nova nos próximos anos.

• É esperar pra ver. • Boa sorte para nós!!!!!!!!• OBRIGADO