O que é o desbalanço de Matéria e Anti-matéria no Universo?

Ignacio Bediaga

Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas

   

    

   

   

"Do que a matéria é feita?"O Átomo dinâmico do Séc XX

Rutherford:

Partículas alfa

   

Bohr:

Postulados de 1913 1.  Elétrons orbitam em torno do núcleo sobre a

influência da atração Coulombiana.

2- A órbita circular do elétron tem raios quantizados.

3- Em cada órbita permitida, o elétron tem uma energiaconstante e bem definida, dada por: E = -13,6 eV, n=1,2,3,..                                                                                n2

4. Os elétrons nas suas orbitas não irradiam. 

Átomo Quântico

   

Heisenberg

(1927)Dualidade

onda partícula

De Boglie

(1924)

Schrödinger

(1926)

Mecânica Quântica

   

"Do que a matéria é feita?"Elétrons e Quarks (1964)

   

Quarks e Leptons

Três famílias de Quarks e

três famílias de Leptons.

Todas já produzidas e observadas em

aceleradores.

   

"Do que a matéria é feita?"

........ enorme vazio

O Sol esta para o nosso sistema planetário assim como o núcleo esta para o átomo

   

"Do que a matéria é feita?"........... e Forças

Estrutura CristalinaEstrutura CristalinaRuptura das Ruptura das ligaçõesligações

eletromagnéticaseletromagnéticas

   

As Forças da Natureza

Existem quatro forcas fundamentais na

Natureza

Gravitacional Fraca Eletromagnética Forte

   

Ação de forças a distância

Sucesso absoluto para explicar diferentes fenômenos, movimento das mares, movimento da Lua e dos planetas, movimento de um projetil na terra, tudo isso com uma simples equação:

Lei da Gravitação Universal de Newton:

   Como se transmite a força?

Ação de forças a distância

Lei de Coulomb:

Atração e repulsão entre dois imãs

   

Como se transmitem as forças?

   

Como se transmitem as forças?

   

Como se transmitem as forças?

   

Como se transmitem as forças?

As força se transmitem através da troca de partículas.Que partículas?

   

Como se transmitem as forças?Eletromagnética

Fóton γ:Atua em todas as partícula que

possuam carga elétrica.

Responsável pelo atrito, o magnetismo, a coesão

das moléculas e etc.

tempo

   

Como se transmitem as forças?Forte

Núcleo: Prótons e Nêutrons

Força forte, tem carga de cor e é transmitida pelo

Glúon g

Eletromagnética repulsiva

Residual forte atrativa

Atua em todas as partícula que possuam carga de cor, ou seja os quarks.

Outra interação básicas da natureza

tempo

   

Como se transmitem as forças?Nuclear

Residual forte atrativa

Méson π:Atua em todas as partícula

nucleares.

   

Hádron:Quarks confinados a baixas temperaturas

Do grego ἁδρός: "forte", "robusto".

Partículas que interagem através das forcas fortes.

Todas formadas por quarks.

Próton, Nêutron, Mésons e toda uma imensa família observada em laboratórios.

Hadronização é o processo dos quarks se agruparem em hádrons.

   

Como se transmitem as forças?Fraca

Três famílias de Quarks e

três famílias de Leptonsno início do universo

Reduzidos a uma família

de cada

Desintegração

   

Como se transmitem as forças!!Fraca

Interage com os quarks e leptons.Responsável pela desintegração dos quarks e leptons pesados.

Não forma estado ligado.A mais surpreendente das quatro forças da Natureza.

W+, W- e Z0

Outra interação básicas da natureza

tempo

   

Existem dois tipos de partículas:as transmissoras de força,

conhecidas como bósons

e as receptoras, conhecidas como fermions

(A família dos elétrons (leptons) e a família dos quarks ).

Bósons e Fermions!

Primeira das interações básicas da

natureza

tempo

   

"Do que a matéria é feita?"Partículas Interagindo!

Interações básicas da natureza

Interações combinadas

tempo

   

Como se transmitem as forças?Gravitacional

A mais universal, a mais antiga. Mas é a menos conhecida das quatro forças da Natureza!

Graviton?

   

EinsteinDois postulados:

1- O princípio da relatividade. As leis da física são as mesmas em todos os referenciais.

2- Velocidade universal da luz. A velocidade da luz no vácuo é sempre a mesma, independente da velocidade da fonte, e esta é máxima.

Contração espacial Δx' = Δx /γ Dilatação temporal Δt' = γ Δt

γ = 1

√( 1- v2/c2)

Espaço e tempo são relativos ao observador, não mais uma moldura onde se desenrola o movimento

Fator de Lorentz

   

E = m0 c 2

Equivalência massa e energiapara um corpo em repouso

   

E = m0 c 2 γ

Equivalência massa e energiapara um corpo em movimento

γ = 1

√( 1- v2/c2)

   

E = γ m c 2

Equivalência massa e energia

Se v2/c2 → 1; γ → ∞ e E → ∞Se v2/c2 → 0; γ → 1 e E → m

0 c2

γ = 1

√( 1- v2/c2)

Conseqüências diretas do princípio da relatividade:

1-Nenhum objeto com massa pode ter velocidade maior que a luz

2- c = 300.000.000 metros por segundo, isto implica que a massa concentra uma imensa quantidade de energia

{

   

Gedankenexperiment Equação de Dirac (1928)

Erwin Schrodinger e Werner Heisenberg:Mecânica Quântica.

Einstein: Relatividade

Equação de Dirac para um elétron relativístico

   

Pósitron ou anti-elétron

A solução desta equação é da forma: E2 = m2 C4 , ou seja E pode ser tanto + mc2 como - mc2 .

Energia negativa ou anti-partícula?????

1932 – Descoberta do pósitron ou anti-elétron,mesma massa do elétron, mas com carga positiva.

1955 – Descoberta do anti-próton, mesma massa do próton, mas com carga negativa.

   

Anti-Matéria

Para cada partícula de matéria temos outra de anti-matéria

   

Átomos de Anti-Hidrogeneo ATHENA e ATRAP

ANTIHYDR

 Mesmo espectro de luz?

 Mesmo peso?

   

Nova Dinâmica: Aniquilação Partícula Anti-Partícula

Criação Partícula Anti-Partícula

Aniquilação Partícula Anti-Partícula

Aniquilação e Criação Partícula Anti-

Partícula, dependente da energia inicial.

   

"Do que a matéria é feita?"Partículas Interagindo!

Interações básicas da natureza

Interações combinadas

tempo

   

Dinâmica Partícula Anti-Partícula

tempo

   

Início do Universo: criação e destruição

   

Dinâmica Partícula Anti-Partícula

tempo

   

Expansão e resfriamento

Uma infinidade depares partícula anti-partícula

Leva a uma infinidade de

Fótons com mesma energia pairando

pelo Universo

   

Proporção partícula anti-partícula

   

Radiação de fundo

2.7248 a 2.7252  K0  Menos de 0.01% de variação 

   

Sobrou alguma Matéria

   

Onde esta a Anti-Matéria?

 Balões com detectores de anti­partículas.

 Radio telescópios, satélites com detecção de raios gamma e raios X.

Nenhuma evidência de anti­matéria em ~ 1 Bilhão de anos luz

   

Condições de Sakharov

 Para a produção da assimetria entre a matéria e a 

anti­matéria, observada no universo atual, são 

necessárias duas condições:

 O número bariônico ser violado.

 Violação de C e de CP.

 Estas duas condições seriam possíveis, segundo 

Sakharov, somente em um sistema fora do equilíbrio 

termodinâmico,  ou seja no Universo em forte expansão.

   

Violacão do número Barionico

Processos onde: o número de quarks, menos o número 

 de anti­quarks,  é  diferente entre o  estado inicial e final.

   

Resultados Experimentais

Aparentemente somente em sistemas  fora do equilíbrio termodinâmico.

   

Plasma de Quarks e Glúons (QGP)

 Estado do Universo logo após o Big­Bang

 Energias 100.000 vezes a temperatura  do centro do Sol 

 Energias 100.000 vezes superior a  temperatura  do centro do Sol 

   

Produção de QGP Período especial de tomada de dados com núcleo de 

chumbo  com energia de 2.8 TeV por núcleon 

 Densidade de energia 2 X 2.8 TeV X  416 N / 14 fm3 ~ 150 TeV/fm3 

  ~10.000  partículas produzidas em uma colisão

   

Detector: Alice

   

Simetria de CP

CC

PP

CPCP

   

Violação da simetria de CP

   

Condições de Sakharov

 Para a produção da assimetria entre a matéria e a 

anti­matéria, observada no universo atual, são 

necessárias duas condições:

 O número bariônico ser violado.

 Violação de C e de CP.

>>e

 Isto daria contado fato de que a soma  das cargas elétrica do Universo é zero 

   

Observação de Violação da Simetria de CP em um sistema em equilíbrio

termodinâmico

1/500 dos Klong

 se desintegravam em 2 pions, violando CP 

em um sistema em equilíbrio termodinâmico.

   

Teorema de CPTReversibilidade temporal

e+

e­

μ+

μ-ZZ00

tempotempo

 Igual probabilidade

 Teorema CPT:  violação de CP   → Irreversibilidade

 Transformacão em tempo pode ser descrita por

uma transformacao complexa e­iEt   T   e→ → iEt 

ZZ00

μ+

μ- e­

e+

ZZ00

   

Como se transmitem as forças?Fraca

Três famílias de Quarks e

três famílias de Leptons

no início do universo

Reduzidos a uma família

de cada

Desintegração

   

Grande probabilidade

Pequena probabilidade

Matrix de transicão entre qurks

WW±±

   

Kobayashi-Maskawa Nobel de 2008

2 → 3 famílias de quarksMatriz de mistura 2X2 > 3X3,permite um termo complexo que poderia explicar a violação de CP

Matriz de Cabibbo de mistura 2X2: não permite violação de CP, falta o termo complexo.

Kobayashi e Maskawa propuseram dois novos quarks o b b e tt

   

Quark b: maior fonte de violacão de CP

Decaimentos de partículas envolvendo o quark b, apresentam forte componente  de violação de CP

ACP= - 0.097 ± 0.012

Bd → π - K+

Bu → ρ0K+

ACP= - 0.41 ± 0.10

   

ColaboraçõesBelle e BaBar

PEP II- Stanford-EUAKEK Japão

657 milhões de Mésons B's produzidos

383 milhões de Mésons B's produzidos

   

Observação de Violação da Simetria de CP em um sistema em equilíbrio

termodinâmico

 Violação de CP nos decaimentos dos mésons K's e B's, podem ser explicados pelo Modelo Padrão

 Entretanto ela não explica toda a violação de CP necessária para entender a assimetria matéria anti­matéria do Universo 

 Novas fontes de violação de CP são necessárias

   

Colaboração LHCb no LHC

 Produzir de 10 a 100 vezes mais B's por ano que o Belle e BaBar produziram nos 10 anos de funcionamento

LHCb

   

Interferência: Decaimentos do B em três corpos

    

 Proposta estudar a desintegração B± ̶> K ± π + π -

  I.B, R. Blanco, C. Gobel e R.Mendez­Galain PRL V81, 4067 (1998) e  I.B, G. Guerrer e J. Miranda, PR D76: 073011 (2007) 

 Estudar as interferência entre estados intermediários 

   

Anisotropia de CP

 Decaimentos:

B± ̶>π ± π + π -

B± ̶>K ± π + π -

B± ̶>π ± K + K -

B± ̶>K ± K + K -

B± ̶>π ± p̶ p

B± ̶>K ± p̶ p -

  Subtração entre os planos do decaimento do B+ e o B­, fornece um mapa da violação de CP 

 Violação de CP: vinda ou não da matriz de CKM

   

Sumario

A dinâmica das interações tem um papel central na formação da matéria.O processo de criação-aniquilação foi dominante no início do Universo. Uma parte em um 10bilhões de quarks não se aniquilaram com a expansão do Universo. Não há evidências de processos onde o número bariônico é violado.Existe violação de CP em sistemas em equilíbrio termodinâmico, mas não é suficiente para explicar a assimetria matéria anti-matéria. A experiência LHCb te como objetivo aprofundar ainda mais a questão da violação de CP

   

"Do que a matéria é feita?"A filosofia de Heráclito

“Este Cosmos não foi feito por deuses ou por homens,mas que sempre foi , e é, e

será, como um fogo eternamente vivente, que se

acende com medidamedida e se extingue com medidamedida.”

Heráclito (500AC)