Do que o mundo é feito: As partículas e suas interacções Centro Regional de Analise de São Paulo ( São Paulo 2009)

1. SPRACE
Centro Regional de Análise de São Paulo

2. Programa
Do que o mundo é feito:
As partículas e suas interações
Explorando o mundo subatômico:
Aceleradores e detectores
Um pouco de história:
Descobertas do último século
O Large Electron Positron Collider e o Z
Exercício MasterClass:
Identificando eventos no decaimento do Z
12/Março/2008 SPRACE

3. Parte 1
12/Março/2008 SPRACE

4. Do que é feito o Universo?
China Antiga
"Teoria dos 5 Elementos” :
○ metal, madeira, água, fogo e terra →
constituiriam toda a matéria do
universo.
○ ∼ 5.000 anos atrás (reino de Huang Di)
Citados no livro Shang Shu ou Shu Jing (“O
Livro de História), um dos 6 clássicos
compilados por Confúcio.
Descrição via cinco elementos → anterior à
criação dos caracteres da escrita chinesa.
○ Antiga mas não corresponde à
realidade!
12/Março/2008 SPRACE 4

5. Do que é feito o Universo?
Empédocles (490-430 AC)
Modelo simples e econômico
Pena que esteja errado!
Mendeleiev (1834-1907)
Está correto
Pena que seja muito complicado!
Partículas Elementares (Sec. XX)
Simples
Correto (até o momento)
12/Março/2008 SPRACE

6. 12/Março/2008 SPRACE

7. Do Átomo aos Quarks
10-9
12/Março/2008 SPRACE

8. Férmions: Léptons
Elétron:
1897 Thomson
Múon:
1937 Neddermeyrer, Anderson
Tau:
Massa 1975 Perl
Sabor Carga
(Gev)
Neutrino
(0-0,13)X10-9 0
Neutrino do Elétron
Leve 1956 Cowan, Reines
Elétron 0,000511 -1
Neutrino
(0,009-0,13)X10-9 0
Neutrino do Múon
Médio
1962 Lederman
Múon 0,106 -1
Neutrino
(0,04-0,14)X10-9 0 Neutrino do Tau
Pesado
2000 DONUT Collab., Fermilab
Tau 1,777 -1
12/Março/2008 SPRACE

9. Férmions: Quarks
Up, Down, Strange
1964 Gell Mann
Charm
1974 Ting, Richter
Massa
Sabor Carga
(Gev) Bottom
Up 0,002 2/3 1977 Herb et al.
Down ~ 0,005 -1/3
Top
Charm 1,3 2/3
1995 CDF, DØ
Strange ~ 0,1 -1/3
Top 173 2/3
Bottom 4,2 -1/3
12/Março/2008 SPRACE

10. Massas
u
d
s
c
b
p
12/Março/2008 SPRACE

11. Famílias
Os diferentes sabores aparecem em
três famílias:
2 Léptons por Família
2 Quarks por Família
Anti-partículas:
Mesma massa e spin
Carga, sabor, cor opostas
Por que 3 Famílias?
Somente a primeira seria “suficiente”
p (uud) + n (udd) + e = matéria usual
Ordinária
Cósmicos
Acelera-
Matéria
dores
Raios
12/Março/2008
SPRACE

12. Propriedades Gravitacional Fraca Eletromagnética Forte
Atua em Massa e Energia Sabor Carga Elétrica Carga de Cor
Partículas que Partículas Quarks e
Todas Quarks e Léptons
sentem Carregadas Glúons
Partículas γ
Gráviton (?) W+ Z0 W- Glúons
Intermediárias
Intensidade a
10-41 10-4 1 60
~10-17 m
Alcance Infinito 10-18 m Infinito 10-15 m
Eletrofraca
Eletromagnética Fraca Forte
Carregado Neutro
γ q - q g q'
e +
u e e +
e+
Interações
W Zo q q'
e -
q d νe e - e-
e+ e+ e+ g g
e- νe e+ 16
q q g g
γ W Zo g g
e- e- q' q' g g g g
- - u d
e e
12/Março/2008 SPRACE

13. Bósons Intermediários
Fóton
1923 Compton
WeZ
1983 UA1/2 Collab. (CERN)
Glúon
– 1979 MARKJ/TASSO/PLUTO/JADE
(Desy)
Massa
Sabor Carga
(Gev)
Fóton 0 0
W+ 80,39 1
Z0 91,19 0
W- 80,39 -1
Glúon 0 0
12/Março/2008 SPRACE

14. Modelo a Quarks
Murray Gell-Mann e George Zweig
Introduziram o modelo a quarks:
○ Bárions (próton, nêutron, etc)
○ Mésons (píon, kaon, etc)
Compostos de partículas mais fundamentais: quarks.
○ Três “sabores” de quarks: up, down e strange.
○ Spin ½ e carga 2/3, -1/3 e -1/3.
Bárions: compostos de 3 quarks:
próton = u + u + d
nêutron = u + d + d
Mesons: compostos de um par quark-antiquark
píon = ū + d
12/Março/2008 SPRACE

15. Resumo: Partículas e Interações
Léptons Forte Eletromagnética
Carga Elétrica
Tau
Gluons (8) Fóton
Tau -1 0
Neutrino
Muon -1 0 Muon
Neutrino
Quarks
Átomos
Elétron -1 0 Elétron Luz
Neutrino Mesons Química
Barions Núcleo Eletrônica
Quarks Gravitacional Fraca
Carga Elétrica
Graviton ? Bosons
Bottom -1/3 2/3 Top
(W,Z)
Strange Charm
-1/3 2/3
Down Decaimento do Nêutron
Up Sistema Solar Radioatividade Beta
-1/3 2/3
Galaxias Interação dos Neutrinos
Buracos Negros Brilho do Sol
cada quark: R, B, G 3 cores
12/Março/2008 SPRACE

16. Bárions: Férmions Compostos (qqq)
Massa
Nome Quarks Carga Spin
(Gev)
p próton uud +1 0,938 1/2
p antipróton uud −1 0,938 1/2
n nêutron udd 0 0,940 1/2
Λ lambda uds 0 1,116 1/2
Ω ômega sss −1 1,672 3/2
12/Março/2008 SPRACE

17. Mésons: Bósons Compostos (qq)
Massa
Nome Quarks Carga Spin
(Gev)
π+ píon ud +1 0,140 0
K― káon su −1 0,494 0
ρ+ rô ud +1 0,776 1
B0 B-zero db 0 5,279 0
ηc eta-c cc 0 2,980 0
12/Março/2008 SPRACE

18. Algumas Questões em Aberto
Matéria X Antimatéria
Apesar de terem sido criadas em igual quantidade
no início do universo, porque vemos praticamente
apenas matéria atualmente?
Origem da Massa
Seria possível compreender de forma mais
profunda a origem da massa de todas as
partículas? Seria realmente o mecanismo de Higgs
o responsável por essa massa?
Matéria Escura e Energia Escura
Uma forma invisível de matéria domina a matéria
observada nas galáxias e clusters. Seria
constituída de um novo tipo de partículas?
Universo em Aceleração
A expansão do Universo parece estar acelerando.
Existira uma nova interação ou dimensões extras
do espaço?
12/Março/2008 SPRACE