QUARKS CFIF Colloquium

1. QUARKSCFIF Colloquium Pedro Bicudo Dep Física IST & CFIF , Lisboa 07 January 2003 This colloquium presents a creative episode of modern physics, and problems that remain opened ever since.

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35. 0. Resumo Neste colóquio abordam-se os quarks, que são os constituintes sub-nucleares da matéria, e que interagem fortemente trocando gluões. Classificam-se os quarks e gluões com os números quânticos de spin, carga, sabor e cor. Revê-se historicamente como os quarks foram descobertos nos anos 60 e 70, mencionando o Modelo de Quarks para o espectro dos Hadrões, o Modelo dos Partões para a dispersão profundamente inelástica, e a teoria da Cromodinâmica Quântica que governa os campos de quarks e de gluões. Mencionam-se ainda os problemas teóricos que afligem a Cromodinâmica Quântica e que impedem a sua solução exacta. Abordam-se fenómenos importantes da Física Hadrónica, como a simetria quiral, o confinamento, os jactos e a difracção. Referem-se os problemas em aberto reconhecidos pela comunidade dos Físicos Nucleares e Hadrónicos, e os grandes investimentos experimentais e computacionais que a comunidade científica está a desenvolver para atacar estes problemas. Quarks

36. Sumário: 1. Introdução 1.1 Os quarks, constituintes da matéria 1.2 Spin, Carga, Sabor e Cor dos Quarks e Gluões 2. História dos quarks 2.1 Modelo dos Quarks para a classificação dos hadrões 2.2 Modelo dos Partões para a dispersão inelástica 2.3 Teoria da Cromodinâmica Quântica 3. Problemas em aberto 3.1 Quebra de Simetria Quiral, Anomalia Axial 3.2 Confinamento 3.3 Hadrões Híbridos e Bolas de Gluões 3.3 Jactos, Difracção 3.4 Matéria Nuclear, Plasma de Quarks e Gluões 3.5 Núcleos, Partículas, Estrelas e Universo 3. Grandes investimentos 3.1 Laboratórios 3.4 Simulações na Rede 4. Conclusão Quarks

37. 1. Introdução 2.1 Os quarks, constituintes da matéria Exemplo do átomo de Hélio Mais de 99,9% da massa da matéria reside nos nucleões, que são constituidos por quarks. A escala da função de onda dos quarks é o Fermi, -15 r~ 1 Fm=10 m . A energia envolvida por quark é da ordem de 300 MeV , que é da ordem de grandeza de E~ cp~ c h /r~ 200 MeV. Quarks

38. 1.2 Spin, Carga, Sabor e Cor dos Quarks e Gluões Quarks

39. 2. Um pouco da história dos quarks 2.1 Modelo dos Quarks para a classificação dos hadrões Os quarks foram independentemente introduzidos nos anos 60, por Gell-Mann, Ne’eman e Zweig, como partículas sub-nucleares para - explicar o elevado número de hadrões (ressonâncias) observados, primeiro em raios cósmicos e depois em aceleradores de partículas, muitos dos quais em multipletos de massa degenerada, por exemplo, h : 1: h0 N: 2: p+ ,n N: p: 3: p+ , p0 , p- D: 4: D++ , D+ , D0 , D- K: 4: K+ , K- , K0 , K0 . . . - explicar o raio finito do protão e do neutrão, da ordem de 0,7 Fm, medido por Hofstadter nos anos 50, - explicar o momento magnético anómalo do protão e do neutrão, que diferem muito do momento esperado em fermiões de Dirac como o electrão. Quarks

40. Gell-Mann inspirou-se numa passagem da obra Finnegans Wake de James Joyce para encontrar o nome de quarks. Zweig preferia ‘’aces’’ e Feynman gostava mais de ‘’Partons’’ mas a gíria de Gell-Mann predominou. O quebra-cabeças de classificar os hadrões levou a várias novidades, pois os quarks além de serem fermiões de spin 1/2, - possuem um novo número quântico, o sabor que é uma extensão do isospin. Os primeiros sabores descobertos foram os u (up) e d (down) que já compunham os bariões estáveis, e o s (strange) que apenas surgiam nos hadrões instáveis, - o sabor pode ser descrito por um grupo, o SU(3) que extende o conceito de spin, estando o spin (e o isospin) associado ao grupo SU(2), - a carga dos quarks é fraccionária, ou seja (2/3)e ou (-1/3)e , - mas (confinamento) nunca se conseguiu isolar experimentalmente um quark em repouso! Quarks

41. (in Particle Physics Booklet) Essencialmente os hadrões distribuem-se em dois tipos de aglomerados de quarks, Os Hadrões, fermiões de spin 1/2, 3/2, 5/2, 7/2 … compostos por Q + Q + Q Os Mesões, bosões de spin, 0, 1, 2 ,3 ... compostos por Q + Q Quarks

42. (in Particle Physics Booklet) (in Particle Physics Booklet) Quarks

43. (in Particle Physics Booklet) (in Particle Physics Booklet) Quarks

44. (in Particle Physics Booklet) (in Particle Physics Booklet) Quarks

45. (in Particle Physics Booklet) (in Particle Physics Booklet) Quarks

46. 2.2 Modelo dos Partões para a dispersão inelástica Simultaneamente era conhecida a distribuição de carga e o momento magnético anómalo dos nucleões, e estenderam-se as experiências de Hofstadter para electrões de energia cada vez mais alta. Realmente a secção eficaz para e- p+ pode ser descrita por constituintes pontuais, fundamentais, sem estrutura, de spin 1/2 que Feynman chamou de partões. Esta evidência também motivou a descoberta dos quarks. e e g X + u p u d ( O carácter corpuscular dos quarks traduz-se na invariância de escala das funções de estrutura F1e F2 que generalizam o conceito de distribuição de carga e de momento magnético anómalo dos nucleões.) Quarks

47. 2.3 A cor e a teoria da QCD A maioria dos problemas que surgiram com a invenção dos quarks foram resolvidos com a introdução do conceito da cor. A cor foi inicialmente introduzida para não se violar o princípio de Pauli, que diz que ‘’as funções de onda dos fermiões devem ser anti-simétricas para a troca de partículas’’. Ora a função de onda dos 3 quarks que constituem por exemplo o protão, é simétrica em termos de momento angular, spin, e sabor. Assim foi inventado um novo número quântico que daria uma função antisimétrica ao protão. Ora os objectos coloridos, como os quarks e gluões ficam confinados. A experiência ganha no estudo do sabor sugeriu que o grupo de simetria associado deveria ser o grupo SU(3) , pois tal como em SU(2) se pode combinar um spin com um spin para ter um spin total 0, o SU(3) permite com 3 quarks construir funções de onda de cor nula, = + + Tendo o nome de COR sido possivelmente inspirado na contemporânea TV a cores . Quarks

48. Apesar de a cor ter a mesma algebra SU(3) que o sabor, tudo indicava que tinha uma natureza bem distinta devido ao confinamento dos objectos coloridos. Assim atribui-se a cor uma simetria local, inspirada na existência apenas local dos quarks. Uma teoria local já existia, a teoria quântica do electromagnetismo que tem uma simetria de gauge/padrão U(1), onde por exemplo existem cargas positivas e negativas que se podem cancelar. A QCD (teoria da cromodinâmica quântica) surgiu naturalmente como extensão da teoria quântica do electromagnetismo, substituindo o grupo de gauge/padrão U(1) pelo grupo da cor, o grupo SU(3). Foi desenvolvida por Gell-Mann, Fritzch e outros. Logo se juntou evidência da compatibilidade da QCD com o confinamento, - mostrando que no limite de altos momentos é perturbativa, tem liberdade asimptótica, mas para pequenos momentos não se consegue resolver com as técnicas que resolveram a electrodinâmica quântica, - mostrando que em simulações discretas numa rede existe confinamento. Quarks

49. No entanto a QCD permanece uma teoria não resolvida! O seu Lagrangeano é muito simples e bem definido, mas não se sabe ainda calcular algo tão simples como a massa do protão ou o seu momento magnético, ou qualquer outro observável a partir da QCD . Este problema é um dos mais difíceis da física actual, existindo por exemplo um prémio de 1.000.000$ para quem resolver matematicamente o confinamento a partir da QCD. Mas acredita-se que a está QCD correcta! Uma das suas previsões mais notáveis é a existência de gluões, que são análogos aos fotões da electrodinâmica. Os gluões são por exemplo responsáveis pela interacção entre quarks. q Tal como os quarks, os gluões já foram ‘’observados’’ em dispersões a alta energia, mas por serem coloridos estão confinados e jamais foram observados isoladamente em repouso! q g q q Quarks

50. 3. Problemas em aberto 3.1 Quebra de Simetria Quiral, Anomalia Axial Rotação quiral (roda a paridade) Eixo de simetria Condensado pseudo-escalar Densidade de energia do vácuo Falso Vácuo Condensado escalar de pares quark+anti-quark Vácuo Pensa-se que o vácuo não é vazio, mas está ocupado por um condensado de pares quark+anti-quark, isto porque a atracção entre um quark e um anti-quark é tão forte que um par quark+anti-quark tem M2negativa. O vácuo condensado encontra um ponto estável porque o condensado fornece massa aos quarks, num mecanismo descoberto por Nambu nos anos 50. Quarks