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As estranhas e belas partículas elementares : uma introdução

As estranhas e belas partículas elementares : uma introdução. Estrutura da Matéria I. Molécula. Constituintes: átomos. força atuante: eletromagnética (residual). Estrutura da Matéria II. Átomo. Constituintes: elétrons e núcleo. Força atuante: eletromagnética. (r  10 -10 m).

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As estranhas e belas partículas elementares : uma introdução

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Presentation Transcript

  1. As estranhas e belas partículas elementares : uma introdução 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  2. Estrutura da Matéria I Molécula Constituintes: átomos força atuante:eletromagnética (residual) 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  3. Estrutura da Matéria II Átomo Constituintes: elétrons e núcleo Força atuante: eletromagnética (r  10-10 m) 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  4. Estrutura da Matéria III Núcleo Constituintes: prótons e nêutrons Força atuante: forte (residual) (r  10-14 m) 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  5. Estrutura da Matéria IV próton Constituintes: quarks Força atuante: forte (r  10-15 m) 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  6. Partículas elementares? 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  7. RETROSPECTIVA HISTÓRICA • até 1932 eram conhecidos: • prótons (mp=938,27 MeV/c2), elétrons (me = 0,511 MeV/c2) e fótons (m =0) • em 1932: foi descoberto o nêutron por Chadwick (mn=939,565 MeV/c2), 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  8. Unidades de energia e massa • Unidade de energia 1 eV = 1,6 x 10 –19 J • 1MeV  106 eV (megaeletronvolt) • 1GeV  109 eV (gigaeletronvolt) • 1TeV  1012 eV (teraeletronvolt) • Unidade de massa 1eV/c2 ( E=mc2 ) • 1eV/c2  1,78 x 10-36 kg 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  9. Novas partículas foram descobertas a partir de 1932 • Em 1928, Paul Dirac introduziu o conceito de antipartícula, ao escrever a equação relativística para o elétron (teoria) 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  10. A primeira antipartícula: o pósitron • Carl Anderson observou a primeira antipartícula em experimento com radiação cósmica em 1933  um pósitron (antielétron) (experimento) 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  11. Neutrinos • Ainda em 1930 Wolfgang Pauli sugere a existência dessas partículas neutras, de massa nula, para explicar o espectro de energia dos elétrons emitidos no decaimento radioativo beta (teoria) 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  12. Ainda os neutrinos • Cowan (dir.) e Reines detectaram os neutrinos muitos anos mais tarde em uma série de experimentos realizados entre 1953 e 1956 (experimento) 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  13. Os mésons • Em 1933 Hideki Yukawa propõe a existência de partículas com massa Melétron< M < Mpróton , para explicar as forças nucleares (teoria) 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  14. Ainda os mésons • Em 1937, Carl Anderson e Seth Neddermeyer e, independentemente, Street e Stevenson observam partícula com massa intermediária na radiação cósmica penetrante (experimento) 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  15. Será o méson de Yukawa?? • O comportamento desta partícula ao atravessar a matéria não era conforme o previsto teoricamente! (experimento) •  As partículas positivas sofrem desintegração (+ e+ + …) •  As partículas negativas causam desintegração do núcleo atômico 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  16. decai + ... Méson mais leve (observado) Méson mais pesado (Yukawa) Solução do problema dos mésons: • Em 1947, Tanikawa e Sakata & Inoue e, independentemente, Marshak e Bethe propõem a Teoria dos dois mésons(teoria) 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  17. Comprovação experimental: • Em 1947, Lattes, Occhialini e Powell comprovam a existência do dois tipos de mésons e o decaimento do pesado no leve (experimento) • Donald Perkins comprova também em 1947 (experimento) 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  18. Como ficou? • Méson pesado :  (píon), massa=139,57 MeV/c2 • “Méson” leve :  (múon), massa= 105,658MeV/c2 , comportamento semelhante ao do elétron • + + + … • -  causa desintegração do núcleo • 0  previsão (teoria) Kemmer e descoberta experimental Steinberger, Panofsky e Steller 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  19. Por “economia”: … • +  + +  (+ +  ) • -  - +  (- + anti ) • -  e- +  +  • +  e+ +  +  8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  20. Eram conhecidas partículas “leves”: elétron e- , e+ múon -, + neutrino  LÉPTONS Situação aproximada em 1947: não interagem fortemente ! spin semi-inteiro 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  21. próton nêutron píon E ainda os hádrons :interagem fortemente bárions: spin semi-inteiro mésons: spin inteiro 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  22. Léptons • São férmions (spin ½) • Sofrem interação eletromagnética quando têm carga elétrica; • Sofrem interação fraca (sempre!) • Não sofrem interação forte! 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  23. Hádrons • Sofrem interação forte; • Sofrem interação eletromagnética, quando têm carga elétrica; • Sofrem interação fraca (sempre); • Podem ser bárions (spin semi-inteiro) ou mésons (spin inteiro) 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  24. A partir de 1947: mais partículas foram sendo detetadas • Mais mésons(todos com spins inteiros e instáveis) • pion   massa  140 GeV/c2 • kaon K  massa  500 GeV/c2 • eta   massa  550 GeV/c2 • rô   massa  770 GeV/c2 • omega   massa  783 GeV/c2 • kaon estrela K  massa  890 GeV/c2 • etc….. 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  25. e mais bárions foram detetados: • e mais bárions(instáveis, com exceção do próton): • próton & nêutron (p,n) m = 940 MeV/c2 • delta  m = 1232 MeV/c2 • sigma  m  1190 MeV/c2 • lambda m  1115 MeV/c2 • “cascata”m  1320 MeV/c2 • etc.. 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  26. Uma profusão de “partículas elementares” • Elementares ??? • Situação análoga : na Química , com os vários elementos químicos. • Solução na Química: Mendeleev e a Tabela Periódica! 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  27. Procuram-se regularidades • Algumas palavras adicionais sobre os káons: • Primeiras observações em 1944 Leprince-Ringuet & L’Heritier e em 1947, por Rochester & Butler, na radiação cósmica K0+ + -e em 1949 com Powell, observando K++ + + + -. 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  28. Comportamento dos káons • Apresentavam um comportamento “estranho”: • Eram facilmente produzidos (escala de tempo 10-23 s) • Seus decaimentos eram lentos (escala de tempo 10-10 s)  •  MECANISMOS DIFERENTES! 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  29. Não apenas mésons “estranhos”… • Também bárions “estranhos” foram observados : • 0 p+ + - (1951) • + p+ + 0 (1953) • -0 + - (1954) 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  30. Como entender? • A. Païs sugere esquema para produção em pares de partículas estranhas: • - + p+ K+ + - • - + p+ K0 + 0 • - + p+ K0 +  S: número quântico de estranheza, conservado na produção S=+1 S=-1 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  31. ESTRANHEZA • Gell-Mann e Nishijima (1953) introduzem o número quântico ESTRANHEZA (S) para descrever este atributo observado experimentalmente • S é conservado na produção de partículas observada! 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  32. Agrupamentos em famílias • Em 1961, Gell-Mann e também Ne’eman agrupam bárions e mésons em “famílias”; • “The Eightfold Way” 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  33. Octeto de bárions (spin ½) 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  34. Decupleto de bárions (spin 3 /2) 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  35. Primeiro sucesso do modelo: • A partícula - ainda não havia sido descoberta experimentalmente!! • O esquema previu a sua existência, sua massa, sua carga, seu spin e sua estranheza.. 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  36. E ainda o “octeto” de mésons: 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  37. O Modelo a Quarks • Essas regularidades indicam que há uma sub-estrutura por trás… • Proposição de Gell-Mann em 1964 e também Zweig: todos os hádrons são constituídos de quarks.. 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  38. Os quarks : 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  39. Os quarks • aparecem em três “sabores” : • u  up • d  down • s  strange • todos têm spin ½ (logo são férmions) 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  40.  A cada quark corresponde um anti-quark • Os seus números quânticos são opostos aos dos quarks correspondentes , por exemplo, a carga elétrica e o número quântico de estranheza são opostos… 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  41. Os três anti-quarks 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  42. E onde estão as partículas observadas nos experimentos?? • São todas interpretadas como estados ligados de quarks e/ou antiquarks • Bárions  q q q • Antibárions  (antiq)(antiq)(antiq) • Mésons  q(antiq) 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  43. Exemplos • p  uud ( ); carga +2/3+2/3-1/3 = +1 • n  udd ( ); carga +2/3-1/3-1/3 = 0 • + uud (); carga +2/3+2/3-1/3 = +1 • ++  uuu (); carga +2/3+2/3+2/3 = +2 • -  sss (); - ddd • + u ( ); carga +2/3-1/3 = 1 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  44. E como se explicam os multipletos?? • Combinamos cada quark com cada um dos três antiquarks… • Obteremos o “octeto” mais um : noneto de mésons 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  45. A composição dos mésons 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  46. E para os bárions: começamos com qq 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  47. e acrescentamos o 3º. quark: 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  48. Mas, no ínterim, no setor dos léptons…. • Em 1962, Lederman, Schwartz e Steinberger identificam que há dois tipos de neutrinos: um que acompanha o elétron, e um que acompanha o múon nos processos fracos •  dois tipos de neutrinos : e  8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  49. Partículas: temos também suas respectivas antipartículas até agora temos duas gerações de léptons Assim a família dos léptons fica: • e- • e •  •  8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

  50. Então a situação em 1964 era: • quatro léptons (mais quatro antiléptons) • três quarks (mais três antiquarks) • todos com spin ½. • essas eram as verdadeiras partículas elementares! Mas…. 8a Oficina de Fisica Moderna – IFGW Carola Dobrigkeit Chinellato

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