O Modelo Padro da Fsica de Partculas Alex

O Modelo Padrão da Física de Partículas Alex Bellucco Andrey Almeida Lucélia Letta Nelson Barrelo

Fonte: Moreira, M. A. O Modelo Padrão da Física de Partículas. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 31, n. 1, 1306 (2009) Modelo ==> Teoria Identificar partículas básicas e suas formas de interação

Partículas elementares ==> sem estrutura interna: Léptons: elétron, múon, tau, neutrino do elétron, neutrino do múon, neutrino do tau e suas respectivas antipartículas. Total: 12. Quarks (carga fracionária, confinados e não livres): quark up (u); quark down (d); quark charme (c); quark estranho (s); quark bottom (b) e quark top(t). Cada um pode ter três cores e sua respectivfa antipartícula: vermelho, verde e azul. Total: 36. Hádrons ==> tem estrutura interna: Bárions: três quarks ou três antiquarks. Recentemente: pentaquarks. Mésons: quark mais um antiquark. + Méson : antiquark (d) + quark (u) Méson : antiquark (d) + quark (d)

Interações fundamentais Interação Propriedade: Carga Gravitacional Massa Eletromagnética Elétrica Forte Fraca

Forças fundamentais da Natureza Interação Força Gravitacional Eletromagnética Forte 1 Cor 1 Fraca 1 – Tanto a interação forte quanto a força de cor podem ser: a) Fundamentais: é a própria interação ou força; b) Residuais: resultante de balanços imperfeitos entre as atrações e repulsões dos quarks. É a “versão“ da força de Van der Waals (que envolvem balanço de carga nulo) para forças de cor, onde há um balanço sem cor (hádrons).

Como se dá a interação? O que transmite a informação de força entre as partículas interagentes? Partículas mediadoras, de força ou virtuais 2 Interação Partículas Interagentes Gravitacional Grávitons (não detectados) Eletromagnética Fótons Forte Glúons Fraca Partículas W e Z (únicas com massa) 2 – Um estado da partícula. Podem não ter massa, mas tem energia: pulsos de energia. Quanto mais energia, menor é o tempo de interação. Não fazem “clicks“ no contador Geiger.

E os Campos? Há quatro campos fundamentais: Gravitacional, Eletromagnético, Forte e Fraco. Busca-se manter as simetrias, ou seja, existem quatro: Campos fundamentais; Cargas; Interações; Tipos de partículas mediadoras.

RESUMO!

Aspectos da Teoria O vácuo não é vazio! Produção de pares: incerteza na energia maior ou igual ao dobro da massa do elétron (distância de 10 -11 m). Surge um par Elétron + Pósitron virtual, caso não haja um suprimento de energia fora do vácuo. Partícula virtual: é uma partícula “que não aconteceu“: não tem massa e existe durante um curto período de tempo em uma pequena região do espaço (Moreira, 2009, p. 3).

Aspectos da Teoria Partículas Nuas e Vestidas Exemplo: no vácuo ==> elétron repele os elétrons virtuais e fica vestido (parcialmente blindado) pelos pósitrons virtuais, sem distinguir qual parcela de carga é de qual partícula. Sem essa nuvem temos o elétron nu, com carga maior. Por isso, a lei de Coulomb não é válida para distâncias menores que 10 -11 m.

Aspectos da Teoria O Campo e o Bóson de Higgs Campo de Higgs ==> mínima energia em um valor diferente de zero! Mais um campo fundamental com sua partícula mediadora! Higgs é encontrado no Atlas Paradoxo: devido à força fraca os bósons W e Z deveriam ter massas elevadas, mas por questão de simetria essa propriedade deveria ser nula. Solução = Massa aparente (inércia) provinda dos choques com os bósons de Higgs!

Aspectos da Teoria O que é massa afinal? Massa está relacionada ao bóson de Higgs. 'Massa de repouso' e 'massa relativística' é uma terminologia antiga, do início do século XX, para manter a relação newtoniana entre momentum, massa e velocidade. . . Definição: Massa é. . . simplemente massa, uma propriedade intrínseca de certas partículas elementares. Isto se deve ao campo de Higgs: partícula interagente fica polarizada com Bósons de Higgs, que lhe dão massa (Moreira, 2009, p 6). Massa e energia são a mesma coisa? Resposta: 'A energia se conserva. A energia não se transforma em coisa alguma, são apenas distintas partículas que se transformam umas em outras. Ou seja, a energia se conserva mas os portadores de energia, e a forma em que ela aparece, de fato, mudam. . . (Moreira, 2009, p. 6). Tostines quebrada!: não é possível transformar matéria em energia em matéria!

Aspectos da Teoria A antimatéria Paul Dirac: pósitron ==> conciliar teoria quântica e relatividade! Antipartícula: mesma massa e spin. Carga elétrica, números bariônico, leptônico e assim por diante opostos. A cada partícula está associada uma antipartícula, que se aniquilam ao entrar em contato produzindo um fóton. Partícula neutra (p. e. fóton) ==> partícula = antipartícula. Assimetria! Mais partículas que antipartículas! Ainda bem! Universo estável!

Aspectos da Teoria Simetria CPT (Carga / Paridade / Tempo) Carga – partícula e antipartícula. Paridade – reflexão especular ou inversão do espaço em relação a um ponto (inversão: não mudam as leis. Quebra nas interações fracas: decaimento radioativo). Tempo – passar o 'filme' da realidade de trás para frente. A quebra da simetria CP pode estar relacionada a existerem mais partículas do que antipartículas. Se ocorrer violações CPT significativas = problemas no Modelo Padrão!

Aspectos da Teoria EDQ e CDQ Eletrodinâmica quântica (EDQ) = teoria da interações entre fótons e elétrons. Cromodinâmica Quântica = teoria das interações entre glúons e quarks. Diferenças: Elétrons são livres, quarks não (confinados nos hádrons, que são brancos). Fóton interage com o elétron e este não muda. Quando um glúon interage com um quark, este último pode mudar sua cor (vira outro quark).

Aspectos da Teoria A Matéria Escura Tudo que é 'visto' no Universo = 5% da massa. Onde está o restante? Resposta: 'matéria escura' e 'energia escura'. É uma Hipótese ==> ligada à expansão (Universo aberto devido a muita massa) ou contração do Universo (Universo fechado, devido a pouca massa). Evidências experimentais: massa crítica ==> dúvida: vai expandir mesmo? Quais seriam as partículas? Não poderiam ser os neutrinos fundamentais (vindos do Big Bang), que tem massa pequena.

Aspectos da Teoria A Vento Escuro Partícula do Modelo Padrão (MP) ==> não respondem a questão da constituição da matéria escura. Necessidade de extender esse modelo = Supersimetria! Cada partícula do MP corresponde uma 'superparceira' pesada. Matéria escura não emite radiação, não perde energia e não se aglomera. Movimento das galáxias ==> forma um 'vento escuro' (um milhão de partículas escuras por metro quadrado por segundo)

Aspectos da Teoria Neutrinos Oscilantes Problema dos neutrinos solares ==> previsão do MP não era confirmada (um terço do previsto). Solução: neutrinos mudam de sabor no caminho do Sol até a Terra. Esses são os Neutrinos Oscilantes! Isso modificou o MP! ==> necessidade da massa (pequena) dos neutrinos.

Problemas no Modelo Padrão! - Assimetria matéria-antimatéria - simetria CP, com produção em iguais quantidades; - A matéria escura e a energia escura - não são constituídas partículas do MP; - O campo de Higgs - MP não explica bem as particularidades desta interação; - A gravidade - o gráviton não foi detectado e o MP não consegue incluir a interação gravitacional porque ela não tem a mesma estrutura das outras três interações (Moreira, 2009, p. 10);

Nossas Questões! Com base no Modelo Padrão, explique o decaimento beta do neutrôn. Qual o papel desempenhado pela partícula virtual W- durante este decaimento?

Nossas Questões Diante do modelo padrão, um tema tão atual na ciência, de que maneira poderíamos explicar aos estudantes as novas definições possíveis a partir deste modelo sem aniquilar as antigas analogias?

Nossas Questões O Modelo Padrão prevê teoricamente a existência do campo e do bóson de Higgs, porém estes nunca foram observados por nenhuma experiência, algo que espera-se ocorrer com o funcionamento do LHC. Para a Física, qual seria a importância da comprovação experimental desta partícula? O que é o bóson de Higgs e de quê maneira ele poderia explicar o conceito de massa? Quais as consequências para a física e para o modelo padrão se o bóson de Higgs não se confirmar (não for encontrado ou descobrir-se sua não existência)?

Nossas Questões! Leia o seguinte trecho retirado de Moreira (2005): "De acordo com o chamado mecanismo de Higgs, as partículas W e Z se chocariam incessantemente com outras partículas presentes em todo espaço, as partículas de Higgs, que explicariam suas massas. Existiria um campo de Higgs, fundamentalmente diferente dos demais campos pois, segundo a teoria, o estado de mínima energia desse campo ocorreria não quando se anulasse (como é o caso, por exemplo, do campo eletromagnético) mas em um determinado valor específico distinto de zero [1]. Consequentemente, um campo de Higgs não-nulo permeia o Universo, e as partículas estão sempre interagindo com ele, deslocando-se através dele como pessoas vadeando na água. Essa interação lhes dá sua massa, sua inércia (ibid. , p. 62). Hoje o mecanismo de Higgs é considerado como a origem da massa de todas as partículas elementares. . . " Responda: onde você inseriria a campo e os bósons de Higgs no esquema apresentado?