O Modelo Padrão da Física de O Modelo Padrão da Física de PartículasPartículas

Alex BelluccoAlex BelluccoAndrey AlmeidaAndrey Almeida

Lucélia LettaLucélia LettaNelson BarreloNelson Barrelo

Fonte: Moreira, M.A. O Modelo Padrão da Física de Partículas. Fonte: Moreira, M.A. O Modelo Padrão da Física de Partículas. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 31, n. 1, 1306 (2009)Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 31, n. 1, 1306 (2009)

Modelo ==> TeoriaModelo ==> Teoria

Identificar partículas básicas e suas formas de Identificar partículas básicas e suas formas de interaçãointeração

Partículas elementaresPartículas elementares ==> sem estrutura interna: ==> sem estrutura interna:LéptonsLéptons: elétron, múon, tau, neutrino do elétron, neutrino do : elétron, múon, tau, neutrino do elétron, neutrino do múon, neutrino do tau e suas respectivas antipartículas. Total: múon, neutrino do tau e suas respectivas antipartículas. Total: 12.12.Quarks (carga fracionária, confinados e não livres)Quarks (carga fracionária, confinados e não livres): quark up : quark up (u); quark down (d); quark charme (c); quark estranho (s); (u); quark down (d); quark charme (c); quark estranho (s); quark bottom (b) e quark top(t). Cada um pode ter três cores e quark bottom (b) e quark top(t). Cada um pode ter três cores e sua respectivfa antipartícula: vermelho, verde e azul. Total: 36.sua respectivfa antipartícula: vermelho, verde e azul. Total: 36.HádronsHádrons ==> tem estrutura interna: ==> tem estrutura interna:BárionsBárions: três quarks ou três antiquarks. Recentemente: : três quarks ou três antiquarks. Recentemente: pentaquarks.pentaquarks.MésonsMésons: quark mais um antiquark.: quark mais um antiquark.Méson Méson ++: antiquark (d) + quark (u): antiquark (d) + quark (u)Méson Méson --: antiquark (d) + quark (d): antiquark (d) + quark (d)

PartículasPartículas

Interações fundamentaisInterações fundamentais

InteraçãoInteração Propriedade: CargaPropriedade: Carga

GravitacionalGravitacional MassaMassa

EletromagnéticaEletromagnética ElétricaElétrica

ForteForte ForteForte

FracaFraca FracaFraca

Forças fundamentais da NaturezaForças fundamentais da Natureza

InteraçãoInteração ForçaForça

GravitacionalGravitacional GravitacionalGravitacional

EletromagnéticaEletromagnética EletromagnéticaEletromagnética

ForteForte11 CorCor11

FracaFraca FracaFraca

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

Como se dá a interação? O que transmite a informação Como se dá a interação? O que transmite a informação de força entre as partículas interagentes?de força entre as partículas interagentes?

InteraçãoInteração Partículas InteragentesPartículas Interagentes

GravitacionalGravitacional Grávitons (não detectados)Grávitons (não detectados)

EletromagnéticaEletromagnética FótonsFótons

ForteForte GlúonsGlúons

FracaFraca Partículas W e Z (únicas com massa)Partículas W e Z (únicas com massa)

2 – Um estado da partícula. Podem não ter massa, mas tem 2 – Um estado da partícula. Podem não ter massa, mas tem energia: pulsos de energia. Quanto mais energia, menor é o energia: pulsos de energia. Quanto mais energia, menor é o tempo de interação. Não fazem “clicks“ no contador Geiger.tempo de interação. Não fazem “clicks“ no contador Geiger.

Partículas mediadoras, de força ou virtuaisPartículas mediadoras, de força ou virtuais22

E os Campos? E os Campos? Há quatro campos fundamentais:Há quatro campos fundamentais:

Gravitacional, Eletromagnético, Forte e Gravitacional, Eletromagnético, Forte e Fraco.Fraco.

Busca-se manter as simetrias, ou seja, Busca-se manter as simetrias, ou seja, existem quatro:existem quatro:

Campos fundamentais;Campos fundamentais; Cargas;Cargas;

Interações;Interações; Tipos de partículas mediadoras.Tipos de partículas mediadoras.

RESUMO!RESUMO!

Aspectos da Teoria

O vácuo não é vazio!O vácuo não é vazio!

Produção de pares: incerteza na energia maior ou igual ao dobro da massa do elétron (distância

de 10-11m). 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 VestidasPartículas 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 10-11m.

Aspectos da Teoria

Campo de Higgs ==> mínima Campo de Higgs ==> mínima energia em um valor energia em um valor

diferente de zero!diferente de zero!

Higgs é encontrado Higgs é encontrado no Atlasno Atlas

O Campo e o Bóson O Campo e o Bóson de Higgs de Higgs

Mais um campo fundamental Mais um campo fundamental com sua partícula mediadora!com sua partícula mediadora!

Paradoxo: devido à força fraca Paradoxo: devido à força fraca os bósons W e Z deveriam ter os bósons W e Z deveriam ter

massas elevadas, mas por massas elevadas, mas por questão de simetria essa questão de simetria essa

propriedade deveria ser nula.propriedade deveria ser nula.

Solução = Massa aparente Solução = Massa aparente (inércia) provinda dos choques (inércia) provinda dos choques

com os bósons de Higgs!com os bósons de Higgs!

Aspectos da TeoriaO que é massa afinal?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...

DefiniçãoDefinição: : Massa é... simplemente massa, uma propriedade Massa é... simplemente massa, uma propriedade intrínseca de certas partículas elementares. Isto se deve ao intrínseca de certas partículas elementares. Isto se deve ao campo de Higgs: partícula interagente fica polarizada com campo de Higgs: partícula interagente fica polarizada com Bósons de Higgs, que lhe dão massa (Moreira, 2009, p6).Bósons de Higgs, que lhe dão massa (Moreira, 2009, p6).

Massa e energia são a mesma coisa?Massa e energia são a mesma coisa?RespostaResposta: ': 'A energia se conserva. A energia não se transforma em A energia se conserva. A energia não se transforma em

coisa alguma, são apenas distintas partículas que se coisa alguma, são apenas distintas partículas que se transformam umas em outras. Ou seja, a energia se conserva transformam umas em outras. Ou seja, a energia se conserva

mas os portadores de energia, e a forma em que ela aparece, de mas os portadores de energia, e a forma em que ela aparece, de fato, mudam... (Moreira, 2009, p.6). fato, mudam... (Moreira, 2009, p.6).

Tostines quebrada!Tostines quebrada!: : não é possível transformar matéria em não é possível transformar matéria em energia e energia em matéria!energia e energia em matéria!

Aspectos da Teoria

A antimatériaA 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 A cada partícula está associada uma antipartícula, que se aniquilam

ao entrar em contato produzindo um fóton.ao entrar em contato produzindo um fóton.Partícula neutra (p.e. fóton) ==> partícula = antipartículaPartícula neutra (p.e. fóton) ==> partícula = antipartícula..

Assimetria! Assimetria! Mais partículas que antipartículas!Mais partículas que antipartículas!

Ainda bem! Ainda bem! Universo estável!Universo estável!

Aspectos da Teoria

Simetria CPT (Carga / Paridade / Tempo)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 CDQEDQ e CDQEletrodinâmica 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 TeoriaA Matéria EscuraA 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 EscuroA Vento EscuroPartícula 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 OscilantesNeutrinos OscilantesProblema 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!Isso modificou o MP! ==> necessidade da massa (pequena) dos neutrinos.

Problemas no Modelo Padrão!- - Assimetria matéria-antimatéria - simetria CP, com Assimetria matéria-antimatéria - simetria CP, com

produção em iguais quantidades;produção em iguais quantidades;- A matéria escura e a energia escura - não são - A matéria escura e a energia escura - não são

constituídas das partículas do MP;constituídas das partículas do MP;- O campo de Higgs - MP não explica bem as - O campo de Higgs - MP não explica bem as

particularidades desta interação;particularidades desta interação;

- - A gravidade - o gráviton não foi detectado e o MP A gravidade - o gráviton não foi detectado e o MP não consegue incluir a interação gravitacional não consegue incluir a interação gravitacional

porque ela não tem a mesma estrutura das outras porque ela não tem a mesma estrutura das outras três interações (Moreira, 2009, p.10);três interações (Moreira, 2009, p.10);

Nossas Questões!

Com base no Modelo Padrão, explique o Com base no Modelo Padrão, explique o decaimento beta do neutrôn. Qual o decaimento beta do neutrôn. Qual o papel desempenhado pela partícula papel desempenhado pela partícula virtual W- durante este decaimento?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):Leia o seguinte trecho retirado de Moreira (2005):"De acordo com o chamado mecanismo de Higgs, as partículas W e Z se "De acordo com o chamado mecanismo de Higgs, as partículas W e Z se

chocariam incessantemente com outras partículas presentes em todo chocariam incessantemente com outras partículas presentes em todo espaço, as partículas de Higgs, que explicariam suas massas. Existiria espaço, as partículas de Higgs, que explicariam suas massas. Existiria um campo de Higgs, fundamentalmente diferente dos demais campos um campo de Higgs, fundamentalmente diferente dos demais campos pois, segundo a teoria, o estado de mínima energia desse campo pois, segundo a teoria, o estado de mínima energia desse campo ocorreria não quando se anulasse (como é o caso, por exemplo, do ocorreria não quando se anulasse (como é o caso, por exemplo, do campo eletromagnético) mas em um determinado valor específico campo eletromagnético) mas em um determinado valor específico distinto de zero [1]. Consequentemente, um campo de Higgs não-nulo distinto de zero [1]. Consequentemente, um campo de Higgs não-nulo permeia o Universo, e as partículas estão sempre interagindo com ele, permeia o Universo, e as partículas estão sempre interagindo com ele, deslocando-se através dele como pessoas vadeando na água. Essa deslocando-se através dele como pessoas vadeando na água. Essa interação lhes dá sua massa, sua inércia (ibid., p.62).interação lhes dá sua massa, sua inércia (ibid., p.62).

Hoje o mecanismo de Higgs é considerado como a origem da massa de Hoje o mecanismo de Higgs é considerado como a origem da massa de todas as partículas elementares..."todas as partículas elementares..."

Responda: onde você inseriria a campo e os bósons de Higgs no esquema Responda: onde você inseriria a campo e os bósons de Higgs no esquema apresentado?apresentado?