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terça, 28 agosto 2018 15:23

Física de partículas Destaque

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A física de partículas (também física de alta energia) é o ramo da física que estuda a natureza das partículas que constituem matéria e radiação. Embora a palavra partícula possa se referir a vários tipos de objectos muito pequenos (por exemplo, protões, partículas de gás ou poeira doméstica), a física de partículas geralmente investiga as partículas detectáveis menores e as interacções fundamentais necessárias para explicar seu comportamento. Pelo nosso entendimento actual, essas partículas elementares são excitações dos campos quânticos que também governam suas interacções. A teoria actualmente dominante que explica essas partículas e campos fundamentais, juntamente com sua dinâmica, é chamada de Modelo Padrão. Assim, a física de partículas moderna geralmente investiga o Modelo Padrão e suas várias extensões possíveis, por ex. para a mais nova partícula "conhecida", o bóson de Higgs, ou mesmo para o mais antigo campo de força conhecido, a gravidade.

As partículas sub-atómicas

 

A pesquisa moderna de física de partículas é focada em partículas sub-atómicas, incluindo constituintes atómicos como electrões, protões e neutrões (protões e neutrões são partículas compostas chamadas bariões, feitos de quarks), produzidos por processos radioactivos e de espalhamento, como fotões, neutrinos e muões, bem como uma ampla gama de partículas exóticas. A dinâmica das partículas também é governada pela mecânica quântica; eles exibem a dualidade onda-partícula, exibindo comportamento semelhante a partículas sob certas condições experimentais e comportamento semelhante a ondas em outras. Em termos mais técnicos, eles são descritos por vectores de estados quânticos num espaço de Hilbert, que também é tratado na teoria quântica de campos. Seguindo a convenção dos físicos de partículas, o termo partículas elementares é aplicado àquelas partículas que são, de acordo com o entendimento actual, presumidas como sendo indivisíveis e não compostas de outras partículas.

 

Todas as partículas e suas interacções observadas até o momento podem ser descritas quase inteiramente por uma teoria quântica de campos chamada Modelo Padrão. O Modelo Padrão, como actualmente formulado, tem 61 partículas elementares. Essas partículas elementares podem se combinar para formar partículas compostas, responsáveis pelas centenas de outras espécies de partículas que foram descobertas desde a década de 1960. O modelo padrão foi encontrado para concordar com quase todos os testes experimentais realizados até à data. No entanto, a maioria dos físicos de partículas acredita que é uma descrição incompleta da natureza e que uma teoria mais fundamental aguarda a descoberta. Nos últimos anos, as medições da massa de neutrinos forneceram os primeiros desvios experimentais do Modelo Padrão.

 

História

A idéia de que toda a matéria é composta de partículas elementares data de pelo menos do século VI a.C..No século 19, John Dalton, através de seu trabalho sobre estequiometria, concluiu que cada elemento da natureza era composto de um único tipo único de partícula. A palavra átomo, depois que a palavra grega atomos significa "indivisível", denota desde então a menor partícula de um elemento químico, mas os físicos logo descobriram que os átomos não são, de facto, as partículas fundamentais da natureza, mas são conglomerados de menor tamanho partículas, como o electrão. As primeiras explorações da física nuclear e da física quântica do século XX levaram a provas de fissão nuclear em 1939 por Lise Meitner (com base em experimentos de Otto Hahn) e à fusão nuclear por Hans Bethe no mesmo ano; ambas as descobertas também levaram ao desenvolvimento de armas nucleares. Ao longo das décadas de 1950 e 1960, uma variedade desconcertante de partículas foi encontrada em colisões de partículas de feixes de energia cada vez mais alta. Foi referido informalmente como o "zoológico de partículas". Esse termo foi preterido após a formulação do Modelo Padrão durante a década de 1970, em que o grande número de partículas foi explicado como combinações de um número (relativamente) pequeno de partículas mais fundamentais.

Modelo Padrão

O estado actual da classificação de todas as partículas elementares é explicado pelo Modelo Padrão. Ele descreve as interações fundamentais fortes, fracas e eletromagnéticas, usando bósons mediadores de medição . As espécies de bosões de calibre são oito glúons, os bósons W−, W + e Z e o fotão. O Modelo Padrão também contém 24 férmiões fundamentais (12 partículas e suas anti-partículas associadas), que são os constituintes de toda a matéria. Finalmente, o Modelo Padrão também previu a existência de um tipo de bóson conhecido como o bóson de Higgs. No início da manhã de 4 de Julho de 2012, físicos do Large Hadron Collider no CERN anunciaram que haviam encontrado uma nova partícula que se comporta de maneira similar ao que se espera do bóson de Higgs.

Laboratórios Experimentais

Os principais laboratórios de física de partículas do mundo são:

  • Laboratório Nacional Brookhaven (Long Island, Estados Unidos). Sua principal instalação é o Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), que colide iões pesados como iões de ouro e protões polarizados. É o primeiro colisor de iões pesados do mundo e o único colisor de protões polarizado do mundo.
  • Instituto Budker de Física Nuclear (Novosibirsk, Rússia). Os seus principais projectos são agora os colectores de electrões e positrões VEPP-2000, operados desde 2006, e o VEPP-4, iniciou experimentos em 1994. Instalações anteriores incluem o primeiro colisor de feixe de electrões e electrões VEP-1, que realizou experimentos de 1964 a 1968; os colisores electrão-positrão VEPP-2, operados de 1965 a 1974; e seu sucessor VEPP-2M, realizou experimentos de 1974 a 2000.
  • CERN (Organização Europeia para Pesquisa Nuclear) (fronteira franco-suíça, perto de Genebra). O seu principal projecto é agora o Large Hadron Collider (LHC), que teve sua primeira circulação de feixe em 10 de Setembro de 2008, e agora é o colisor de protões mais energético do mundo. Ele também se tornou o colisor mais energético de iões pesados depois que começou a colidir iões de chumbo. Instalações anteriores incluem o Large Electron-Positron Collider (LEP), que foi interrompido em 2 de Novembro de 2000 e depois desmontado para dar lugar ao LHC; e o Síncrotron Super Proton, que está sendo reutilizado como um pré-acelerador para o LHC.
  • DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) (Hamburgo, Alemanha). Sua principal instalação é o Hadron Anel Antracónico de Elektron (HERA), que colide electrões e positrões com protões.
  • Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi (Fermilab) (Batavia, Estados Unidos). Sua principal instalação até 2011 foi o Tevatron, que colidiu protões e anti-protões e foi o colisor de partículas de maior energia na Terra até que o Grande Colisor de Hdrons o superou em 29 de Novembro de 2009.
  • Instituto de Física de Altas Energias (IHEP) (Pequim, China). O IHEP administra várias das principais instalações de física de partículas da China, incluindo o Beijing Electron Positron Collider (BEPC), o Beijing Spectrometer (BES), o Beijing Synchrotron Radiation Facility (BSRF), o International Cosmic-Ray Observatory em Yangbajing no Tibet, o Daya. Bay Reactor Neutrino Experiment, a Fonte Spallation Neutron, o Telescópio de Modulação de Raios-X Rígido (HXMT) e o Sistema Subcrítico Acionado por Acelerador (ADS), bem como o Observatório de Neutrinos Subterrâneos de Jiangmen (JUNO).
  • KEK (Tsukuba, Japão). É o lar de uma série de experimentos, como o experimento K2K, um experimento de oscilação de neutrinos e Belle, um experimento que mede a violação CP de mésons B.
  • Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC (Menlo Park, Estados Unidos). Seu acelerador de partículas linear de 2 milhas de comprimento começou a operar em 1962 e foi a base para numerosos experimentos de colisão de pós-electrões e até 2008. Desde então, o acelerador linear está sendo usado para o laser de Raios X Linher Coherent Light Source, bem como avançado projecto de acelerador. pesquisa. O pessoal do SLAC continua a participar no desenvolvimento e construção de muitos detectores de partículas em todo o mundo.

Muitos outros aceleradores de partículas também existem.

As técnicas requeridas para a moderna física experimental de partículas são bastante variadas e complexas, constituindo uma sub-especialidade quase completamente distinta do lado teórico do campo.

Teoria

A física de partículas teóricas tenta desenvolver os modelos, a estrutura teórica e as ferramentas matemáticas para entender os experimentos actuais e fazer previsões para experimentos futuros. Há vários grandes esforços inter-relacionados sendo feitos na física teórica de partículas hoje. Um ramo importante tenta entender melhor o Modelo Padrão e seus testes. Ao extrair os parâmetros do Modelo Padrão, a partir de experimentos com menos incerteza, este trabalho investiga os limites do Modelo Padrão e, portanto, expande nossa compreensão dos componentes básicos da natureza. Esses esforços são desafiadores pela dificuldade de calcular quantidades na cromodinâmica quântica. Alguns teóricos que trabalham nesta área se referem a si mesmos como fenomenólogos e podem usar as ferramentas da teoria quântica de campos e da teoria de campo efectiva. Outros fazem uso da teoria dos campos de rede e chamam a si mesmos de teóricos da rede.

Outro grande esforço é na construção de modelos, onde os construtores de modelos desenvolvem ideias para o que a física pode estar além do Modelo Padrão (em energias mais altas ou em distâncias menores). Este trabalho é frequentemente motivado pelo problema da hierarquia e é restringido por dados experimentais existentes. Pode envolver trabalhos sobre supersimetria, alternativas ao mecanismo de Higgs, dimensões extra-espaciais (como os modelos de Randall-Sundrum), teoria do Prião, combinações destas ou outras ideias.

Um terceiro grande esforço na física teórica de partículas é a teoria das strings. Os teóricos das strings tentam construir uma descrição unificada da mecânica quântica e da relatividade geral, construindo uma teoria baseada em pequenas strings e branas, em vez de partículas. Se a teoria for bem sucedida, pode ser considerada uma "teoria de tudo" ou "TOE".

Há também outras áreas de trabalho na física das partículas teóricas, que vão desde a cosmologia das partículas até a gravidade quântica em loop.

Esta divisão de esforços na física de partículas é refletida nos nomes das categorias no arXiv, um arquivo preprint: hep-th (teoria), hep-ph (fenomenologia), hep-ex (experimentos), hep-lat ( teoria do retículo gauge).

Aplicações práticas

 

Em princípio, toda a física (e aplicações práticas daí desenvolvidas) pode ser derivada do estudo de partículas fundamentais. Na prática, mesmo que a "física de partículas" seja entendida como significando apenas "destruidores de átomos de alta energia", muitas tecnologias foram desenvolvidas durante essas investigações pioneiras que mais tarde encontraram amplos usos na sociedade. Os aceleradores de partículas são usados para produzir isótopos médicos para pesquisa e tratamento (por exemplo, isótopos usados em imagens PET) ou usados directamente em radioterapia externa. O desenvolvimento de supercondutores foi impulsionado pela sua utilização na física de partículas. A World Wide Web e a tecnologia touchscreen foram inicialmente desenvolvidas no CERN. Aplicações adicionais são encontradas em medicina, segurança nacional, indústria, computação, ciência e desenvolvimento da força de trabalho, ilustrando uma longa e crescente lista de aplicações práticas benéficas com contribuições da física de partículas.

 

Futuro

O objectivo principal, que é perseguido de várias maneiras distintas, é encontrar e entender o que a física pode estar além do modelo padrão. Existem várias razões experimentais poderosas para esperar novas físicas, incluindo matéria escura e massa de neutrinos. Há também indícios teóricos de que essa nova física deve ser encontrada em escalas de energia acessíveis.

Grande parte do esforço para encontrar essa nova física está focada em novos experimentos de colisão. O Grande Colisor de Hádrons (LHC) foi concluído em 2008 para ajudar a continuar a busca pelo bosão de Higgs, partículas supersimétricas e outras novas físicas. Um objectivo intermediário é a construção do Colisor Linear Internacional (International Linear Collider - ILC), que complementará o LHC, permitindo medições mais precisas das propriedades das partículas recém-encontradas. Em Agosto de 2004, uma decisão pela tecnologia da ILC foi tomada, mas o site ainda precisa ser acordado.

Além disso, há importantes experimentos não relacionados a colisões que também tentam encontrar e entender a física além do Modelo Padrão. Um importante esforço não colisor é a determinação das massas de neutrinos, uma vez que essas massas podem surgir de neutrinos misturados com partículas muito pesadas. Além disso, as observações cosmológicas fornecem muitas restrições úteis sobre a matéria escura, embora possa ser impossível determinar a natureza exacta da matéria escura sem os colisores. Finalmente, limites mais baixos na vida útil muito longa do protão colocam restrições nas Teorias da Grande Unificação em escalas de energia muito mais altas do que os experimentos com colisões, que poderão ser investigados em breve.

Em Maio de 2014, o Painel de Priorização de Projectos de Física de Partículas divulgou o seu relatório sobre as prioridades de financiamento da física de partículas para os Estados Unidos na próxima década. Este relatório enfatizou a continuação da participação dos EUA no LHC e do ILC, e a expansão do Experimento de Linha de Base Longa Neutrino, entre outras recomendações.

Física de alta energia em comparação com a física de baixa energia

O termo física de alta energia requer elaboração. Intuitivamente, pode parecer incorrecto associar "alta energia" à física de objectos muito pequenos e de massa baixa, como partículas sub-atómicas. Por comparação, um exemplo de um sistema macroscópico, um grama de hidrogénio, tem ~ 6 × 1023 vezes a massa de um único protão. Até mesmo um feixe inteiro de protões circulados no LHC contém ~ 3.23 × 1014 protões, cada um com 6.5 × 1012 eV de energia, para uma energia total do feixe de ~ 2.1 × 1027 eV ou ~ 336.4 MJ, que ainda é ~ 2.7 × 105 vezes menor que a massa-energia de um único grama de hidrogénio. No entanto, o domínio macroscópico é "física de baixa energia", enquanto que as partículas quânticas é "física de alta energia".

As interacções estudadas em outros campos da física e da ciência têm comparativamente uma energia muito baixa. Por exemplo, a energia do fotão da luz visível é de cerca de 1,8 a 3,1 eV. Da mesma forma, a energia de dissociação de ligação de uma ligação carbono-carbono é de cerca de 3,6 eV. Outras reacções químicas normalmente envolvem quantidades similares de energia. Mesmo fotões com energia muito maior, raios gama do tipo produzido em decadência radioactiva, possuem principalmente energia de fotões entre 105 eV e 107 eV - ainda duas ordens de grandeza abaixo da massa de um único protão. Raios gama de decadência radioactiva são considerados como parte da física nuclear, ao invés da física de alta energia.

O protão tem uma massa de cerca de 9,4 × 108 eV; algumas outras partículas quânticas massivas, tanto elementares quanto hadrónicas, têm massas ainda mais altas. Devido a essas energias muito altas no nível de partícula única, a física de partículas é, na verdade, física de alta energia.

Referências

Leitura adicional

Leitura introdutória
  • Close, Frank (2004). Particle Physics: A Very Short Introduction. Oxford University Press. ISBN 0-19-280434-0.
  • Close, Frank; Marten, Michael; Sutton, Christine (2004). The Particle Odyssey: A Journey to the Heart of the Matter. Oxford University Press. ISBN 9780198609438.
  • Ford, Kenneth W. (2005). The Quantum World. Harvard University Press.
  • Oerter, Robert (2006). The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics. Plume.
  • Schumm, Bruce A. (2004). Deep Down Things: The Breathtaking Beauty of Particle Physics. Johns Hopkins University Press. ISBN 0-8018-7971-X.
  • Close, Frank (2006). The New Cosmic Onion. Taylor & Francis. ISBN 1-58488-798-2.
Leitura avançada
  • Robinson, Matthew B.; Bland, Karen R.; Cleaver, Gerald. B.; Dittmann, Jay R. (2008). "A Simple Introduction to Particle Physics". arXiv:0810.3328 Freely accessible [hep-th].
  • Robinson, Matthew B.; Ali, Tibra; Cleaver, Gerald B. (2009). "A Simple Introduction to Particle Physics Part II". arXiv:0908.1395 Freely accessible [hep-th].
  • Griffiths, David J. (1987). Introduction to Elementary Particles. Wiley, John & Sons, Inc. ISBN 0-471-60386-4.
  • Kane, Gordon L. (1987). Modern Elementary Particle Physics. Perseus Books. ISBN 0-201-11749-5.
  • Perkins, Donald H. (1999). Introduction to High Energy Physics. Cambridge University Press. ISBN 0-521-62196-8.
  • Povh, Bogdan (1995). Particles and Nuclei: An Introduction to the Physical Concepts. Springer-Verlag. ISBN 0-387-59439-6.
  • Boyarkin, Oleg (2011). Advanced Particle Physics Two-Volume Set. CRC Press. ISBN 978-1-4398-0412-4.
Ler 309 vezes Modificado em terça, 28 agosto 2018 23:02

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