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FFíísica de sica de QuarksQuarks

Manuel Malheiro Manuel Malheiro ITAITA

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I – Motivação.II – A História dos Quarks.

III – O Modelo Padrão – Partículas elementares.IV – Física de Hádrons.

V – Plasma de Quarks e Glúons.VI – Estrelas de Quarks ?VII – Projetos de Pesquisa no ITA

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I- Motivação

• Entendimento das interações fortes (QCD)

• Os quarks como os graus de liberdade fundamentais.

• O estudo da estrutura dos hádrons.

• A busca de um novo estado da matéria, o plasma de quarks e glúons, no laboratório (RHIC) ou no universo (estrelas compactas).

• Entendimento do diagrama de fase da QCD.

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• Murray Gell-Mann ( 1929 - ).

• Raios cósmicos ( 1959 ) e aceleradores ( 1954 ).

• Partículas produzidas aos pares -> forma de um V .

• Estranheza ( S ) -> nº quântico conservado na interação forte e violado . na interação fraca.

• Partículas estranhas são produzidas aos pares via interação forte.

• A origem da Estranheza? A busca de uma simetria.

•1960 -> muitas novas partículas, Zoológico Subatômico ( Oppenheimer).

• 1961 -> octetos, Simetria SU(3)

II – A História dos Quarks

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Eight-Fold Way ( Via dos oito preceitos )Barions

Mesons

Decoupleto de Barions S=3/2

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1. Visão correta.

2. Intensão correta.

3. Discurso correto.

4. Ação correta.

5. Vida correta.

6. Esforço correto.

7. Pensamento correto.

8. Concentração correta.

Via dos oito preceitos do Budismo

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YuvalYuval NeNe´́emaneman –– coronel do excoronel do exéército Israelense (1960). rcito Israelense (1960). Tripletos Tripletos –– três parttrês partíículas com carga fracionculas com carga fracionáária.ria.

Bárions Mésons

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GellGell--MannMann chamou essas três partchamou essas três partíículas de QUARKS.culas de QUARKS.

A Estranheza = Quark estranho s .A Estranheza = Quark estranho s .

Origem do nome QUARKS ( James Joyce Origem do nome QUARKS ( James Joyce –– escritor irlandês) .escritor irlandês) .““ ThreeThree quarksquarks for for mustermuster MarkMark ””..

QuarksQuarks são reais ou apenas entidades matemsão reais ou apenas entidades matemááticas?ticas?

1969 1969 –– GellGell--MannMann ganha o Prêmio Nobel sozinho!ganha o Prêmio Nobel sozinho!

Sinais da existência dos Sinais da existência dos QuarksQuarks no SLAC ( 1968 ) .no SLAC ( 1968 ) .

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Teoria da Cromodinâmica Quântica - QCD

GellGell--MannMann e e HaraldHarald FritzchFritzch ( 1972 ).( 1972 ).

QuarksQuarks com 3 cargas fortes = CORES.com 3 cargas fortes = CORES.( ( AZULAZUL, , VERMELHOVERMELHO, , VERDE VERDE ))

8 8 GlGlúúonsons responsresponsááveis pela forveis pela forçça entre os a entre os QuarksQuarks( cor ( cor –– antianti--cor ) cor )

Liberdade Assimptótica: a interação entre quarks se torna fraca a pequenas distâncias.

(Premio Nobel de Física de 2004).http://nobelprize.org/physics/laureates/2004/illpres/index.html

•• ConfinamentoConfinamento: : a interaa interaçção ão entreentre quarks quarks aumentaaumenta com a com a distânciadistância..

⇒⇒ Quarks Quarks livreslivres nuncanunca foramforam observadosobservados..

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Outras combinações são “exóticas” !Ex: dibaryons, glueballs, híbridos...

IV – Física de Hádrons

QCD: hadrons são feitos de quarksquarks formam “sacolas”: baryons e mesons

qq

q

tetraquarks e pentaquarks !

q

q

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O que é o próton ?

qq

q

3 quarks livresdentro da sacola

3 quarks presos por cordas em forma de “Y”

vácuo faz pressão

vácuo comprime as linhas de campo

MIT 1974 Tokio 2004

q

q

q

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Excitações do Mar de Dirac

quark do mar antiquark do margluon

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O próton fica assim :

qq

q

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V - Plasmas de Quarks e Glúons.

Segundo a QCD, um sistema formado por Segundo a QCD, um sistema formado por hháádronsdrons, ao ser , ao ser ““aquecidoaquecido”” ou ou ““comprimidocomprimido””, deve passar por uma transi, deve passar por uma transiçção ão de fase, onde os constituintes desses de fase, onde os constituintes desses hháádronsdrons estariam livres estariam livres ou ou desconfinadosdesconfinados..

qq

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qq

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Programas Experimentais com Íons Pesados Relativísticos

LHCLHC

RHICRHICSPS SPS

AGS AGS SISSIS

NNs (GeV/c)

2000

200

20

5

1

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• Beam energy up to 100 GeV/A : 19.6, 62.4, 130, 200 GeV/A;• Two independent rings (asymmetric beam collisions are possible);• Beam species: from proton to Au: Au+Au, p+p, d+Au,Cu+Cu;• Six interaction points: STAR, PHENIX, PHOBOS and BRAHMS

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Por que colidir Íons Pesados a energias Relativísticas?

Estudo do diagrama de fase da matEstudo do diagrama de fase da matééria nuclearria nuclearQuarkQuark--GluonGluon PlasmaPlasma::““A locally thermally equilibrated state of A locally thermally equilibrated state of matter in which quarks and gluons are matter in which quarks and gluons are deconfineddeconfined from hadrons, from hadrons, so that color degrees of freedom become manifest over nuclear, so that color degrees of freedom become manifest over nuclear, rather than merely nucleonic, volumes.rather than merely nucleonic, volumes.””

Portanto, precisamos de um sistema denso (em termos de Portanto, precisamos de um sistema denso (em termos de energia), grande e que atinja o equilenergia), grande e que atinja o equilííbrio tbrio téérmico...rmico...

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Os vários estágios da colisão (?)

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Partículas,

Vista frontal e

lateral

do detetor

mais partículas...partículas e

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IdentificaIdentificaççãoão das das PartPartíículasculas no RHICno RHIC

⎯Ξ+

π0 (PHENIX EMC)

PHENIX TOF

Au+Au 40% to 80%

0.2 ≤ pT < 0.9 GeV/c

ρ0

f0K0

S ωK*0

STAR Preliminary

STAR

BRAHMS

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Yield Mass Quantum Numbers

Temperature Chemical Potential

Hagedorn, Becattini, Braun-Munzinger, Cleymans,

Letessier, Mekijan,Rafelski, Redlich,Stachel, Tounsi

Modelos TTéérmicosrmicos

Assume: Ideal hadron resonance gas thermally and chemically equilibrated Recipe: grand canonical ⇒ partition function ⇒ density of particles of species jInput: measured particle ratiosOutput: temperature T and baryon-chemical potential μB

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Modelos Térmicos

Statistical models work well at AGS, SPS, and RHICHint that chemical and thermal equilibrium is reached (but no

proof!)

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Espectro de momento transversal

Dependência Dependência exponencial:exponencial:

mT1/m

TdN

/dm

T

light

heavyT

purely thermalsource

kTm

t

t

edydmNd −

∝2

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O Diagrama de fase

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Novos Telescópios - Satélites

Telescópio Chandra (Space Shuttle Colombia em 23/07/1999)Observações muito precisasPulsares, Buracos negros, Planetashttp://chandra.harvard.edu -Fotos

Buraco Negro Supermassivono centro da nossa galactia

Sagittarius A* (6/01/2003)

Animações da Web: supernova, estrela binária x-ray e buraco negro

VI – Estrelas de Quarks ?

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FormaFormaççãoão e evolução estelarSeqSeqüüência Principal Supergigante Vermelha Explência Principal Supergigante Vermelha Explosão de osão de

SupernovaSupernova

SupernovasSupernovasEstrelas de NêutronsEstrelas de NêutronsEstrelas HEstrelas Hííbridas. Estrelas de bridas. Estrelas de QuarksQuarks??

1.41.47x 107x 105511SolSol

3 x 103 x 10665400540011Anãs BrancasAnãs Brancas

5 x 105 x 10141410 10 –– 12121 1 –– 22Estrelas de Estrelas de NêutronsNêutrons

ρρ(g/cm(g/cm33))

R (Km)R (Km)M/M/MMSolSolNomeNome

Astrofísica Nuclear –– Estrelas Compactas

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Explosão Supernova

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Regime de Altas DensidadesAstrofísica Nuclear –– Estrelas Compactas

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Estrelas de Quarks?

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STRANGE QUARK MATTER AND COMPACT STARS.Fridolin Weber (San Diego State U.),

Prog.Part.Nucl.Phys.54:193-288,2005 astro-ph/0407155

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VI – Projetos de Pesquisa no ITA

Íons pesados (RHIC)

• Alta temperatura (T ~ 150 MeV)

• Baixas densidades bariônicas.

• Conservação da Estranheza.

• Não há equilíbrio β .

• Os mésons dominam (π, Κ).• Sistema carregado.

Estrelas de Nêutrons

Temperaturas baixas (T < 1MeV).

Altas densidades (ρ ~ 10 ρo).

Estranheza não é conservada.

Há equilíbrio β.

Os bárions dominam (nêutrons).Sistema neutro.

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1. Fase supercondutora de cor na QCD e modelos de 1. Fase supercondutora de cor na QCD e modelos de quarksquarks( Marcelo ( Marcelo VidalisVidalis e M.M. )e M.M. )

Tem

pera

ture

baryon density

Neutron stars

Early universe

nucleinucleon gas

hadron gascolour

superconductor

quark-gluon plasmaTc

ρ0

critical point ?

vacuum

CFL

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2. Efeitos de campo magnético em Magnetars( Lubianka Ferrari (M) e M.M. ).

3. Estrelas politrópicas carregadas( Eder Albuquerque (IC) e M.M. ).

4. Espectro mesônico de modelos relativísticos para mésons confinantes.( Graça Hoinacki (M), Wilson Araújo (PD), Tobias Frederico ).

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5. Estrutura de 5. Estrutura de BBáárionsrions em Modelos de em Modelos de QuarksQuarks RelativRelativíísticossticos (Estudo de (Estudo de distribuidistribuiçção de carga e corrente dos ão de carga e corrente dos quarksquarks no interior do no interior do nnúúcleoncleon))

( Edson ( Edson SuissoSuisso (PD), Wilson Ara(PD), Wilson Araúújo (PD), Tobias Frederico ).jo (PD), Tobias Frederico ).

6. Teoria Quântica de Campos na Frente de Luz.

Corrente eletromagnética de sistemas compostos, e estrutura da função de onda para sistemas compostos em termos das suas componentes no espaço de Fock (componentes exóticas da função de onda de hádrons além da valência).

( Ádnei Marinho (D), Ediana Gambin (D), Tobias Frederico ).

7. Decaimento semileptônico de híperons e bárions pesados na frente de luz.( Edson Suisso (PD), Wilson Araújo (PD), Tobias Frederico ).