ASTRO-COSMO-PART

1
ASTRO-COSMO-PARTÍCULAS
PARTE II

• Vicente Pleitez
• IFT-UNESP
• 2004

2
II-OS PROBLEMAS DOS NEUTRINOS SOLARES E
ATMOSFÉRICOS
3
PLANO -II

• O MODELO PADRÃO DO SOL
• O PROBLEMA DOS NUS SOLARES
• OS EXPERIMENTOS DOS NUS SOLARES
• TRANFORMAÇÃO DE NEUTRINOS
• O EFEITO MSW
• OS NEUTRINOS ATMOSFÉRICOS
• A UTILIDADE DOS NEUTRINOS

4
O MODELO SOLAR PADRÃO

• Plasma em equilibrio hidrostático, a presão
  radiativa compensa a gravidad
• O transporte de energia é principalmente
  radiativo (e um pouco por convecção)
• A energia é gerada por reações termonucleares,
  efeitos gravitacionais são pequenos
• A abundância relativa dos núcleos muda só como
  resultado das reações nucleares

5
O PROBLEMA DOS NEUTRINOS SOLARES
Cálculo simples
de neutrinos
Aqui e agora!
M. Guzzo (IFGW/UNICAMP)
6
Cadeia pp
7
J. Bahcall
8
Os neutrinos trazem informação do centro do sol
Jonh Bahcall
9
1 SNU 10-36 capturas por átomo do alvo/segundo
10
Experiment BP 00 BP 98 Bahcall 95 Turk-Chiéze Dar-Shaviv 95 Proffitt94
Chlorine 7.6 1.3-1.1 7.7 1.2-1.0 9.5 1.4 6.4 1.4 4.1 1.2 8.9 1.1
Kamiokande 5.05 (1.00 0.20-0.16) 5.2 1.0-0.7 6.6 1.1 4.4 1.1 2.49 6.4 0.9
Gallium 128 9-7 129 8-6 137 8 122 7 115 6 136 7
11
Experimentos de ?s solares
12
Homestake
Raymond Davis Jr. Pionero desde 1968. Prêmio
Nobel de 2002
?e 37 Cl ? 37 Ar e- , Limiar 0.81 MeV
600 toneladas de Cl4C
Gallex/Sage
50 toneladas de Ga ?e 71Ga ? e- 71Ge, Limiar
0.23 MeV
RADIOQUÍMICOS!
13
SUPER-KAMIOKANDE

• Masatochi Koshiba, Nobel de 2002
• 50 000 toneladas de água ultrapura
• ?xe-? ?xe-, sensível à todos os ?s
• Luz Cerenkov dos e-
• Tempo real e direcional (telescópio de
  neutrinos!)

14
SNO

• (Sudbury Neutrino Observatory)
• Uma tonelada de água pesada D2O
• ES ?xe-? ?xe- (todos os ?s)
• CC ?e D ? p p e- (só ?e )
• NC ?x D ? n p ?x (todos os ?s)

15
S-K versus SNO (ambos sensíveis aos ?s do 8B)
?SSM(?x)5.44 x 106 cm-2s-1
?ESSNO2.39 x 106 cm-2s-1 ?ESSK 2.32 x 106
cm-2s-1
omitimos errores
?CCSNO (?e) 1.75 x 106 cm-2s-1 ?NCSNO(?x)5.09 x
106 cm-2s-1
?SNO(?e) 1.76 x 106 cm-2s-1 ?SNO(??/??) 3.41
x 106 cm-2s-1
?
?SSM(?x)
16
(No Transcript)
17
Resultados do SNO
18
Experiment measured flux ratio exp/BP98 threshold energy Years of
running
Homestake 2.56 0.16 0.16 0.33 0.03 0.05 0.814 MeV 1970-1995
Kamiokande 2.80 0.19 0.33 0.54 0.08 0.10-0.07 7.5 MeV 1986-1995
SAGE 75 7 3 0.58 0.06 0.03 0.233 MeV 1990-2006
Gallex 78 6 5 0.60 0.06 0.04 0.233 MeV 1991-1996
Super- 2.40 0.03 0.08 0.465 0.005 0.015 5.5 (6.5) MeV 1996-
Kamiokande
GNO 66 10 3 0.51 0.08 0.03 0.233 MeV 1998-
SNO 1.75 0.07 0.12 0.05 (CC) 0.347 0.029 (CC) 6.75 MeV 1999-
2.39 0.34 0.16 (ES)
19
HÁ UMA TRASFORMAÇÃO DE NEUTRINOS, DE UM SABOR ?e
PARA OTRO ?? o ?? PORÉM QUÁL É O MECANISMO
DESSA TRANSFORMAÇÃO?
20
a transformação de neutrinos tem sido observada
em neutrinos cujas fontes são extraterrestres, o
Sol, a atmósfera (ver más adiante). Podemos
perguntar-nos se seria possível observar essas
oscilações em neutrinos produzidos em fontes de
laboratório. Depois de anos de tentativas (os
físicos experimentais não descansam ou dormem nos
louros), foram observados em 2 experimentos no
Japão K2K e KamLAND. Ambos experimentos são de
um novo tipo, chamados de longbaseline dado que
os neutrinos viajam distâncias de 100-700
kilómetros antes de atingir o alvo. Analisaremos
brevemente o KamLAND.
21
KamLAND (Kamioka Liquid Scintillator
Anti-Neutrino Detector)
?c p ? e n
Notar que são ?c!
22
Detalhes

• Balão de 13 mêtros com líqüído centilhante
• Distância da fonte de neutrinos (reatores) a
  detetor (S-K) 150 - 200 km (longbaseline)
• Os e são detetados em coincidência com fótons de
  2.2 MeV produzidos pela captura do nêutron. (o
  ruido de fundo tem de ser muito pequeno)
• 700 anti-neutrinos detetados por ano
• Importantes para física, geofísica, e astrofísica
  (por exemplo KamLAND poderá pela primeira vez
  observar os anti-neutrinos do urânio e do tório
  do interior da Terra, que supõe-se originam mais
  da metade do calor da Terra

23
...

• KamLAND BOREXINO permitirão medir a razão do
  uranio/tório que determina o calor do planeta, e
  por isso são de grande importância na física da
  Terra (tectônica de placas).
• Esto são pasos hacia uma verdadeira tomografía do
  interior terrestre

24
Transformação de neutrinos

• Há um déficit de neutrinos vindos do sol
• Qual é a sua explicação?
• Até recentemente existiam várias possibilidades
  momento magnético, novas interações, etc
• A resposta aceita despois dos dados mencionados
  acima é

25
OS NEUTRINOS TÊM MASSA!

• E ALÉM DISSO SE MISTURAM ENTRE SI

26
P(????e) sin22? sin21.27 ?m2 L/E?
?m2m21 - m22 eV2
L distância até a fonte m
E? energia do neutrino MeV
27
(No Transcript)
28
O EFEITO MSW
29
KamLAND
30
(No Transcript)
31
RESUMOS DOS NUS SOLARES

• ?m212 m22 m21 ? 8 x 10-5 eV2 , ?12 ? 300 S-K
• ?m212 ? 6.9 x 10-5 eV , ?12 30o KamLAND

32
Os neutrinos atmosféricos
33
(No Transcript)
34
Super-Kamiokane
35
Resumo dos ?s atmosféricos

• Existe uma transformação de sabor consistente com
  ??? ??
• Mecanismo oscilação de neutrinos
• ?m223m23-m22? 2 x 10-3 eV2 , ?23 ? 45o
• Confirmação por K2K (experimento de
  longbaseline de 250 km em Japão)

36
A utilidade dos Neutrinos

• Em 1954-59 Reines y Cowan viram finalmente os
  antineutrinos do elétron seção de choque pequena
• ?(?c p? e n)?10-43 cm2 partículas
  fantasmas!
• Reator 2x1014?c s-1 kW-1 (atualmente 4 GW, i.e.,
  1021?c s-1)
• Caminho livre médio L1/??1014km (??1024
  protons/cm3).

37
Desde 1959 ...

• Foram descobertos mais dois tipos de neutrinos ??
  , ?? (permitiu formular o MP)
• Neutrinos de grande energía estructura de p, n
  (nucleons)
• Confirmar as reações termonucleares, base da
  evolução estelar (Sol)
• Neutrinos de supernovas (1987a), Kamiokande, IMB,
  Baksan (12 eventos)

38
...

• Oscilação de neutrinos em neutrinos de reactores
  (KamLAND), aceleradores (K2K) y atmosféricos
  (S_K).
• Telescópios de neutrinos (AMANDA, IceCube)
• The investigation of the neutrino oscillation
  that is going on all over the world is a new
  fields of research in particle physics and
  astrophysics (Bilenky 2001)

39
...E cosmología

• DavisS-KSNOKamLANDWMAP restricciones a ?i mi
• Davis (1955) ?c37Cl? e- 37Ar, Não! ?37Cl? e-
  37Ar, Sim!
• ?c ? ? (Dirac)
• ( ??)0? ? ?c ? (Majorana), ? gt 1025 años!
• Leptogênesis ? Bariogênesis (cosmologia)

Mais adiante
40
A Assimetria Matéria - Antimatéria
Parte III
41
PLANO - III

• A antimatéria
• Primeira surpresa violação da paridade P
• Segunda surpresa violação de CP
• Cosmologia e bariogênese
• Propostas Física de partículas elementares

42
A ANTIMATÉRIA

• 1928 Dirac teoría quántica-relativista do
  elétron
• 1929 Hubble descobre a expansão do universo
  (vHr)
• Existe uma relação entre ambas? talvez
• Bom momento magnético correcto del electrón
• Ruim estados de energía negativa (no físicos),
  Elt0
• Estado fundamental (vazio) errado ou a teoria
  errrada
• Para férmions Principio de exclusão de Pauli
• O estado fundamental correcto todos os estado
  com Elt0 (buracos) estão cheios, os de Egt0 estão
  vazios

43
...

• 1931 Dirac os buracos são um novo tipo de
  partículas, massa igual à da partículas, carga
  eléctrica opuesta (a segunda vez que se prevía
  teoricamente um novo tipo de partícula elemental)
• Partículas elementales nesses anos só elétrons e
  prótons. Os buracos seriam os prótons
• ? memp!, simetría entre estados con qelt0, y
  q-egt0 (Dirac interações me?mp errado!)
• 1930 Oppenheimer (Tamm) partículas poden
  aniquilarse com as antipartículas (buracos) a
  matéria não seria estável!

44
...

• 1932 C. Anderson descobre el positrón (Não
  conhecia a teoría de Dirac) e , massa igual à do
  e- , carga oposta
• Por qué o mundo está cheio de elétrons e não de
  pósitrons?
• PET (POSITRON-EMISSION TOMOGRAPHY)
• 1933 Pauli en carta a Heisenberg I do not
  believe in the hole theory, since I would like to
  have the asymmetry between positive and negative
  electricity in the laws of nature (it does not
  satisfy me to shift the empirically established
  asymmetry to one of the initial states)
• A simetria discreta conjugación de la carga,
  C, troca matéria em antimatéria e viceversa ?
  -

45
...

• QED, interaçõs fortes, porqué não as fracas? são
  simétricas sob C
• Motivou a procura de antiprótons e antinêutrons
• 1955 Segré et al pp?ppppc
• 1956 Piccione et al ppc?nnc
• As antipartículas são um fenômeno geral, não só
  para férmions (K0-K0c são bósons)
• As simetrias discretas paridade P (L?R), inversão
  temporal T (t?-t), também eran boas, ...
• Teorema PCT (teoria quântica de campos locais,
  etc)

46
Porém ... la física é uma ciência experimental

• 1947 Rochester e Butler, partículas extrañas
  (eventos-V)
• K0?? ?-, (méson-?) K?? ?- ?, (méson-?) K??
  ?0
• O enigma ?-? ?,??? ?0, ? ?- ?
• Ambas têm a mesma vida média, espín e massa
• Debiam ser a mesma partícula. Mas têm paridades
  opostas!
• ? tem paraidad 1 ? tem paridad -1
• 1956 Lee y Yang
• A paridade é violada, isso resolvia o enigma ?-?,
  ambas son K
• Até 1956-57, la paridad y C son violadas en las
  interacciones débiles,

47
A primera surpresa ... PX

• A teoria V-A viola P e C por construção (ainda
  não sabemos a origem física dessa quebra de
  simetria)
• A VIOLAÇÃO DA PARIDADE E DA CONJUGAÇÃO DA CARGA
  FOI A PRIMEIRA SURPRESA
• A distinção entre carga eléctrica positiva e
  negativa, polo norte magnético y polo sur
  magnético, direita e esquerda é absoluta!
• Landau CP é conservada (a chamou de reflexão
  forte)
• Aqueles conceitos voltaram a ser relativos

48
Quigg 2003
49
P y C dão a imagem errada
CP a arruma
50
A segunda surpresa ... CPX

• A física é uma ciência experimental. Se CP é
  conservada então ...
• K0s? ? ?-, ?0 ?0, CP1, K0L ? ? ?- ?0, CP-1
• K0L? ? ?-, NUNCA!
• 1964 Cronin, Fitch (Nobel de Física, 1980)
• K0L? ? ?-, uno em mil CP es violada también!
• A definição de carga elétrica positiva e
  negativa, polo norte y polo sur, dereita e
  esquerda é absoluta!

51
!

• Essa razão permite
• Definir ABSOLUTAMENTE a carga elétrica positiva
• da negativa (matéria de antimatéria)
• 2. Definir ABSOLUTAMENTE o polo sul magnético do
• polo norte
• 3. Definir ABSOLUTAMENTE direita de esquerda

52
Quê tem tudo isto a ver com a COSMOLOGIA?
53
Bom ...

• A muito tempo (lembrem-se de Pauli) se sabe que o
  universo está formado pelo que chamamos matéria
  como prótons, elétrons, ...
• A antimatéria pósitrons, antiprótons, ...ocorre
  circunstancialmente no universo, produzida apenas
  em processos como a interação dos raios cósmicos
  na atmósfera
• Não se observa a radiação gama que resultaria da
  aniquiliação materia-antimatéria
• Ainda nos raios cósmicos a proporção de
  antimatéria é 10-4
• Do qué está feito o Universo? surpresa!

54
O modelo cosmológico padrão T ?1010 t -1/2 K, ?
R?0(t?0), T??

• A expansão do universo, lei de Hubble 1929
  (Bunsen e Kircchoff !)
• A radiação cósmica de fundo de microondas 2.7K,
  1965 (Penzias y Wilson)
• A abundância cósmica dos elementos leves (D,3He,
  4He,7Li) nucleosintese primordial (BBN) 1s - 3
  minutos
• Medidas recentes das inhomogeneidades do fundo
  cósmico de microondas (WMAP,...)

55
Se houvesse apenas matéria
Flujo medido de p/pc M. Boezio et al Astrophys.
J. 581, 787 (2001)

• Número bariônico, (B) p, n, ... B1 pc,nc, ...
  B-1
• Número leptônico e-,?e, Le1 e,?ce, Le-1
  idem L?,L?
• O modelo padrão conserva B (os diamantes são
  enternos), e Li, além de ?iLi
• Parâmetro fundamental ??nB/n?10-10
• n??400 cm-3
• ??10-20 (teórico) no modelo padrão

56
BBN
YP 0.238 ? 0.002 ? 0.005
57
(No Transcript)
58
(No Transcript)
59
(No Transcript)
60
(No Transcript)
61
(No Transcript)
62
Bariogênesis (Sakharov 1967)

• Violação do número bariônico
• Violação de C e CP
• Estado fora de equilíbrio termodinâmico

63
Propostas

• Física na escala de Planck
• Teorias de grande unificação
• Bariogênesis electrofraca
• Leptogênesis (modelos 3-3-1?)
• Oscilação coherente de escalares
• Todas estas propostas dependem da física de
  partículas elementares

64
Por exemplo, da naturaleza das transições de fase
do universo
Primera ordem
Segunda ordem
65
O problema da Matéria e da Energia Oscura

• PARTE - IV

66
PLANO - IV

• Tipos de partículas segundo suas interações
• Matéria oscura?
• Grande unificação e supersimetria
• Outras propostas
• Terceira surpresa o universo está acelerado!

67
Tipos de partículas segundo suas interações
Partículas Int. grav. Int. débil
Int. elect. Int. forte Quarks
? ? ?
? Leptones ?
? ? Neutrinos
? ? LIPs(?)
?
Matsas et al hep-ph/9810456
68
Matéria oscura?

• Matéria oscura 70 anos atrás (argumentos
  gravitacionaies) 1933 Fritz Zwicky
• gt 1970, velocidades de estrelhas isoladas ou gás
  em galáxias espirais
• gt 1980, matéria oscura não só em galáxias mas no
  universo tudo!
• Os únicos candidatos são da FPE
• O MOND (Modified newtonian dynamics)

69
A lei de Newton, para os planetas e o sol
Extrapolando para a matéria visível em galáxias
70
(No Transcript)
71
Observações

• Perto de mil galáxias espirais (incluiendo a via
  Láctea)
• Outro tipo de galáxias (elípticas, enanas, etc)
• Medidas de inhomegeneidades da radiação de fundo
  de microondas (WMAP)

72
GRANDE UNIFIÇÃO, SUPERSIMETRIA,
73
PORÉM...

• LIPs
• Axions
• Escalares de modelos como os 3-3-1, Outras
  extensões do modelo padrão
• Modelos MOND que modificam a dinâmica de Newton
  (aceleração absoluta, difícil generalizar para a
  TGR

74
OUTRA SURPRESA
75
O UNIVERSO ESTÁ ACELERADO!

• Supernovas tipo Ia
• Anisotropia da radiação cósmica de fundo
• Medidas do conteúdo de matéria

76
Gravitação TRG
Em 1915 Albert Einstein prôpos a teoría da
relatividade geral. As coordenadas não são mais
do que parâmetros a teoría é invariante por
transformaciones gerais de coordenadas

? é a chamada constante cosmológica e parece
que ainda é possível que ??0! Em 1917 nasce a
cosmologia relativista
77
Das equações de Einstein
78
A maior parte da matéria não é bariónica! (é
diferente de nós)
79
O problema da coincidência cósmica
80
(No Transcript)
81
(No Transcript)
82
(No Transcript)
83
(No Transcript)
84
Observado
85
(No Transcript)
86
(No Transcript)
87
(No Transcript)
88
(No Transcript)
89
O futuro do Universo
90
Em teoria quântica de campos
91
Polarização do Vácuo
d
Cortesia da Scientific American Brasil
92
Efeito Casimir no Laboratório
Ilustração
Esfera de 200-µm de diâmetro a 100 nm de uma
superfície plana
U. Mohideen e Anushree Roy Phys. Rev. Lett.
81, 4549 (1998)
H.B. Chan et al, Phys. Rev. Lett. 87,
211801 (2001)
Cortesia da Physical Review Focus
93
Outro problema
94
(No Transcript)
95
As pessoas sempre continuarão a procurar pelos
mistérios do universo no infinitamente pequeno e
no infinitamente grande. No caminho muitas
descobertas ajudaram a melhorar o nível de vida
da população ... mundial?
96
Um grupo de científicos europeos e americanos
estabeleceram uma nova marca para a Internet 2,
a red de alta velocidad que está siendo
desenvolvida e utilizada por mais de 200
universidades de diversos paises.
Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da
Califórnia (Caltech) e do CERN, a Organização
Europea para Pesquisa Nuclear, transfiram 1,1
terabyte (mil billones de bytes) de dados
digitais através de 7 mil quilômetros, entre
Suiza e os Estados Unidos. A velocidade média
atingida, foi de 5,44 gigabits por segundo, é
perto de 20 mil vezes superior à da internet de
banda larga comercial. Com a nova marca, um
DVD inteiro pode ser baixado em menos de dois
segundos. Mais informações www.internet2.edu
97
Pouco despois de 1932 (Chadwich tinha descoberto
o nêutron) G. L. Locher, Biofísico do Instituto
Franklin de Pensilvania propôs A TERAPIA DE
CAPTACIÓN DE NÊUTRONS (NCT). Está baseado na
reação nuclear que ocorre quando o 10B es
irradiado com nêutrons de baixa energia ou
nêutrons térmicos. O boro - 10 captura estes
nêutrons e emite, despois da reação, núcleos de
hélio-4 altamente energéticos (partículas alfa) e
ions de Litio-7. El 10B junto a compostos que
têm a tendência de alojarse em céçulas
cancerígenas (introdzidos intravenosamente) as
partículas carregadas têm um caminho livre médio
do tamanho das células e energía suficiente para
matar o tumor. As células normais como não têm o
composto de boro não sofre os efeitos.
http//web.mit.edu/nrl/www/bnct/info/descripition
/descripition.html http//www.sc.doe.gov/productio
n/ober/msd_bnct.html A Tomografía de Captación
de Positrones (PET). requer um equipamento de
deteção e de produção de imagens diferente
daquele utilizado pela SPECT (Tomografia
Computadorizada por Emissão de Fótons Simples).
Pode observar-se o cerébro em atividade, ver
http//www.triumf.ca/welcome/petscan.html
98
Leitura consultada e recomendada

• C. Muñoz, Int. J. Mod. Phys. A (2003)

99
ME CHAMAN MAESTRO, E INCLUSIVE DOUTOR ...

• PORÉM AO ENSINAR AOS MEUS ALUNOS NADA FAÇO EM SEU
  FAVOR
• 
  FAUSTO