Física de partículas - Particle physics
Modelo Padrão de Física de Partículas |
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A física de partículas (também conhecida como física de alta energia ) é um ramo da física que estuda a natureza das partículas que constituem a matéria e a radiação . Embora a palavra partícula possa se referir a vários tipos de objetos muito pequenos (por exemplo , prótons , partículas de gás ou até mesmo poeira doméstica), a física de partículas geralmente investiga as menores partículas detectáveis irredutivelmente e as interações fundamentais necessárias para explicar seu comportamento.
No entendimento atual, essas partículas elementares são excitações dos campos quânticos que também governam suas interações. A teoria atualmente dominante que explica essas partículas e campos fundamentais, junto 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 exemplo, para a mais nova partícula "conhecida", o bóson de Higgs , ou mesmo para o mais antigo campo de força conhecido, a gravidade .
Partículas subatômicas
A pesquisa moderna de física de partículas está focada em partículas subatômicas , incluindo constituintes atômicos, como elétrons , prótons e nêutrons (prótons e nêutrons são partículas compostas chamadas bárions , feitas de quarks ), que são produzidas por processos radioativos e de espalhamento , tais partículas são fótons , neutrinos e múons , bem como uma ampla gama de partículas exóticas .
A dinâmica das partículas também é governada pela mecânica quântica ; eles exibem dualidade onda-partícula , exibindo comportamento semelhante a partícula sob certas condições experimentais e comportamento semelhante a onda em outras. Em termos mais técnicos, eles são descritos por vetores de estado quântico em um 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 às partículas que são, de acordo com a compreensão atual, consideradas indivisíveis e não compostas de outras partículas.
Tipos | Gerações | Antipartícula | Cores | Total | |
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Quarks | 2 | 3 | Par | 3 | 36 |
Leptons | Par | Nenhum | 12 | ||
Gluons | 1 | Nenhum | Ter | 8 | 8 |
Fóton | Ter | Nenhum | 1 | ||
Z Boson | Ter | 1 | |||
W Boson | Par | 2 | |||
Higgs | Ter | 1 | |||
Número total de partículas elementares (conhecidas): | 61 |
Todas as partículas e suas interações observadas até agora podem ser descritas quase inteiramente por uma teoria quântica de campos chamada de Modelo Padrão . O Modelo Padrão, conforme formulado atualmente, possui 61 partículas elementares. Essas partículas elementares podem se combinar para formar partículas compostas, responsáveis por 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 conduzidos até o momento. No entanto, a maioria dos físicos de partículas acredita que é uma descrição incompleta da natureza e que uma teoria mais fundamental aguarda descoberta (ver Teoria de Tudo ). Nos últimos anos, as medições da massa do neutrino forneceram os primeiros desvios experimentais do Modelo Padrão, uma vez que os neutrinos não têm massa no Modelo Padrão.
História
Física moderna |
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A ideia de que toda matéria é fundamentalmente composta de partículas elementares data de pelo menos o século 6 aC. No século 19, John Dalton , por meio de seu trabalho com estequiometria , concluiu que cada elemento da natureza era composto por um único tipo de partícula. A palavra átomo , após a palavra grega atomos que significa "indivisível", desde então denotou a menor partícula de um elemento químico , mas os físicos logo descobriram que os átomos não são, de fato, as partículas fundamentais da natureza, mas são conglomerados de ainda menores. partículas, como o elétron . As explorações da física nuclear e da física quântica no início do século 20 levaram a provas de fissão nuclear em 1939 por Lise Meitner (com base em experimentos de Otto Hahn ) e a 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 surpreendente de partículas foi encontrada em colisões de partículas de feixes de energia cada vez mais alta. Era conhecido informalmente como " zoológico de partículas ". Descobertas importantes, como a violação do CP por James Cronin e Val Fitch, trouxeram novas questões ao desequilíbrio matéria-antimatéria . O termo zoológico de partículas foi modificado após a formulação do Modelo Padrão durante a década de 1970, no qual o grande número de partículas era explicado como combinações de um número (relativamente) pequeno de partículas mais fundamentais, o que marcou o início da física de partículas moderna.
Modelo Padrão
O estado atual da classificação de todas as partículas elementares é explicado pelo Modelo Padrão , que ganhou ampla aceitação em meados da década de 1970 após a confirmação experimental da existência de quarks . Ele descreve as interações fundamentais fortes , fracas e eletromagnéticas , usando bósons de calibre mediadores . As espécies de bósons de calibre são oito glúons ,
C-
,
C+
e
Z
bósons e o fóton . O modelo padrão também contém 24 férmions fundamentais (12 partículas e suas antipartículas associadas), que são os constituintes de toda a matéria . Finalmente, o Modelo Padrão também previu a existência de um tipo de bóson conhecido como bóson de Higgs . Em 4 de julho de 2012, os físicos com o Large Hadron Collider no CERN anunciaram que encontraram uma nova partícula que se comporta de forma semelhante ao que é esperado do bóson de Higgs.
Laboratórios experimentais
Os principais laboratórios de física de partículas do mundo são:
- Laboratório Nacional de Brookhaven ( Long Island , Estados Unidos ). Sua principal instalação é o Colisor Relativístico de Íons Pesados (RHIC), que colide íons pesados , como íons de ouro e prótons polarizados. É o primeiro colisor de íons pesados do mundo e o único colisor de prótons polarizados do mundo.
- Instituto Budker de Física Nuclear ( Novosibirsk , Rússia ). Seus principais projetos são agora os colisor de elétron-pósitron VEPP-2000 , operado desde 2006, e VEPP-4, que iniciou experimentos em 1994. Instalações anteriores incluem o primeiro colisor de feixe de elétron-elétron VEP-1, que conduziu experimentos de 1964 a 1968; os colisores elétron-pósitron VEPP-2, operados de 1965 a 1974; e, seu sucessor VEPP-2M, realizou experimentos de 1974 a 2000.
- CERN (Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear) ( fronteira franco - suíça , perto de Genebra ). Seu principal projeto agora é o Large Hadron Collider (LHC), que teve seu primeiro feixe de circulação em 10 de setembro de 2008, e agora é o colisor de prótons mais energético do mundo. Ele também se tornou o colisor mais energético de íons pesados depois que começou a colidir com íons 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 Super Proton Synchrotron , que está sendo reutilizado como pré-acelerador para o LHC e para experimentos com alvos fixos.
- DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) ( Hamburgo , Alemanha ). Sua principal instalação era o Hadron Elektron Ring Anlage (HERA), que colidia elétrons e pósitrons com prótons. O complexo acelerador está agora focado na produção de radiação síncrotron com PETRA III, FLASH e o XFEL europeu .
- Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) ( Batavia , Estados Unidos ). Sua principal instalação até 2011 era o Tevatron , que colidiu prótons e antiprótons e foi o colisor de partículas de maior energia da Terra até que o Grande Colisor de Hádrons o ultrapassou em 29 de novembro de 2009.
- Instituto de Física de Altas Energias (IHEP) ( Pequim , China ). O IHEP gerencia várias das principais instalações de física de partículas da China, incluindo o Beijing Electron-Positron Collider II (BEPC II), o Beijing Spectrometer (BES), a Beijing Synchrotron Radiation Facility (BSRF), o Observatório Internacional de Raios Cósmicos em Yangbajing no Tibete , o Experimento de Neutrino do Reator Daya Bay , a Fonte de Neutrons de Espalação da China , o Telescópio de Modulação de Raios-X Duro (HXMT) e o Sistema Subcrítico acionado por Acelerador (ADS), bem como o Observatório de Neutrinos Subterrâneo de Jiangmen (JUNO).
- KEK ( Tsukuba , Japão ). É a casa de um número de experiências tal como o experimento K2K , uma oscilação de neutrinos experiência e Belle II , um ensaio que mede a violação CP de mesões B .
- SLAC National Accelerator Laboratory ( Menlo Park , Estados Unidos ). Seu acelerador de partículas linear de 2 milhas de comprimento começou a operar em 1962 e foi a base para vários experimentos de colisão de elétrons e pósitrons até 2008. Desde então, o acelerador linear está sendo usado para o laser de raios-X Linac Coherent Light Source , bem como acelerador avançado pesquisa em design. A equipe do SLAC continua participando do desenvolvimento e construção de muitos detectores de partículas em todo o mundo.
Muitos outros aceleradores de partículas também existem.
As técnicas exigidas para a moderna física experimental de partículas são bastante variadas e complexas, constituindo uma subespecialidade quase completamente distinta do lado teórico do campo.
Teoria
Teoria quântica de campos |
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História |
A física de partículas teórica tenta desenvolver os modelos, a estrutura teórica e as ferramentas matemáticas para entender os experimentos atuais e fazer previsões para experimentos futuros (ver também física teórica ). Existem vários esforços inter-relacionados importantes sendo feitos na física de partículas teórica hoje.
Um ramo importante tenta entender melhor o Modelo Padrão e seus testes. Os teóricos fazem previsões quantitativas de observáveis no colisor e experimentos astronômicos , que junto com medições experimentais são usadas para extrair os parâmetros do modelo padrão com menos incerteza. Este trabalho investiga os limites do Modelo Padrão e, portanto, expande a compreensão científica dos blocos de construção da natureza. Esses esforços são desafiadores pela dificuldade de calcular quantidades de alta precisão na cromodinâmica quântica . Alguns teóricos que trabalham nesta área usam as ferramentas da teoria quântica de campo perturbativa e da teoria de campo eficaz , referindo-se a si próprios como fenomenologistas . Outros fazem uso da teoria do campo da rede e se autodenominam teóricos da rede .
Outro grande esforço é na construção de modelos, onde os construtores de modelos desenvolvem ideias sobre o que a física pode estar além do Modelo Padrão (em energias mais altas ou distâncias menores). Este trabalho é freqüentemente motivado pelo problema de hierarquia e é limitado por dados experimentais existentes. Pode envolver trabalho em supersimetria , alternativas ao mecanismo de Higgs , dimensões espaciais extras (como os modelos Randall-Sundrum ), teoria de Preon , combinações destes ou outras idéias.
Um terceiro grande esforço na física teórica de partículas é a teoria das cordas . Os teóricos das cordas tentam construir uma descrição unificada da mecânica quântica e da relatividade geral , construindo uma teoria baseada em pequenas cordas e branas ao invés de partículas. Se a teoria for bem-sucedida, ela pode ser considerada uma " Teoria de Tudo " ou "TOE".
Existem também outras áreas de trabalho na física de 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 de pré - impressão : hep-th (teoria), hep-ph (fenomenologia), hep-ex (experimentos), hep-lat ( teoria de calibre de rede )
Aplicações práticas
Em princípio, toda a física (e aplicações práticas desenvolvidas a partir dela) podem ser derivadas do estudo das partículas fundamentais. Na prática, mesmo que "física de partículas" seja interpretada como significando apenas "destruidores de átomos de alta energia", muitas tecnologias foram desenvolvidas durante essas investigações pioneiras que mais tarde encontraram ampla utilização 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 diretamente em radioterapia de feixe externo . O desenvolvimento de supercondutores foi impulsionado por seu uso na física de partículas. A World Wide Web e a tecnologia de tela sensível ao toque foram inicialmente desenvolvidas no CERN . Aplicações adicionais são encontradas na medicina, segurança nacional, indústria, computação, ciência e desenvolvimento de força de trabalho, ilustrando uma longa e crescente lista de aplicações práticas benéficas com contribuições da física de partículas.
Futuro
O objetivo principal, perseguido de várias maneiras distintas, é encontrar e compreender o que a física pode estar além do modelo padrão . Existem várias razões experimentais poderosas para esperar uma nova física, incluindo matéria escura e massa de neutrino . Existem também sugestões teóricas de que esta nova física deve ser encontrada em escalas de energia acessíveis.
Grande parte do esforço para encontrar essa nova física concentra-se em novos experimentos com colisor. O Large Hadron Collider (LHC) foi concluído em 2008 para ajudar a continuar a busca pelo bóson de Higgs , partículas supersimétricas e outras novas físicas. Um objetivo intermediário é a construção do International Linear Collider (ILC), que complementará o LHC, permitindo medições mais precisas das propriedades das partículas recém-encontradas. Em agosto de 2004, uma decisão sobre a tecnologia do ILC foi tomada, mas o local ainda não foi acertado.
Além disso, existem importantes experimentos sem colisor que também tentam encontrar e compreender a física além do Modelo Padrão . Um importante esforço não colisor é a determinação das massas dos neutrinos , uma vez que essas massas podem surgir de neutrinos que se misturam com partículas muito pesadas. Além disso, as observações cosmológicas fornecem muitas restrições úteis sobre a matéria escura, embora possa ser impossível determinar a natureza exata da matéria escura sem os aceleradores. Finalmente, os limites inferiores na vida muito longa do próton impõem restrições às Teorias da Grande Unificação em escalas de energia muito mais altas do que os experimentos com colisor serão capazes de sondar em breve.
Em maio de 2014, o Painel de Priorização de Projetos de Física de Partículas divulgou seu relatório sobre as prioridades de financiamento da física de partículas para os Estados Unidos na próxima década. Este relatório enfatizou a participação contínua dos Estados Unidos no LHC e ILC e na expansão do Deep Underground Neutrino Experiment , entre outras recomendações.
Veja também
- Física de partículas e teoria da representação
- Física atômica
- Astronomia
- Alta pressão
- Conferência Internacional sobre Física de Altas Energias
- Introdução à mecânica quântica
- Lista de aceleradores em física de partículas
- Lista de partículas
- Monopolo magnético
- Micro buraco negro
- Teoria dos Números
- Ressonância (física de partículas)
- Princípio de autoconsistência em física de alta energia
- Teoria termodinâmica autoconsistente não extensiva
- Modelo Padrão (formulação matemática)
- Stanford Physics Information Retrieval System
- Linha do tempo da física de partículas
- Física sem partícula
- Tetraquark
- Conferência Internacional sobre Colisões Fotônicas, Eletrônicas e Atômicas
Referências
Leitura adicional
- Leitura introdutória
- Close, Frank (2004). Física de partículas: uma introdução muito curta . Imprensa da Universidade de Oxford. ISBN 978-0-19-280434-1.
- Feche, Frank ; Marten, Michael; Sutton, Christine (2004). A Odisséia de Partículas: Uma Viagem ao Cerne da Matéria . A Odisséia de Partículas: Uma Viagem ao Cerne da Matéria . Bibcode : 2002pojh.book ..... C . ISBN 9780198609438.
- Ford, Kenneth W. (2005). The Quantum World . Harvard University Press.
- Oerter, Robert (2006). The Theory of Quase Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics . Pluma.
- Schumm, Bruce A. (2004). Deep Down Things: A beleza de tirar o fôlego da física de partículas . Johns Hopkins University Press. ISBN 978-0-8018-7971-5.
- Close, Frank (2006). A Nova Cebola Cósmica . Taylor e Francis. ISBN 978-1-58488-798-0.
- Leitura avançada
- Robinson, Matthew B .; Bland, Karen R .; Cleaver, Gerald. B .; Dittmann, Jay R. (2008). "Uma introdução simples à física de partículas". arXiv : 0810.3328 [ hep-th ].
- Robinson, Matthew B .; Ali, Tibra; Cleaver, Gerald B. (2009). "Uma introdução simples à física de partículas, parte II". arXiv : 0908,1395 [ hep-th ].
- Griffiths, David J. (1987). Introdução às partículas elementares . Wiley, John & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-60386-3.
- Kane, Gordon L. (1987). Física Moderna de Partículas Elementares . Perseus Books. ISBN 978-0-201-11749-3.
- Perkins, Donald H. (1999). Introdução à Física de Altas Energias . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-62196-0.
- Povh, Bogdan (1995). Partículas e núcleos: uma introdução aos conceitos físicos . Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-59439-2.
- Boyarkin, Oleg (2011). Conjunto de dois volumes de física avançada de partículas . CRC Press. ISBN 978-1-4398-0412-4.
links externos
- Revista Symmetry
- Fermilab
- Física de partículas - isso importa - o Instituto de Física
- Nobes, Matthew (2002) "Introdução ao Modelo Padrão de Física de Partículas" em Kuro5hin : Parte 1 , Parte 2 , Parte 3a , Parte 3b.
- CERN - Organização Europeia para Pesquisa Nuclear
- The Particle Adventure - projeto educacional patrocinado pelo Particle Data Group do Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL)