Frontiers of Nuclear Physics / Fronteras de la Física Nuclear · (Hadronic) nuclear matter is an idealized hypothetical substance of a huge number of interacting baryons that exists

Introduction / Introducción Theory / Teoŕıa Relativity / Relatividad QCD / CDC Stars / Estrellas

Frontiers of Nuclear Physics / Fronteras de laF́ısica Nuclear

César Zen Vasconcellos

UFRGS / ICRANet

6 de julho de 2019

César Zen Vasconcellos UFRGS / ICRANet

Frontiers of Nuclear Physics / Fronteras de la F́ısica Nuclear


INVITACIÓN A ESTUDIANTES Y MAESTROS DE UNSAAC:Reǵıstrese en nuestro sitio web para la reunión de FICAAU.¡Necesitamos sus nombres y sus direcciones de correo electrónicopara las próximas iniciativas del Grupo Organizador!Sitio web: http://www.cesarzen.com/FICAAU/index.html




1 Introduction / Introducción

2 Theory / Teoŕıa

3 Relativity / Relatividad

4 QCD / CDC

5 Stars / Estrellas




Nuclear Physics Today / F́ısica Nuclear Hoy

Nuclear physics plays today an important role in the understandingof the formation of matter in the universe, from the Big Bang, toquarks and to the Cosmos.

Hoy la f́ısica nuclear desempeña hoy un papel importante en lacomprensión de la formación de la materia en el Universo, del BigBang, a los quarks y al Cosmos.

New frontiers: the quest for the quark-gluon plasma, the structureand the dynamics of hadrons, the properties of nuclei under extremeconditions far off stability, as in neutron stars, pulsars, strange stars,quark stars or in heavy ion collisions.

Nuevas fronteras: la búsqueda del plasma de quarks y gluones, laestructura y la dinámica de los hadrones, las propiedades de losnúcleos en condiciones extremas lejos de la estabilidad, como en lasestrellas de neutrones, púlsares, estrellas extrañas, estrellas dequarks o en colisiones de iones pesados.




Nuclear Physics / F́ısica Nuclear

Evolution of nuclear physics: closely intertwined with therevolutions that transformed the physics of the 20 century.Evolución de la f́ısica nuclear: ı́ntimamente entrelazada con

las revoluciones que transformaron el siglo 20.

Primordial theoretical basis: Quantum Mechanics. Theoreticalbasis today: Relativistic Quantum Theory of Fields.Base teórica primordial: Mecánica Cuántica. Base teórica hoy:

Teoŕıa Cuántica Relativ́ıstica de Campos.

We say that there are no boundaries between the differentbranches of science. But maybe this is not as true as inNuclear Physics.Se dice que no hay fronteras entre las distintas ramas de laciencia. Pero tal vez esto no sea tan cierto como en la F́ısicaNuclear.




Visible Matter / La Materia Visible

Visible matter in the universe: the material that makes upstars, planets, and us — has existed for billions of years.

We have today the knowledge and the tools necessary tobegin to explain its origin, evolution, and structure.

La materia visible en el universo: el material que componeestrellas, planetas y nosotros — ha existido por billones deaños.

Hoy tenemos el conocimiento y las herramientas necesariaspara comenzar a explicar su origen, evolución y estructura.







4 QCD / CDC

5 Stars / Estrellas




Special and General Relativity / Relatividad Especial y General

Quantum Mechanics / La Mecánica Cuántica

Effective Field Theory and Nuclear Matter / Las Teoŕıas de losCampos Efectivos y la Materia Nuclear

Quantum Chromodynamics (QCD) / La Cromodinámica Cuántica(CDC)

QCD and the Structure of Hadrons / CDC y la Estructura delos HadronesThe Phases of Nuclear Matter / Las Fases de la MateriaNuclearThe Emerging QCD Frontier: The Heavy-Ion/Heavy-IonCollider / La Emergente Frontera de la CDC: El Colisionadorde Iones PesadosFrom Nuclear Structure to Exploding Stars / De la EstructuraNuclear a las Estrellas en Explosión




Lagange Density / Función Densidad de Lagrange







4 QCD / CDC

5 Stars / Estrellas




Metric Tensor / Tensor Métricocaptures the geometric structure of space-time / capta la estructurageométrica del espacio-tiempodefines the notions of time, distance, causality, volume, curvature,angles / define las nociones de tiempo, distancia, causalidad,volumen, curvatura, ángulos

separates the future and the past / separa el futuro y el pasado

x2 + y2 + z2 + (ict)2 = x ′ 2 + y ′ 2 + z ′ 2 + (ict ′)2︸︷︷︸∑4

µν=1 aµνxµxν=

∑4µν=1 aµνx

′µx ′ ν ; x4=ict; x ′4=ict′; aµν=δµν




Lorentz Transformations / Transformaciones => Space Contraction, Temporal

Dilation / Contracción Espacial, Dilatación Temporal

x ′ =x − vt

√

1− v2

c2

; t ′ =t − v

c2x

√

1− v2

c2

; y ′ = y ; z ′ = z

L =

√

1−v2

c2L0 T =

T0√

1−v2

c2

∆t =∆t

′+

v

c2∆x

′

√

1−v2

c2

︸︷︷︸

simultaneidad




Special Relativity / Relatividad Especial - mass and energy / masa y enerǵıa

Transformation Law / Ley de Transformación:

m =m0

√

1− v2

c2

;

m0: masa de reposo, masa del cuerpo en su referencial propio(v = 0); si v → c entonces m → ∞.

Free particle energy / Enerǵıa de part́ıcula libre:

E = ±√

p2c2 +m20c4 ≡ ±Mc2 .




Nuclear Matter / Materia Nuclear

(Hadronic) nuclear matter is an idealized hypothetical substance ofa huge number of interacting baryons that exists in several phases.Interaction: only nuclear forces at the baryon / (virtual) meson level.

Materia nuclear (hadrónica) es un sistema idealizado hipotético deuna gran cantidad de bariones interactivos que existen en variasfases. Interacción: solo fuerzas nucleares en el nivel de barión /(virtual) mesón. → Nuclei, neutron stars and pulsars / Núcleos,estrellas de neutrones y púlsares.

Quark-Gluon Plasma corresponds to a deconfined phase of(hadronic) nuclear matter. Composition: quarks and gluons.Interaction: nuclear forces at the quark-gluon level,

El Quark-Gluon Plasma corresponde por su vez a una fasedesconfinada de la materia nuclear (hadrónica) → bariones, estrellasde quarks / materia del universo primordial.




Phases of Nuclear Matter / Fases de la Materia Nuclear

The Holy Grail of physics / El Santo Calice de la f́ısica




The Holy Grail of Physics / El Santo Calice de la F́ısica







4 QCD / CDC

5 Stars / Estrellas




Quantum Chromodynamics (QCD) - CromodinámicaCuántica (CDC)

In theoretical physics, quantum chromodynamics (QCD) is thetheory of the strong interaction between quarks and gluons,the fundamental particles that make up composite hadronssuch as the proton, neutron and pion. QCD is a type ofquantum field theory called a non-abelian gauge theory, withsymmetry group SU(3).

En f́ısica teórica, la cromodinámica cuántica (CDC) es lateoŕıa de la fuerte interacción entre los quarks y los gluones,las part́ıculas fundamentales que forman los hadronescompuestos, como el protón, el neutrón y el pión. CDC es untipo de teoŕıa cuántica de campos llamada teoŕıa de calibre noabeliana, con el grupo de simetŕıa SU(3).




QCD and the Structure of Hadrons - CDC y la Estructurade los Hadrones




QCD and the Structure of Hadrons - CDC y la Estructurade los Hadrónes




Relativistic Nuclear Energy - Enerǵıa Nuclear Relativista

E = ±√

p2c2 +m20c4 ≡ ±Mc2 p → 0 −→ E → E = ±m0c

2




Nuclear Matter Equation of State - EoS / Ecuación deEstado de la Materia Nuclear - ε = ε(p)

E = ±√

p2c2 + (m0 − VE )2c4 ∓ VV ≡ ±M∗c2

p → 0 −→ E → E = ±(m0 − VE )c2 ∓ VV







4 QCD / CDC

5 Stars / Estrellas




Life and Death of a Star




Life and Death of a Star / Vida y Muerte de una Estrella




Life and Death of a Star

Life and death of a massive star: as nuclear fusion converts lighterelements into heavier ones, when fusion no longer generates

enough pressure to counteract gravity, the star rapidly collapses toform a black hole. Theoretically, energy may be released during thecollapse along the axis of rotation to form a gamma-ray burst.




Vida y Muerte de una Estrella

Vida y muerte de una estrella masiva: cómo la fusión nuclearconvierte elementos más ligeros en más pesados, cuando la fusiónno genera más presión suficiente para contrarrestar la gravedad, la

estrella entra en colapso rápidamente para formar un agujeronegro. Teóricamente, la enerǵıa puede ser liberada durante el

colapso a lo largo del eje de rotación para formar una explosión derayos gamma.




General Relativity: metric tensor / Relatividad General: tensor métrico

4∑

µ,ν=1

aµνxµxν

︸︷︷︸

aµν=δµν︸︷︷︸

espaço-tempo plano

−→

4∑

µ,ν=1

gµνxµxν

︸︷︷︸

gµν=space-time curvature




General Relativity - Einstein Equations / GeneralRelatividad - Ecuaciones de Einstein

Gµν = Rµν −R

2gµν + Λgµν =

8πG

c4Tµν

Gµν : Space-time geometry tensor / Tensor que representa lageometŕıa del espacio-tiempo

Rµν : Ricci curvature tensor / Tensor de curvatura de Ricci

R : Scalar curvature / Curvatura escalar

gµν : Metric tensor / Tensor métrico

Λ: Cosmological constant / Constante cosmológica

Tµν : Energy-momentum tensor / Tensor de enerǵıa-momento




Oppenheimer-Tolman-Volkoff Equations / Ecuaciones deOppenheimer-Tolman-Volkoff

M(r) ≡ 4π

∫ r

0ε(r)r2dr M ≡ M(R)

dP(r)

dr= −

Gε(r)M(r)

r2

EoS da F́ısica Nuclear︷︸︸︷[

1 +P(r)

ε(r)c2

][

1+4πr3P(r)

c2M(r)

][

1−2GM(r)

c2r

]−1

velocidade do som muito menor do que c : P(r) ≪ ε(r)c2

compactação: 2GM(r)

rc2≪ 1

4πr3P ≪ M(r)c2

M(0) = 0; ε(0) = εc ; P(0) = Pc




Effective Field Theory

Effective field theory: a type of approximation for anunderlying physical theory, such as a quantum field theory,which includes the appropriate degrees of freedom to describephysical phenomena occurring at a chosen length scale orenergy scale, while ignoring substructure and degrees offreedom at shorter distances (higher energies).

Teoŕıa del campo efectivo: un tipo de aproximación para unateoŕıa f́ısica subyacente, como la teoŕıa del campo cuántico,que incluye los grados apropiados de libertad para describir losfenómenos f́ısicos que ocurren en una escala de longitud oenerǵıa elegida, mientras se ignora la subestructura y losgrados de libertad en distancias más cortas (enerǵıas másaltas).




EFT, NM and Neutron Stars




CDC and Quark Stars




The Infinite Universe




La lengua Quechua se dice es el monumento de la amplitudespiritual, de la estética de alto nivel y de la sensibilidad de losincas. Y que el patrimonio cultural de los incas es como un poema,hecho de piedra, luz y amplitud espiritual. En esa ciudad, CUSCO,se siente permanentemente la presencia de esa herencia cultural yespiritual. Que genera sentimientos profundos de paz, resiliencia, deesṕıritu de colectividad. En ese ambiente es imposible no creer ennuestra capacidad de crear un proyecto que alcance las fronteras denuestros sueños colectivos. Gracias por la atención.

The Quechua language is said to be the monument of spiritualamplitude, of the high level aesthetics and sensibility of the Incas.And that the cultural heritage of the Incas is like a poem, made ofstone, light and spiritual amplitude. In this city, CUSCO, thepresence of that cultural and spiritual heritage is permanently felt.That generates deep feelings of peace, resilience, collective spirit. Inthat environment it is impossible not to believe in our ability tocreate a project that reaches the borders of our collective dreams.Thanks for your attention.




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