A AVENTURA DAS PARTÍCULAS

Escola Secundária José Saramago – 2007

Adaptado do CERN por Marília Peres

Não

é

de hoje

que

as pessoas

perguntam:

"De que é que o mundo é feito?“

ou

"O que o mantém unido?"

Questão: Qual

é

o nome

desta

estátua

e quem

a esculpiu?

A Procura do que é Fundamental

De que é Feito o Mundo?

•

Porque razão tantas coisas neste mundo possuem características semelhantes?

•

As pessoas concluíram que a matéria que compõe o mundo é

na verdade um aglomerado

de alguns blocos fundamentais de construção da natureza.

•

A palavra "fundamental"

é

a chave aqui. Entendemos por blocos fundamentais de construção, objectos que são simples e sem estrutura

-

não são constituídos por nada

menor.•

Mesmo na Antiguidade, as pessoas procuravam organizar o mundo à

sua volta em elementos

fundamentais, como a terra, o ar, o fogo e a água.

O Átomo•

Hoje nós sabemos que há

algo mais

fundamental que a terra, a água, o ar e o fogo...

Na realidade há

átomos e espaço. -

Demócrito (c. 400 aC)

•

Por volta de 1900, as pessoas pensavam nos átomos como bolas permeáveis com pequenas quantidades de carga eléctrica vibrando internamente.

Mas o átomo é

fundamental?Os físicos perceberam que podiam classificar os átomos em grupos que compartilham propriedades químicas similares (como na Tabela Periódica). Isso indicava que os átomos eram compostos de simples blocos de construção, e que esses blocos em diferentes combinações é

que determinavam as

propriedades químicas da matéria.

O O ÁÁtomotomo

•

Em grego a palavra átomo ("atomon") significa "que não pode ser dividido".

Mas as entidades que nós chamamos de átomos são feitas de partículas mais fundamentais!

O NO Núúcleo cleo éé Fundamental?Fundamental?

•

Por parecer pequeno, sólido e denso, os cientistas pensaram originalmente que o núcleo era fundamental. Mais tarde, descobriram que ele era feito de protões (p), que são carregados positivamente, e neutrões (n), que não têm carga.

•

E então, os protões e os neutrões são fundamentais?

Os Protões e os Neutrões são Fundamentais?Os Protões e os Neutrões são Fundamentais?

•

Os físicos descobriram que os protões e os neutrões são compostos de partículas ainda menores, chamadas quarks.

•

Até

onde sabemos, os quarks são como os pontos na geometria. Eles não são compostos de nada mais.

•

Depois de testar esta teoria, os cientistas agora suspeitam que os quarks e o electrão (e algumas outras partículas) são fundamentais.

A Escala do A Escala do ÁÁtomotomo

Este é o modelo atómico moderno:

Os electrões estão em constante movimento em torno do núcleo; os protões e os neutrões vibram dentro do núcleo e os quarks vibram dentro dos protões e neutrões.

Se fossemos desenhar o átomo em escala e fizéssemos os protões e neutrões com um centímetro de diâmetro, então os electrões e quarks deveriam ter um diâmetro menor do que o de um fio de cabelo e o diâmetro do átomo inteiro deveria ser maior que o comprimento de trinta campos de futebol!

99,999999999999% do volume de um átomo é apenas espaço vazio!

A Escala do A Escala do ÁÁtomotomo

• Ao mesmo tempo que um átomo é pequeno, o núcleo é dez mil vezes menor que o átomo, e os quarks e electrões são pelo menos dez vezes menores que eles. Não sabemos exactamente quão menores os quarks e electrões são; eles são definitivamente menores, e podem ser literalmente pontos, mas nós não sabemos com certeza.

• Também é possível que os quarks e os electrões não sejam fundamentais de facto, e eventualmente acabem sendo constituídos de outras partículas mais fundamentais.

(Oh c(Oh cééus, serus, seráá que nunca termina essa loucura?)que nunca termina essa loucura?)

O O QueQue EstamosEstamos àà ProcuraProcura??

• Os físicos procuram constantemente novas partículas. Quando as encontram, eles as classificam e tentam achar padrões universais que dizem sobre como os blocos fundamentais de construção do universo interagem.

• O CERN, até agora, já descobriu cerca de duzentas partículas (a maioria delas não é fundamental). Para não perdermos de vista todas essas partículas, são representadas pelas letras dos alfabetos grego e romano.

• É claro que os nomes das partículas são apenas uma pequena parte de qualquer teoria física. Saiba que até o grande Enrico Fermi uma vez disse a seu estudante (e futuro Prémio Nobel) Leon Lederman, "Jovem, se eu me conseguisse lembrar dos nomes dessas partículas, teria sido um botânico!"

O O ModeloModelo PadrãoPadrão• Os físicos desenvolveram uma teoria chamada O

Modelo Padrão, que explica o que é o mundo e o que o mantém unido.

• É uma teoria simples e compreensível que explica todas as centenas de partículas e interacções complexas com apenas:6 quarks.

6 leptões. (O leptão mais conhecido é o electrão.)

Partículas transportadoras de força, como o fotão. Falaremos a respeito dessas estranhas partículas logo, logo.

• Todas as partículas de matéria que nós conhecemos são compostas de quarks e leptões, e elas interagem trocando partículas transportadoras de força.

Quarks e LeptõesQuarks e Leptões

• Tudo desde galáxias até montanhas e moléculas, são feitas de quarks e leptões.

• Mas essa não é a história completa: os quarks comportam-se diferentemente dos leptões, e para cada tipo de partícula de matéria há uma partícula de antimatéria correspondente.

MatMatééria e Antimatria e Antimatéériaria• Para cada tipo de partícula de matéria que nós encontramos, existe uma

partícula correspondente de antimatéria ou uma antipartícula.

• As antipartículas parecem-se e comportam-se como suas correspondentes partículas de matéria, excepto pelo facto de terem cargas opostas. Por exemplo, um protão é electricamente positivo, ao passo que um antiprotão é electricamente negativo.

• A gravidade afecta a matéria e a antimatéria do mesmo modo, porque a gravidade não é uma propriedade ligada à carga. Uma partícula de matéria tem também a mesma massa de uma antipartícula.

• Quando uma partícula de matéria e uma partícula de antimatéria se encontram, elas aniquilam-se em pura energia!

De De queque éé FeitoFeito o o MundoMundo?? O O queque éé AntimatAntimatéériaria??

Mais devagar! "Antimatéria?" "Pura Energia?" O que é

isso, Star

Trek?•

A ideia de antimatéria é

estranha, ainda mais porque o universo

todo parece ser inteiramente composto de matéria. Essa ideia parece ir contra tudo que nós sabemos sobre o universo.

•

É

possível comprovar a existência de antimatéria nesta

fotografia recente da câmara de bolhas. O campo magnético nessa câmara faz com que as partículas negativas se curvem para a esquerda e as partículas positivas se curvem para a direita. Muitos pares electrão-positrão aparecem nessa foto como que vindos do nada mas, na verdade, eles surgem de fotões que não deixam uma trajectória na fotografia.

•

Os positrões (anti-electrões) comportam-se exactamente como os electrões, mas fazem a curva para o lado oposto porque eles possuem carga oposta à

dos electrões (em destaque um par

electrão-positrão).

•

Se a antimatéria e a matéria são exactamente iguais, mas opostas, então por que há

muito mais matéria do que

antimatéria no universo?

••

Bem... Bem... nnóós não sabemoss não sabemos. Essa . Essa éé

uma pergunta que tira o sono uma pergunta que tira o sono

aos faos fíísicos.sicos.

Fonte: Fermilab

QuarksQuarks• Os Quarks são um tipo de partícula de matéria. A maior parte da matéria que vemos em nossa

volta é feita de protões e neutrões, os quais são compostos de quarks.

• Existem seis quarks, mas os físicos usualmente falam em termos de três pares:- upup//downdown-- charmoso/estranhocharmoso/estranho-- top/top/bottombottom. . Para cada um desses quarks, existe um antiquark correspondente.

• Os quarks têm a característica não habitual de possuírem uma carga eléctrica fraccionária, diferente da do protão e do electrão, que têm cargas inteiras de +1 e -1, respectivamente.

• O quark mais difícil de ser encontrado, o quark top, foi descoberto em 1995 depois de ter sido previsto teoricamente por 20 anos.

• Querem ver a ideia que os físicos de partículas têm de duplo sentido?

DandoDando Nome Nome aosaos QuarksQuarks•

A escolha do nome para os quarks...

...começou quando, em 1964, Murray Gell-Mann

e George Zweig

sugeriram que as centenas de partículas conhecidas na época pudessem ser explicadas como combinações de apenas três partículas fundamentais. Ele escolheu o nome "quarks" para essas três partículas, uma palavra sem sentido usada por James Joyce

no romance O despertar de Finnegan: "Três quarks para Muster Mark!"

Para fazer com que seus cálculos funcionassem, os quarks tinham de possuir cargas eléctricas fraccionárias de 2/3 e -1/3. Essas cargas nunca haviam sido observadas anteriormente. Os quarks nunca foram observados sozinhos e então, inicialmente esses quarks eram considerados como uma ficção matemática. Experiências recentes convenceram os físicos não apenas de que os quarks existem, mas também de que existem seis deles e não três.

•

Como os quarks receberam seus nomes engraçados?

Existem seis sabores de quarks. "Sabores" significa apenas diferentes tipos. Os dois mais leves são chamados up e down

.

O terceiro quark é

chamado estranho

. Recebeu esse nome por

causa do "estranho" longo período de vida da partícula K, a primeira partícula composta encontrada que continha esse quark.

DandoDando Nome Nome aosaos QuarksQuarks

O quarto tipo de quark, o quark charmoso . Foi descoberto em 1974 quase que simultaneamente no Centro do Acelerador Linear de Stanford (SLAC) e no Laboratório Nacional de Brookhaven.

O quinto e o sexto quarks foram algumas vezes chamados de truth (verdade) e de beauty (beleza) no passado, mas até os físicos acharam que esses nomes eram muito engraçados e ...

Assim, quark bottom foi descoberto no Laboratório Nacional Fermi (Fermilab), em 1977, numa partícula composta chamada upsilon (y ).O quark top foi descoberto por último, também no Fermilab, in 1995. É o quark de maior massa. Ele foi previsto durante muito tempo mas nunca havia sido observado até então.

Fonte: CERN

3 3 GeraGeraççõesões de de MatMatéériaria

• Tanto quarks quanto leptões existem em 3 grupos distintos. Nós chamamos cada um desses grupos de geração de partículas de matéria. Uma geração contém um exemplar de quarks e leptões de cada tipo de carga. Cada nova geração tende a ser mais pesada que a anterior.

• Toda matéria visível no universo é feita da primeira geração de partículas de matéria - quarks quarks upup, quarks quarks downdown e electrõeselectrões. Isso porque todas as partículas da segunda e terceira gerações de partículas são instáveis e decaem, tornando-se partículas de primeira geração, a única geração estável.

•• Espere um minuto. Se as geraEspere um minuto. Se as geraçções acima da primeira decaem rapidamente, são ões acima da primeira decaem rapidamente, são raramente observadas e não compõem nenhuma matraramente observadas e não compõem nenhuma matééria estria estáável ao nosso redor, vel ao nosso redor, então por que elas existem?então por que elas existem?

NÃO SABEMOS. NÃO SABEMOS.

QUEM SABE ATQUEM SABE ATÉÉ EXISTEM MAIS!EXISTEM MAIS!

APENAS AINDA NÃO AS DESCOBRIMOS!APENAS AINDA NÃO AS DESCOBRIMOS!

ResumoResumo dada ””MatMatéériaria””

O que o MantO que o Mantéém Unido? m Unido? As Quatro InteracAs Quatro Interacççõesões

•

O universo que conhecemos e amamos existe porque as partículas fundamentais interagem. Essas interacções incluem forças atractivas e repulsivas, decaimento e aniquilação.

•

Existem quatro interacções fundamentais entre as partículas, e todas as forças no mundo podem ser atribuídas a essas quatro interacções!

Resumo sobre InteracResumo sobre Interacççõesões

Gravidade Fraca Electromagnética Forte

Transportada por:

Gravitão(ainda não observado)

W+ W- Z0 Fotão Gluão

Actua em: Todas Quarks e leptõesQuarks e leptões carregados

W+ W- Z0

Quarks e gluões

Electrofraca

Vamos continuar!Vamos continuar!