Trabalho - Fisica Das Particulas

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IntroduoDe que o mundo feito? Quais so os constituintes fundamentais da matria? Os filsofos e cientistas se fazem essas perguntas h pelo menos 2500 anos. Ainda no podemos dizer que existe uma resposta definitiva, contudo avanamos bastante.

Partculas Fundamentais Uma HistoriaA idia de que o mundo constitudo por partculas fundamentais possui uma historia longa. No ano de 400 a.C. Demcrito e Leucipus sugeriram que a matria devia ser constituda de partculas indivisveis que eles chamaram de tomos. Essa idia dominou at cerca de 1804, quando o cientista John Dalton descobriu que muitos fenmenos qumicos podem ser explicados supondo que qualquer elemento constitudo por tomos, encarados como blocos bsicos e indivisveis da matria. O eltron e o prton No final do sculo XIX tornou-se claro que os tomos no so indivisveis. A existncia do espectro atmico caracterstico de cada elemento sugeriu que os tomos possuem uma estrutura interna, e a descoberta do eltron mostrou que o tomo poderia ser separado por partculas carregadas. Os cientistas estavam comeando a entender os princpios bsicos da estrutura atmica, embora muitas coisas precisavam ser elaboradas. O fton Em 1905 Einstein explicou o efeito fotoeltrico afirmando que a energia das ondas eltricas se propagam atravs de pequenas de pequenos pacotes chamados de ftons com energia. Os tomos e os ncleos emitir ou absorver ftons, criar ou destruir ftons. O nutron Experincias realizadas por James Chadwick em 1932 mostraram que as partculas emitidas eram eletricamente neutras, com massa aproximadamente do prton, Chadwick chamou essa partcula de nutron. Era difcil detectar nutrons eles no possuem carga eltrica, portanto produzem pouca ionizao e no so desviados por nenhum campo eltrico nem magntico. Os nutrons quase sempre interagem com o ncleo; eles podem ser freados durante o espalhamento e eles podem penetrar nos ncleos. O nutron, bem como os prtons e os eltrons, so partculas com spin. O Psitron Um fton de alta energia, tendo energia maior que a abertura entre as duas faixas de energias permitidas para os eltrons poderia ceder toda sua energia para um eltron de energia negativa (como no efeito fotoeltrico) de modo que agora este eltron teria energia positiva e seria observado como um eltron normal em nosso mundo. J no mar de eltrons com energia negativa, sobraria um lugar vago, um buraco. Pode-se mostrar que num mar de eltrons com energia negativa, um buraco se comporta como uma partcula de massa positiva (igual a do eltron), e com carga oposta do eltron. Este

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buraco ento visto em nosso mundo como uma partcula similar ao eltron, mas com carga oposta e chamado de psitron ou anti-eltron. Do ponto de vista observacional, o fenmeno visto como a criao de um par partcula-antipartcula por um fton de alta energia, e da o nome criao de pares. O psitron, portanto no passa, segundo Dirac, da ausncia, um "buraco" no mar de eltrons de energia negativa. H muitas outras situaes em que um "buraco" se comporta como uma partcula. O psitron antipartcula do eltron. Assim, conforme os conceitos da cincia, quando psitron e eltron colidem ou se juntam, aniquilam-se, e suas massas se convertem em ftons de energia. Na produo de pares, a promoo de um eltron de energia negativa para energias positivas, com a absoro de um fton, cria, portanto um par eltron-psitron. Logo um eltron de energia positiva pode vir a ocupar este estado vazio, cedendo a diferena de energia na forma de ftons. Considerando o buraco como um psitron, podemos ento descrever o processo como a coliso entre essas duas partculas. Aps a coliso, desaparecem o eltron e o psitron de modo que podemos falar num processo de aniquilao do par. Sendo partculas de mesma massa e cargas opostas, eltron e psitron se atraem. O psitron uma partcula que criada e destruda constantemente nos tomos. Tem vida muito curta: da ordem de milionsimos de segundo. Por isso a sua observao muito difcil. A energia mnima necessria para produo de um par de eltron-psitron dada por : Emin = 2mec2

Origem a um par eltron-psitronEm 1949, o fsico norte-americano Richard Feynman mostrou que um psitron pode ser descrito matematicamente como um eltron que se desloca no sentido inverso do tempo. A sua reformulao na teoria de Dirac eliminou dificuldades de calculo envolvendo o mar do infinito de estados com energia negativa e colocou os eltrons e prtons no mesmo plano. No entanto o conceito de criao e destruio de pares de eltron-psitron continuou. A teoria de Dirac inerentemente uma teoria de muitas partculas e fornece as bases para a teoria de criao e destruio de todas as partculas fundamentais. Partculas mediadoras de foras

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Na fsica clssica a interao entre as partculas carregadas com base na lei de Coulomb, que so partculas eletrizadas que podem se interagir atravs da atrao, quando as cargas eltricas delas possuem sinais opostos, e por repulso, quando a carga eltrica for de sinais iguais. Dois eltrons quando um emite um fton enquanto o outro absorve. No caso do eltron e um prton, para os quais as cargas so iguais e opostas e a fora de atrao. A interao eletromagntica entre duas partculas carregadas mediada ou transmitida pelos ftons. Se a interao entre partculas carregadas intermediada pelos ftons, de onde vem energia para criar os ftons? No principio da incerteza lembramos que o estado que existe durante um curto intervalo de tempo t possui uma incerteza na energia E tal que

E t hEssa incerteza permite a criao de um fton com energia E, desde que a durao t de sua vida no seja maior do que a E t h. Denomina-se fton virtual um fton que pode existir durante um curto intervalo de tempo obedecendo ao principio da incerteza. Imagine que exista um banco de energia; voc pode pedir emprestada uma quantidade de energia, desde que voc a restitua dentro de um breve intervalo de tempo. Quanto mais energia voc empresta, menor o intervalo que voc dispe para restitu-la.

MsonsEm 1935 verificou-se que a fora nuclear entre dois ncleos (prtons ou nutrons) parece ser descrita por uma energia potencial U(r) com fora geral U(r) = - f2 er/ro

r

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Em 1935 o fsico japons Hideki Yukawa sugeriu que uma partcula hipottica, chamada de meson, poderia atuar como mediadora de fora nuclear. Ele mostrou que o alcance dessa fora relacionado com a massa da partcula. O seu raciocnio foi mais ou menos o seguinte: a partcula deve ser um intervalo de tempo suficiente para que ela se desloque uma distancia comparvel com o alcance da fora nuclear. A massa equivalente dessa energia 2,3x10-28 ou 130 MeV/c2, isso significa cerca de 250 vezes a massa do eltron e Yukawa postulou que uma partcula com essa massa serviria como mensagem para a fora nuclear. Em 1937, os fsicos norte-americanos Carl Anderson e Seth Neddermeyer encontraram uma partcula que parecia ser o mson de Yukawa. Ela foi identificada em raios csmicos (partculas de ncleos atmicos vindas do espao que bombardeiam constantemente a atmosfera superior terrestre). Essas partculas tinham a massa prevista pelo japons e se desintegravam como ele havia imaginado. No entanto, pouco depois, verificou-se que elas no interagiam com nutrons e prtons da maneira esperada. As partculas foram chamadas de msons mi, ou mons. Cerca de 207 vezes a massa do eltron. Contudo logo ficou claro que os mons no eram partculas de Yukawa, pois elas s interagiam com os ncleos de modo muito fraco. Em 1947,foi confirmada a existncia dos msons pi no laboratrio de fsica csmica de Chacaltaya, na Bolvia. Analisando imagens colhidas de raios csmicos, no s pde detectar os pons, mas tambm observou que eles decaam rapidamente em duas outras partculas: o mon e uma outra de carga neutra, que no podia ser registrada nas chapas fotogrficas. Os pons podem ter carga neutra, positiva ou negativa. Eles carregam consigo informaes que so trocadas entre prtons e nutrons, e alteram a composio dessas partculas, podendo afetar inclusive sua carga. Sua massa cerca de 270 vezes a massa do eltron.

Acelerador de partculasUm acelerador de partculas um aparelho que produz "feixes" de tomos, eltrons, molculas ou algumas partculas mais exticas, como antiprtons, psitrons ou msons, com velocidades altas, geralmente superiores a 1/1000 da velocidade da luz c. Para que sejam atingidas estas velocidades, que em alguns casos chegam quase na velocidade da luz, as partculas sofrem a ao de foras eletromagnticas, com arranjos que diferem bastante entre os diversos tipos de aceleradores. Os aceleradores de partculas so equipamentos que fornecem energia a feixes de partculas subatmicas eletricamente carregadas. Todos os aceleradores de partculas possibilitam a concentrao de alta energia em pequeno volume e em posies arbitradas e controladas de forma precisa. Exemplos comuns de aceleradores de partculas existem nas televises e geradores de raios-X, na produo de istopos radiativos, na radiografia de alta potncia para uso industrial e na polimerizao de plsticos. Os primeiros fsicos usavam as partculas alfa e beta a partir da emisso de elementos radioativos naturais, porem a energia empregada ficava restritas a alguns MeV.

Aceleradores LinearesNos aceleradores lineares, as partculas viajam no vcuo ao longo de um tubo de cobre. Os eltrons acompanham as ondas criadas pelos geradores de ondas chamados de clstrons. Os eletroms mantm as partculas confinadas em um feixe estreito. Quando o feixe de partculas atinge um alvo no final do tnel, vrios detectores registram os eventos: as partculas subatmicas e a radiao liberada. Estes aceleradores so enormes, e so mantidos no subsolo. Um exemplo de acelerador linear o linac no

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Laboratrio de Acelerador Linear de Stanford (SLAC) na Califrnia, que tem cerca de 3 km de comprimento.

O Ciclotron

O ciclotron consta de duas placas semicirculares ocas, que so montadas com suas extremidades diametralmente adjacentes dentro de um campo magntico uniforme que normal ao plano das placas e feito o vcuo. A estas placas so aplicadas oscilaes de alta freqncia que produzem um campo eltrico oscilante na regio diametral entre ambas. Como conseqncia, durante um semi-ciclo o campo eltrico acelera os ons, formados na regio diametral, para o interior de um de dois eletrodos, chamados 'Ds', onde obrigado a percorrer uma trajetria circular mediante um campo magntico e finalmente, apareceram de novo na regio intermediria.

O campo magntico ajustado de modo que o tempo que necessrio para percorrer a trajetria semicircular dentro do eletrodo seja igual ao semiperodo das oscilaes. Em conseqncia, quando os ons voltam regio intermediria, o campo eltrico havia invertido seu sentido e os ons receberam ento um segundo aumento da velocidade ao passar ao interior da outra 'D'.

Como os raios das trajetrias so proporcionais s velocidades dos ons, o tempo que necessrio para o percurso de uma trajetria semicircular independente de suas velocidades. Por conseguinte, se os ons empregam exatamente meio ciclo P1/2 em uma primeira semicircunferncia, se comportaro de modo anlogo em todas as sucessivas e, por tanto, se movero em espiral e em ressonncia com o campo oscilante at que alcancem a periferia do aparato. Sua energia cintica final ser tantas vezes maior que a que corresponde voltagem aplicada aos eltrodos multiplicados pelo nmero de vezes que o on tenha passado pela

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regio intermediria entre as 'Ds', isso significa que a cada impulso dado, faz aumentar sua velocidade e sua energia cintica, projetando-a para uma rbita com raio cada vez maior.

SncrotronsO caminho natural para a superao dessa dificuldade consistiu em buscar uma soluo que envolvendo trajetrias de raios fixos, prescindissem de peas polares macias para a sustentao do mecanismo de acelerao. Os aparelhos que seguiram esse caminho so conhecidos como sncrotrons. Tais mquinas, como os ciclotron, empregam uma combinao de acelerao eltrica e confinamento magntico. O sncrotron utiliza o princpio de estabilidade de fase para manter o sincronismo entre a freqncia de revoluo de partcula e o campo eltrico aplicado. Um campo magntico deflete a partcula em uma rbita circular, e a intensidade do campo modulada ciclicamente para manter rbitas de raio quase constante, apesar do ganho de energia. Como o campo magntico usado para manter a rbita e no para aceler-la, as linhas do campo magntico s so necessrias na regio anular definida pela rbita. Esse campo produzido por um magneto anular. O pouco peso e baixo custo de tal magneto, comparados com os magnetos de ncleo slido dos ciclotron, do ao sncrotron uma economia significativa na produo de partculas altamente energticas. Os aceleradores de partculas que atingem maior energia so sncrotrons de prtons. Enquanto um sncrotron de eltrons alcana cerca de 12 GeV, um grande acelerador de prtons opera regularmente a 800 GeV. O modo de produo de ambos similar, embora existam diferenas cruciais. A velocidade do prton no se aproxima da velocidade da luz no vcuo, a menos que sua energia exceda um GeV. Alm disso, o prton no perde uma quantidade significativa de energia por radiao. Em conseqncia, o limite de energia de um sncrotron de prtons determinado pelo custo do magneto. Os eltrons, ao contrrio, adquirem alta velocidade a energias relativamente baixas, e quando defletidos por campos magnticos irradiam energia eletromagntica em um espectro contnuo na regio dos raios X. Essa energia irradiada deve ser reposta pelo sistema acelerador.

Energia disponvelQuando um feixe de partcula elevada colide com um alvo em repouso, nem toda energia cintica da partcula incidente esta disponvel para formar novas partculas. Como o momento linear deve ser conservado, as partculas resultantes da coliso devem possuir algum movimento resultante e, portanto, alguma energia cintica. Para o movimento de sistema do centro de massa-momento linear a energia cintica inicial torna-se disponvel para produzir a reao. Na regio extremamente relativstica, na qual a energia cintica da partcula incidente bem maior do que sua energia de repouso, a energia disponvel fornece uma limitao muito grande.

Coliso entre dois feixesNa coliso entre dois feixes no existe nenhum alvo em repouso; em vez disso, dois feixes de partculas se deslocam na mesma direo e em sentidos contrrios so focalizados com preciso um contra o outro de modo que ocorrem colises frontais entre as partculas.

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Quando um dos feixes contem partculas e outro feixe contem antiparticulas a energia disponvel a energia total duas partculas que colidem. Em Stanford o acelerados de partculas Slac produz coliso de partculas com antiparticulas. Feixes de eltrons e positrons so acelerados alternativamente nesse linac e eletroms direcionam e focalizam para os feixes em uma coliso frontal com energia disponvel aproximadamente de 100 GeV. Existe estudos q mostram a coliso entre eltrons e positrons usando anis de acumulao , nos quais os feixes de eltrons e positrons so mantidos circulando em sentidos opostos em um tnel circular, dando a eles diversas oportunidades para interagir. O dispositivo atualmente usado para obter a energia mais elevada para coliso entre os feixes o Tevatron do Fermilab. Ele produz um feixe de prtons com 1 TeV que colide frontalmente com um feixe de antiprotons com 1 TeV, obtendo uma energia total de 2 TeV. O acelerador de partculas Tevatron, que descobriu o quark top, e o mais importante experimento do Fermilab. O Large Hadron Collider - LHC (em portugus: Grande Colisor de Hdrons) o maior acelerador de partculas localizado no CERN. A sua forma circular, com um permetro de 27 km de extenso. Ao contrrio dos demais aceleradores de partculas, a coliso ser entre prtons, e no entre positrons e eltrons (como no LEP), entre protes e antiprotes (como no Tevatron) ou entre eltrons e prtons (como em HERA). O LHC ir acelerar os feixes de protes at atingirem 7 TeV (assim, a energia total de coliso entre dois prtons ser de 14 TeV) e depois faz-los colidir em quatro pontos distintos. A luminosidade nominal instantnea 10^34 cm^-2s^-1, a que corresponde uma luminosidade integrada igual a 100 fb^-1 por ano. Com esta energia e luminosidade espera-se observar o bson de Higgs e assim confirmar o modelo padro das partculas elementares. Ma um defeito no acelerador que o deixou sem funcionar foi descoberto em 10 de setembro, dias antes quando os cientistas conseguiram fazer com que o primeiro feixe de prtons circulasse e desse uma volta completa no tnel, situado sob a fronteira entre Sua e Frana. Aps dez dias de operao, um problema em um dos oito setores que formam o acelerador obrigou a experincia a ser interrompida pelo menos at abril de 2009. O problema consistiu em um vazamento de hlio no setor 3-4 do tnel, e, segundo o Cern, aps fazer as investigaes necessrias "foi confirmado que se deveu a uma ligao eltrica defeituosa entre dois ms do acelerador".

DetectoresNormalmente no podemos ver nem sentir partculas subatmicas. Muitos detectores usam ionizao produzida por partculas carregadas quando elas se deslocam em slidos, lquidos ou gases. Os ons que se formam ao longo da trajetria atuam como centro de nucleao para formao de minsculas gotas de lquidos em um vapor supersaturado numa cmera de nuvens. Ou geram minsculas bolhas de vapor em um liquido superaquecido numa cmara de bolhas.

Experincias com raios csmicosOs raios csmicos so partculas provenientes de dentro e de fora da nossa galxia que bombardeiam continuamente a Terra. Muitas dessas partculas so neutrinos, prtons e ncleos pesados. O campo magntico da Terra e a atmosfera nos protege dessa

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radiao. Isso implica com as experincias sejam realizadas acima da atmosfera usando foguetes e bales que atingem altitudes elevadas. Em contraste, os neutrinos devem ser colocados abaixo da superfcie da terrestre. Esse procedimento usado pra blindar a ao de outras partculas, de modo que somente os neutrinos, que interagem fracamente com a matria, possam ser detectados. Seria necessrio um bloco de chumbo com profundidade igual a um ano-luz para absorver uma frao mensurvel de feixe de neutrinos. Os raios csmicos foram relevantes nas primeiras experincias da fsica das partculas. Embora os raios csmicos sejam uma fonte de partculas com energia elevadas que no dependem de aceleradores muito caros, os fsicos usam os aceleradores porque as partculas que eles desejam estudar existem nos raios csmicos, porem elas so escassas e aleatrias.

Interao entre as partculasAs quatro foras e suas partculas mediadorasAs partculas so classificadas de acordo com o tipo de interao. Em ordem decrescente de intensidade elas so: 1. 2. 3. 4. A interao A interao A interao A interao forte eletromagntica fraca gravitacional

A interao eletromagntica e a interao gravitacional na familiares na fsica clssica. Nesses dois casos as partculas mediadoras possuem massa zero e partculas comuns estveis. A partcula mediadora da interao eletromagntica o fton, o qual observada a interao gravitacional muito mais fraca do que a interao eletromagntica. A interao gravitacional importante para a estrutura das estrelas e para o estudo da estrutura do estudo do universo em grande escala. As outras duas foras so menos familiares. A chamada interao forte responsvel pelas foras nucleares e pela produo de pons e de diversas outras partculas em coliso com energia elevada. No nvel mais fundamental a partcula mediadora para interao forte o gluon. Contudo, a fora entre dois ncleos facilmente entendida se considerando o mson uma partcula mediadora. A interao forte considerada 100 vezes mais forte do que a interao eletromagntica; contudo, ela cai mais fortemente com a distancia do que com 1/r2. A quarta interao denomina-se interao fraca. Ela responsvel pelo decaimento de beta, tal como a converso de um nutron em prton, um eltron a um antineutrino. Suas partculas mediadoras so as partculas de vida curta W +, W e Zo. Elas tem massa muito elevada da ordem de 80,4 MeV/c2 para partculas W + e W , e de 91,2 GeV/c2 para Zo. Como essas partculas mediadoras possuem massa enorme, a interao fraca apresenta um alcance muito mais curto do que o alcance da interao forte.

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Os LptonsO eltron foi o primeiro dos lptons a ser descoberto. Ele de longe a mais leve das partculas carregadas, pesando somente 0.511 MeV/c2 e aparentemente no possui subestruturas, continuando a ser uma partcula elementar mesmo aps ser estudada em detalhes por quase um sculo. O prximo membro da famlia dos lptons, o muon, foi observado pela primeira vez por Carl Anderson e Neddermayer (1937), novamente em uma cmara de neblina. Os muons tm aproximadamente 200 vezes a massa do eltron (massa do muon = (105.65932 0.00029) MeV/c2) , possuem a mesma carga e so altamente penetrantes. Eles aparentemente no possuem estruturas internas e so chamados, s vezes, de eltrons pesados. Conversi, Pancini e Piccioni (1937), usaram campos magnticos para separar muons positivos e negativos; e descobriram que ambos possuem um tempo de vida de aproximadamente 20 microssegundos. Os muons possuem algumas propriedades diferentes das dos eltrons, mas superficialmente, pareciam ser uma duplicao desnecessria dos mesmos. Apesar dos muons serem mais pesados que os eltrons, nunca foi observado o decaimento eletromagntico destes em eltrons e ftons. Isso enfatiza o fato que os lptons, enquanto semelhantes em algumas propriedades, possuem uma propriedade diferente. Por isso, o eltron possui um nmero leptnico (Le = +1) e o muon outro (L= +1), e estes nmeros leptnicos se conservam, separadamente, em todas as interaes, ou seja, o nmero de lptons menos o nmero de antilptons se conserva. Algumas colises produziram pares de lptons (eltrons e antimuons ou positrons e muons) e nenhuma outra partcula carregada. A nica explicao vlida para tal observao que um lpton pesado e sua antiparticulas foram produzidos na coliso, e logo aps decaram em um eltron, e seu par em um muon. Foi dado ao novo lpton o nome de lpton Tau (), sendo este de espcie distinta dos lptons muons e eltrons. A produo do somente ocorre quando a energia do centro de massa do eltron mais o positrons, excede duas vezes a massa do . Medidas dessa energia confere ao a massa de (1784.2 3.2) MeV/c2), o que faz do lpton 17 vezes mais pesado que o muon.

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HdronsEm Fsica Nuclear e Fsica de Partculas um hdron uma partcula que interage fortemente com outros hdrons. Exemplos de hdrons podem ser os prtons e nutrons. No modelo de quarks, acredita-se que hdrons so compostos de frmions chamados quarks e de bsons chamados glons. Os glons so os mediadores fora de cor, a cola que mantm os quarks juntos para formar os hdrons. Hdrons podem ser classificados pelo que so compostos e por seu spin. - Brions so compostos de trs quarks e tm spin semi-inteiro, caracterizando-se como frmions. Exemplos: prton, nutron e hiperons. - Msons so compostos de um quark e outro antiquark e so bsons, ou seja, tm spin inteiro. Exemplos: pons e kons. Hdrons exticos possuem um nmero diferente de quarks que os hdrons ordinrios: Um brion extico composto de um nmero mpar maior que trs de quarks. Exemplo: pentaquark. Um mson extico contm mais de um par quark-antiquark. Exemplo: tetraquark. Um mson hbrido consiste de no mnimo um par quark-antiquark e ao menos um glon que no seja virtual. Uma bola de glons no contm quark algum, sendo composta apenas de glons. Estas entidades misturam-se facilmente com msons ordinrios, tornando-se de difcil identificao.

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EstranhezaOs msons K e os hiperons foram descobertos no final da dcada de 1950. Por causa do seu comportamento no usual, eles so chamados de partculas estranhas. Elas foram produzidas em colises de partculas com energia elevada. A taxa relativamente elevada dessas partculas sugeriu que elas fossem decorrentes de uma interao forte, contudo sua vida media relativamente curta sugeriu um processo semelhante ao decaimento com interao forte. As observaes feitas com todas essas partculas mostravam que a estranheza conservada em processos envolvendo interaes fortes, porem ela no pode variar de uma ou duas unidades nas interaes fracas.

QuarksA idia de que a parte mnima da matria era o tomo foi proposta ainda no sculo V a.C. pelo filsofo grego Demcrito e perdurou at o incio do sculo XX. Mais recentemente, em 1964, o norte-americano Murray Gell-Mann (1929-), que ganharia o Prmio Nobel de 1969, sugeriu outra hiptese: a matria poderia ser subdividida em partes ainda menores, chamadas por ele de quarks. Atualmente sabe-se que existem seis tipos de quarks. Desse total, apenas dois entram na composio de prtons e nutrons. Os demais existiram apenas nos primeiros momentos da criao do Universo e s podem ser recriados dentro dos aceleradores de partculas. Os aceleradores so longas pistas circulares onde os fsicos lanam pedaos minsculos de matria e de antimatria, uns contra os outros. Impulsionadas por um fortssimo campo magntico criado por potentes eletroms, as partculas viajam a uma velocidade prxima da luz (300 mil km/s). Ao se chocarem, elas se estraalham em nfimos pedaos que duram fraes mnimas de segundo. Em 1994, uma equipe internacional do Laboratrio Fermilab, nos Estados Unidos (EUA), confirmou a existncia da mais pesada das subpartculas fundamentais da matria, o quark top (topo). O top j fora detectado no ano anterior, por outro grupo de pesquisadores, no mesmo laboratrio. Com a confirmao, os fsicos completaram a lista de subpartculas que compem toda a matria existente na natureza.

Os seis quarks1. Up (para cima) o mais leve dos quarks. Cada prton possui dois up em seu interior. Cada nutron, um. 2. Down (para baixo) Faz dupla com o up na constituio da matria. Cada prton tem um down e cada nutron, dois. 3. Charm (charme) Maior que o up e o down, s aparece em aceleradores de partculas, por um milionsimo de milionsimo de segundo. 4. Strange (estranho) Par do charm, tambm pesado demais para se manter inteiro na natureza. S existiu nos primeiros momentos da criao do Universo. 5. Top (topo) O mais pesado dos quarks, tem massa igual de um tomo de ouro. Nos aceleradores, sobrevive por apenas 0,0000000000000000000001 segundo. 6. Bottom (fundo) Tambm pesado demais para existir hoje. Nos aceleradores, dura apenas um milionsimo de milionsimo de segundo.

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Tudo que sabemos sobre o tamanho dos quarks que ele muito pequeno para se medir com os aceleradores atuais e os mtodos experimentais existentes. Logo, os tericos os tratam como se fossem partculas pontuais.

Modelo Padro Quando incluimos eltrons, neutrinos, e as foras eltricas e fracas em nosso modelo, podemos descrever tudo sobre a matria: o nucleon, os ncleos, os atmos, incluindo a qumica e a biologia. Esta descrio terica abragente da matria chamada de modelo padro.

Esta figura mostra a parte de primeira gerao do modelo padro. Toda a matria do dia-a-dia composta destas partculas, quando adicionamos o eltron e os neutrinos aos quarks. Estas partculas interagem por troca de partculas especiais chamadas de bsons. Existem mais duas geraes nas quais as partculas so agrupadas da mesma maneira e interagem trocando o mesmo conjunto de bsons, com a diferena sendo que as partculas so mais pesadas.

O modelo padro e modelos futurosPartculas com spin 1=2 como os eltrons, prtons, nutrons e quarks obedecem o Principio da Excluso de Pauli segundo o qual duas partculas do mesmo tipo no podem ocupar o mesmo estado quntico, ou seja, o mesmo estado de energia e spin. Isso significa que dois ou mais quarks do mesmo sabor (tipo), ou seja, idnticos no podem ocupar o mesmo estado. Portanto, segundo essa regra uma partcula constituda, por exemplo, por trs quarks idnticos no poderia existir. Mas uma partcula chamada (Omega menos), prevista teoricamente por Gell-Mann e Ne'eman, em 1962, como elemento faltante de uma famlia de dez (quer dizer, as famlias no eram s de oito membros como as da classificao octal) foi mais tarde descoberta e era constituda de trs quarks estranhos idnticos. Ou seja, no poderia existir com essa constituio, mas existia. Para resolver esse problema, um fsico chamado Oscar Greenberg sugeriu que os quarks possuam uma outra propriedade, bastante anloga uma carga eltrica, mas que ocorreria em trs variedades ao invs de duas (positiva e negativa). Mesmo no tendo

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nada a ver com o significado de cor na ptica, ou no cotidiano, essa propriedade foi chamada cor, ou carga cor, e as trs variedades foram denominadas vermelho, verde (ou amarelo) e azul. Quarks tem cores positivas e antiquark tem cores negativas ou anticores (antivermelho, antiverde e antiazul). Cor, ento, e uma propriedade da matria, assim como a carga eltrica e tambm uma propriedade da matria. Algumas partculas tm cor outras no. Leptons no tem cor, so brancos. Quarks tem cor, so coloridos.

Modelo-padroO modelo padro descreve dois tipos de partculas fundamentais: frmions e bsons. * Os frmions so as partculas que possuem o spin semi-inteiro e obedecem ao princpio de excluso de Pauli, que diz que frmions idnticos no podem compartilhar do mesmo estado quntico. * Os bsons possuem o spin inteiro e no obedecem ao princpio de excluso de Pauli. Informalmente falando, os frmions so as partculas que constituem a matria e os bsons so as partculas que transmitem as foras. Para uma descrio detalhada das diferenas entre frmions e bsons, veja o artigo de partculas idnticas. No modelo padro, a teoria da interao eletrofraca (que descreve as interaes fracas e eletromagnticas) combinada com a teoria da cromodinmica quntica. Todas estas teorias so teorias de calibre, significando que modelam as foras entre frmions acoplando aos bsons que "carregam" as foras. A Lagrangiana de cada conjunto de bsons mediadores invariante sob uma transformao chamada de transformao de calibre, assim estes bsons mediadores so referidos como bsons de calibre. Os bsons no modelo padro so: * Ftons, que mediam a interao eletromagntica. * Bsons W e Z, que mediam a interao fraca. * Oito espcies dos glons, que mediam a interao forte. Seis destes glons so rotulados como pares de "cores" e de "anti-cores" (por exemplo, um glon pode carregar o "vermelho" e "anti-verde".) Outras duas espcies so uma mistura mais complexa das cores e anti-cores. * Os bsons de Higgs, que induzem a quebra espontnea de simetria dos grupos de calibre e so responsveis pela existncia da massa inercial. As transformaes de gauge dos bsons de calibre podem ser descritas usando um grupo unitrio chamado grupo de calibre. O grupo de calibre da interao forte o SU(3), e o grupo de calibre da interao eletrofraca o SU(2)U(1). Conseqentemente, o modelo padro freqentemente referido como SU(3)SU(2)U(1). O bson de Higgs o nico bson na teoria que no um bson de calibre; tem um status especial na teoria, o que foi assunto de algumas controvrsias. Grvitons, os bsons que acredita-se mediar a interao gravitacional, no explicado no modelo padro. H doze tipos diferentes de "sabores" dos frmions no modelo padro. Entre o prton, o nutron, e o eltron, aqueles frmions que constituem a maior parte da matria, o modelo padro consideram somente o eltron uma partcula fundamental. O prton e o nutron so agregados de umas partculas menores conhecidas como quarks, que so mantido junto pela interao forte.

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Interao eletrofracaNa fsica, a teoria eletrofraca apresenta uma descrio unificada de duas das quatro foras fundamentais da natureza: eletromagnetismo e a fora nuclear fraca. Embora estas duas foras apaream muito diferente as energias baixas do dia a dia, a teoria modela-as como dois diferentes aspectos de uma mesma fora. Acima da energia de unificao, na ordem de 102 GeV, elas convergem em dentro de uma simples fora eletrofraca. Matematicamente, a unificao feita em grupo de gauge SU(2) U(1). Os bsons gauge so correspondentes os do fton para o eletromagnetismo e bsons W e Z da fora fraca. No Modelo Padro, os bsons gauge fraco obtm sua massa de uma quebra de simetria espontnea da simetria eletrofraca de SU(2) U(1) to U(1)em, causada pelo mecanismo de Higgs. O sobre-escrito usado para indicar que estes so duas copias diferentes de U(1); o gerador de U(1)em dado por Q = /2 + I3, onde o gerador de U(1) (chamado de hipercarga), e I3 um dos SU(2) gerados (um componente de isospin). A distino entre o eletromagnetismo e a fora eletrofraca surge porque existe uma combinao linear (no trivial) de Y e I3 que elimina o bson de Higgs (isto uma eigeestado de e I3 , tal que seus coeficiente devam ser I3 e ): U(1)em definira o grupo gerado pela combinao linear, e no e quebrado porque no interage com o Higgs.

Teoria da Grande UnificaoNas temperaturas e energias que existem no universo do presente, as quatro foras so distintas umas das outras e tm potncias diferentes. Em energias muito altas, contudo, a situao muda. Nas energias mais altas alcanveis com os aceleradores atuais de partculas (as quais correspondem a temperaturas de cerca de 10e15 graus Kelvin), a fora fraca e eletromagntica perdem as suas identidades separadas e unificam-se numa nica fora electro-fraca. Segundo o que se chamam as Grandes Teorias Unificadas (Grand Unified Theories - GUTs, em ingls), as foras forte e eletromagntica comportar-se-o como uma nica fora unificada em energias e temperaturas que so cerca dum trilho de vezes mais altas ainda (isto est muito para alm da tecnologia presente na Terra). Embora uma teoria completa (uma teoria de tudo, em ingls, "Theory of Everything TOE") que abrange todas as quatro foras no tenha sido ainda alcanada; muitos cientistas de fsica acreditam que a nveis de energia ainda mais altos, a gravitao unirse- com as outras formando uma nica 'superfora'. Se esta hiptese est correta, ento, durante os primeiros instantes do 'big bang', o universo era dominado pela superfora unificada. De a em diante, conforme o universo expandiu e arrefeceu (e as energias das partculas diminuram), as foras separaram-se e adquiriram as suas identidades individuais, a gravitao a cerca de 10e-43 segundos depois do comeo do tempo, a fora forte a cerca de 10e-35 segundos, e as foras fraca e eletromagntica a cerca de 10e-11 segundos. Os Cosmologistas, que se ocupam com a origem, evoluo e as estruturas de grande escala do universo inteiro fundamentam-se no trabalho dos fsicos que estudam partculas de alta energia para tentarem explicar os estgios-chave na evoluo do universo. Por no haver na Terra maneira de se poderem fazer experincias que possam gerar as energias tremendas que so necessrias para testar diretamente as Grandes Teorias Unificadas, os fsicos que estudam partculas de alta energia procuram observaes cosmolgicas para tentarem verificar a veracidade, ou de modo, das suas teorias. O mundo microscpico de partculas de alta energia e foras fundamentais est inextricavelmente ligado ao mundo das largas escalas de astrofsica e cosmologia.

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A expanso do universoA descoberta do fenmeno da expanso do Universo, ocorrida em meados dos anos de 1920 por Edwin Hubble, rapidamente se constituiu em uma das grandes descobertas cientficas do sculo XX. Juntamente com a teoria da relatividade geral, proposta por Albert Einstein, estas duas descobertas foram fundamentais para o desenvolvimento da moderna cosmologia. Ainda hoje discute - se nos meios especializados qual o valor exato da taxa de expanso do Universo, j que esta uma informao crucial para compor um modelo cosmolgico que seja o mais apurado possvel, mas a descober ta de Hubble mostrou que definitivamente o Universo est evoluindo. No vivemos em um Universo esttico, conforme acreditavam os antigos e a quase totalidade dos cientistas no incio de sculo XX. Atualmente, acredita - se que esta taxa de expanso conhecida com uma preciso da ordem de 10% e nos prximos anos espera - se que novos experimentos venham a permitir uma determinao ainda mais precisa desta que considerada uma das grandezas fundamentais do Universo. A escala de distncias uma das peas de informao mais fundamentais para compreenso d o Universo em que vivemos. Determinar as distncias das estrelas foi uma das tarefas mais difceis para os astrnomos a ps a descoberta do heliocentrismo, ocorrida no incio do sculo XVII, quando se reconheceu que as estrelas deveriam ser astros semelhantes ao nosso Sol. Somente em meados do sculo XIX, graas a uma apura da tecnologia ptico para construo de telescpios refrator es, que surgiram as primeiras medidas confiveis de distncias astronmicas das estrelas mais prximas. O ponto de partida para compreender esta escala de distncias consiste em utilizar a distncia mdia Terra-Sol, conhecida como a Unidade Astronmica (UA). As medidas mais recentes indicam que 1 UA = 149 597 800 km. As dimenses da nossa Galxia delimitam o tamanho do nosso ambiente cosmolgico local. Para atingir as menores distncias de interes se cosmolgico devemos examinar as galxias mais prximas de ns. Como exemplo temos a galxia de Andromeda, companhei ra de dimenses comparveis Via Lctea e que est a cerca de 600 kpc de distncia ou cerca de 2 milhes de anos - luz. Esta apenas uma das inmeras galxias do nosso grupo local de galxias. Para alm do grupo local temos o aglomerado da Virgem, que o aglomerado mais prximo de ns contendo cerca de 1 000 galxias semelhante s nossa. Este aglomerado est a uma distncia aproximada de 17 milhes de parsecs, ou 17 mega - parsecs ou ainda 17 mpc. Para percorrer esta distncia a luz demora cerca de 55 milhes de anos indicando que Virgo est a uma distncia aproximada de 55 milhes de anos - luz. A luz que detectamos hoje, vinda das galxias de Virgo, foi emitida quando ocorria na Terra o evento de extino dos dinossauros. Atualmente, podemos medir as distncias de galxias que esto a distncias dezenas de vezes maiores que a distncia de Virgo. Estas so as distncias em que comeamos a perceber os efeitos cosmolgicos mais importantes. Portanto, no de se surpreender que durante praticamente toda a sua histria a humanidade acreditou estar vivendo em um Universo esttico imutvel. Esta percepo de imutabilidade csmica decorre da impossibilidade de atestarmos visualmente qualquer variao significativa dos astros mais distantes do nosso Universo.

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Estes esto to distantes que mesmo que se movimente ns no temos condies de perceber, durante o nosso breve perodo de vida. Devido a esta expanso do Universo as galxias mais distantes parecem se movimentar com velocidades crescentes com a distncia que nos separam delas. Podemos exprimi r este fato atravs da lei de Hubble Velocidade = Ho x distncia Como a velocidade expressa em km/ s e as distncias em mpc resulta que a constante de Hubble (Ho) dada em km/ s /mp c.

Pela teoria da relatividade geral existem trs possveis modelos para descrever o nosso Universo, todos eles em expanso.

Pela teoria da relatividade geral existem trs possveis modelos para descrever o Universo: o modelo aberto, ou de curvatura negativa, o modelo plano, ou de curvatura nula, e o modelo fechado, ou de curvatura positiva. As conseqncias previstas para estes trs modelos so distintas e espera - se que nos prximos anos venhamos a saber com segurana qual destes modelos o mais adequado. O Universo passou por diferentes fases evolutivas desde o evento do Big-Bang. Se imaginarmos que as galxias esto fixas em um sistema de coordenada s cosmolgico a alterao do fator de escala modifica gradualmente as distncias desta grade de coordenadas. Portanto a expanso do espao modifica as separaes nesta grade coordenada e altera as distncias das galxias. Esta a interpretao da expanso de Hubble segundo a teoria da relatividade geral. Portanto, as velocidades de expanso detectadas na lei de Hubble so um reflexo da expanso do espao prevista pela teoria da relatividade geral. As galxias permanecem fixas em seus pontos na grade coordenada, mas o espaamento da grade se modifica com as variaes do parmetro de escala.

A matria escuraA matria escura, postulada pela primeira vez por Fritz Zwicky (1898-1974) em 1937 (Astrophysical Journal, 86, 217). Esta a matria extra necessria para explicar as curvas de rotao das galxias e as velocidades observadas das galxias em aglomerados, maiores que as explicveis atravs da matria observada, chamada matria luminosa.

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Zwicky, um astrnomo suo trabalhando com o recm instalado telescpio Schmidt de 46 cm do Monte Palomar, nos Estados Unidos, observando que as velocidades das galxias em aglomerados eram muito maiores do que deveriam ser, calculou que a massa do aglomerado deveria ser pelo menos dez vezes maior do que a massa da matria visvel no aglomerado, isto , da massa em estrelas e gs pertencentes s galxias (Fritz Zwicky, 1942, Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 54, 185). Em 1980 Vera Cooper Rubin (1928-) mostrou, pelas velocidades de rotao das galxias, que a matria escura tambm est presente em galxias individuais (Astrophysical Journal, 238, 808).

A radiao csmica de fundoO Universo primitivo dever ter sido no s extraordinariamente denso, mas tambm extraordinariamente quente. Um estudo quantitativo da temperatura do Universo foi feito em 1948, por um grupo de cientistas liderados por George Gamow, da Universidade George Washington, nos EUA. Gamow e colaboradores concluiram que dever ter existido uma era primordial em que a densidade de energia da radiao ter sido superior da matria. Apesar de a densidade de energia da radiao diminuir mais bruscamente com a expanso do que a densidade de energia da matria pelo que eventualmente na evoluo csmica a densidade de energia da matria comeou a dominar dever existir ainda hoje um vestgio dessa radiao primordial, a inundar todo o Universo em equilbrio trmico. Gamow e os seus colaboradores estimaram que esta Radiao Csmica de Fundo (RCF) deveria ter presentemente. Num desenvolvimento paralelo, rdioastrnomos tinham encontrado, em estudos sobre emisses de baixa energia por molculas no espao interestelar, um rudo persistente e sem explicao bvia. Em 1965, Arno Penzias e Robert Wilson, dos Laboratrios Bell, sistematicamente eliminaram todas as possveis fontes de rudo do seu receptor rdio em Holmdell, New Jersey, tendo chegado a um nvel de rudo irremovvel, aparentemente com origem extraterrestre, com a temperatura de cerca de trs graus kelvin. No mesmo ano, Robert Dicke, James Peebles e colaboradores refizeram a anlise do grupo de Gamow e identificaram a radiao encontrada por Penzias e Wilson como a RCF, a assinatura de um Big Bang quente. Pela sua importantssima descoberta, ainda que algo fortuita, Penzias e Wilson receberam, em 1978, o prmio Nobel da Fsica. A RCF mais do que uma relquia do Universo primordial. uma fotografia do Universo bebe, no na altura do parto, mas sim com a tenra idade de cerca de 300 000 anos. Com esta idade, a temperatura do Universo desceu o suficiente para que a maior parte dos electres e protes que at a se encontravam livres formando um plasma se tivesse associados em hidrognio neutro. Este acontecimento, o desacoplamento matria-radiao, marca uma transio. Para trs fica um nevoeiro luminoso em que os fotes da RCF estavam constantemente a ser absorvidos e emitidos por electres livres. Para frente fica um Universo transparente onde os fotes da RCF tm um enorme livre percurso mdio. Alguns chegam mesmo at aos nossos olhos, hoje. Apesar de esta radiao ser essencialmente isotrpica, h pequenas anisotropias cerca de 1 parte em 10000 que refletem as flutuaes de densidade da matria-energia no Universo beb. So estas pequenas perturbaes de densidade, estudadas pelos satlites COBE (1992) e WMAP (2003), que iro evoluir para se tornarem as galxias, estrelas e planetas do nosso Universo.

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A nucleossntese primordialA partir do Big Bang, o Universo expande-se. Ao expandir-se as condies fsicas tornam-se mais amenas: a densidade de matria-energia diminui, tal como a temperatura. Da sopa primordial de partculas ferminicas elementares quarks e leptes, de acordo com o modelo padro da fsica de partculas , comeam a emergir estados ligados, medida que a energia disponvel nesta sopa deixa de ser suficiente para vencer energias de ligao. Formam-se nuclees protes e neutres como estados ligados de quarks e, entre 1 e 200 segundos depois do Big Bang, alguns ncleos de elementos leves so sintetizados. Para alm do prtio 1H, formam-se dois outros istopos do hidrognio, o deutrio 2H e o trtio 3H, formam-se dois istopos do hlio, 3He e 4He, dois istopos do ltio, 6Li e 7Li, e um istopo do berlio, 7Be. Em particular, cerca de 25% dos nuclees so convertidos em ncleos de 4He. Estimase que nos restantes cerca de 13,7 mil milhes de anos do Universo, milhes de estrelas tm trabalhado arduamente, para converter cerca de 2% do restante hidrognio do Universo em hlio. Assim s a nucleossntese primordial, extremamente natural luz do modelo do Big Bang quente pode explicar a abundncia de hlio-4 e de deutrio no Universo. interessante observar que, na nucleossntese primordial, nenhum elemento com nmero atmico superior a quatro foi formado. O elemento com nmero atmico superior foram formados nas estrelas. Assim sendo, o Universo teria de esperar at morte da primeira gerao de estrelas para, numa segunda gerao de estrelas e planetas, poder existir carbono, oxignio e vida como a conhecemos.

Matria e AntimatriaO ramo da fsica que estuda os constituintes bsicos da matria a Fsica de Partculas Elementares. Neste campo existe uma teoria chamada de Modelo Padro que compatvel com todos os resultados experimentais atualmente conhecidos. Segundo essa teoria a matria tem dois tipos de constituintes, os quarks e os lptons. Os primeiros nunca so observados isoladamente mas se agregam para formar os hdrons. Os hdrons mais conhecidos so o prton e o nutron, formados por trs quarks e principais constituintes dos ncleos atmicos. Os quarks mais abundantes na natureza so o up e o down. O prton formado por dois quarks up e um quark down enquanto que o nutron se constitui de um up e dois do tipo down. O lpton mais conhecido o eltron, responsvel pela ligao entre os tomos e, conseqentemente, pela formao de molculas. H um outro lpton, chamado neutrino que no possui carga eltrica e muito difcil de ser observado. Essas quatro partculas formam a chamada primeira gerao e constituem todos os corpos que nos rodeiam. O Modelo Padro no impede ou exige que existam outras geraes de quarks e lptons, a nica restrio que cada gerao deve ter dois quarks e dois lptons como a primeira. Medidas experimentais realizadas no CERN indicam que existem trs geraes. O Modelo Padro tambm prev a existncia de antiparticulas, antiquarks e antilptons. Uma antiparticulas tem a carga eltrica oposta da partcula, para o caso dos quarks e do lpton carregado, e se aniquila ao se chocar com seu parceiro, transformando massa em energia. Assim, as antiparticulas da primeira gerao so os antiquarks - antiup e antidown - e os antilptons - antieltron (tambm chamado positrons) e antineutrino. Da mesma forma que os quarks se agregam constituindo hdrons, que por sua vez formam

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tomos se juntando a eltrons, os antiquark podem constituir anti-hdrons e antitomos anti-hdrons e antilptons so produzidos tanto em colises realizadas em aceleradores de partculas quanto em chuveiros de partculas produzidos por raios csmicos. A primeira antiparticulas foi observada em 1933 por C. D. Anderson ao analisar emulses fotogrficas expostas a raios csmicos. O nico mecanismo conhecido de criao de partculas e antiparticulas a produo de pares, que o inverso do processo de aniquilao. No momento da produo, uma certa quantidade de energia usada para criar simultaneamente uma partcula e sua antiparticulas.

A Teoria das cordas (ou teoria das supercordas)A Teoria das cordas (ou teoria das supercordas) um modelo fsico cujos blocos fundamentais so objetos extensos unidimensionais, semelhantes a uma corda, contrariamente aos pontos de dimenso zero que eram a base da fsica tradicional. Por essa razo, as teorias baseadas na teoria das cordas podem evitar os problemas associados presena de partculas pontuais em uma teoria fsica, como uma densidade infinita de energia associada utilizao de pontos matemticos. O estudo da teoria de cordas tem revelado a necessidade de outros objetos no propriamente cordas, incluindo pontos, membranas, e outros objetos de dimenses mais altas. O interesse na teoria das cordas dirigido pela grande esperana de que ela possa vir a ser uma teoria de tudo. Ela uma possvel soluo do problema da gravitao quntica e, adicionalmente gravitao, ela poder naturalmente descrever as interaes similares ao eletromagnetismo e outras foras da natureza. As teorias das supercordas incluem os frmions, os blocos de construo da matria. No se sabe ainda se a teoria das cordas capaz de descrever o universo como uma precisa coleo de foras e matria que ns observamos, nem quanta liberdade para escolha destes detalhes a teoria ir nos permitir.

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Nenhuma teoria das cordas fez alguma nova predio que possa ser experimentalmente testada. Trabalhos na teoria das cordas tm levado a avanos na matemtica, principalmente em geometria algbrica. A teoria das Cordas tem tambm levado a novas descobertas na teoria da supersimetria, que poder ser testada experimentalmente pelo Grande Colisor de Hdrons. Os novos princpios matemticos utilizados nesta teoria permitem aos fsicos afirmarem que o nosso universo possui 11 dimenses, 10 espaciais e 1 temporal e isso explicaria as caractersticas das foras fundamentais da natureza. O estudo das chamadas teorias das cordas foi iniciado na dcada de sessenta e teve a participao de vrios fsicos para sua elaborao. Essas teorias se propem a unificar toda a fsica e unir a Teoria da relatividade e a Teoria Quntica numa nica estrutura matemtica. Embora no esteja totalmente consolidada, a teoria mostra sinais promissores de sua plausibilidade. A teoria das cordas foi originalmente inventada para explicar as peculiaridades do comportamento do hdron. Em experimentos em aceleradores de partculas, os fsicos observaram que o momento angular de um hdron exatamente proporcional ao quadrado de sua energia. Nenhum modelo simples dos hdrons foi capaz de explicar este tipo de relao. Um dos modelos rejeitados tenta explicar os hdrons como conjuntos de partculas menores mantidas juntas por foras similares fora elstica. A fim de considerar estas trajetrias de Regge os fsicos voltaram-se para um modelo onde cada hdron era de fato uma corda rotatria, movendo-se de acordo com a teoria da relatividade especial de Einstein. Isto levou ao desenvolvimento da teoria bosnica das cordas, que ainda , geralmente, a primeira verso a ser ensinada aos estudantes. A necessidade original de uma teoria vivel para os hdrons foi completamente preenchida pela cromodinmica quntica, a teoria dos quarks e suas interaes. Tem-se a esperana agora que a teoria das cordas ou algumas de suas descendentes iro prover uma compreenso mais fundamental dos quarks em si. A teoria bosnica das cordas formulada em termos da ao Nambu-Goto, uma quantidade matemtica que pode ser usada para predizer como as cordas se movem atravs do espao e do tempo. Pela aplicao das idias da mecnica quntica s aes Nambu-Goto um procedimento conhecido como quantizao pode-se deduzir que cada corda pode vibrar em muitos diferentes modos, e que cada estado vibracional representa uma partcula diferente. A massa da partcula e a maneira que ela pode interagir so determinadas pela forma de vibrao da corda em essncia, pela nota que a corda produz. A escala de notas, cada uma correspondente a um diferente tipo de partcula, denominada o espectro da teoria. Estes modelos iniciais incluem cordas abertas, que tm duas pontas distintas, e cordas fechadas, onde as pontas so juntas de forma a fazer uma volta completa. Os dois tipos de corda diferem ligeiramente no comportamento, apresentando dois espectros. Nem todas as teorias de cordas modernas usam estes dois tipos; algumas incorporam somente a variedade fechada. Entretanto, a teoria bosnica tem problemas. Mais importante como o nome implica, o espectro de partculas contm somente bsons, partculas como o fton, que obedecem a regras particulares de comportamento. Ainda que os bsons sejam um ingrediente crtico do universo, eles no so o nicos constituintes. Investigaes de como uma teoria poderia incluir frmions em seu espectro levaram supersimetria, uma relao matemtica entre os bsons e frmions, que agora forma uma rea independente de estudo. As teorias de cordas que incluem vibraes de frmions so agora conhecidas como teorias das supercordas. Vrios tipos diferentes de supercordas tm sido descritos. Nos anos 90, Edward Witten e outros encontraram fortes evidncias de que as diferentes teorias de supercordas eram limites diferentes de uma teoria desconhecida em

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11 dimenses, chamada de Teoria-M. Esta descoberta foi a espoleta da segunda revoluo das supercordas. Vrios significados para a letra M tm sido propostos; fsicos jocosamente afirmam que o verdadeiro significado s ser revelado quando a teoria final for compreendida. Muitos dos desenvolvimentos recentes nestes campos relacionam-se s D-branas, objetos que os fsicos descobriram que tambm devem ser includos em qualquer teoria de cordas aberta O termo teoria das cordas pode referir-se tanto teoria bosnica das cordas, com 26 dimenses, como teoria das supercordas, descoberta pela adio da supersimetria, com suas 10 dimenses. Atualmente, o termo teoria das cordas usualmente refere-se variante supersimtrica, enquanto as anteriores so designadas pelo nome completo teoria bosnica das cordas. Enquanto a compreenso de detalhes das teorias das cordas e supercordas requer uma considervel sofisticao matemtica, algumas propriedades qualitativas das cordas qunticas podem ser compreendidas de forma intuitiva. Por exemplo, cordas qunticas tm tenso, da mesma forma que um barbante. Esta tenso considerada um parmetro fundamental da teoria e est intimamente relacionada ao seu tamanho. Considere uma corda em loop fechado, abandonada para se mover atravs do espao sem foras externas. Esta tenso tender a contra-la cada vez mais para um loop menor. A intuio clssica sugere que ela deva encolher at um simples ponto, mas isto violaria o Princpio da incerteza de Heisenberg. O tamanho caracterstico do loop da corda um equilbrio entre a fora de tenso, atuando para reduzi-lo, e o princpio da incerteza, que procura mant-lo aberto. Conseqentemente, o tamanho mnimo de uma corda deve estar relacionado com a tenso que ela sofre.

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