O que é a matéria?
Universo
partículas
átomos
peixinhode aquário
baleias
Everest
0.01 = 10-2 1000 = 103
Terra - Sol
Universo (observado)
diâmetro daVia-Láctea
Andrômeda
Estrelas explodindo
SN1987A
Ciência fundamental
Estuda as profundezas da estrutura da matéria
A natureza do espaço e do tempo
A origem, evolução e o destino do Universo
Cosmologia
Física de Partículas
De onde viemos? O que somos? Aonde vamos?
Paul Gauguin
Qual a resposta da ciência contemporânea ?
Como esta resposta é construída ?
modelo padrão
O que é a matéria?
teoria
fundamentos experim.
introdução histórica
tecnologia
questões atuais
sociologia
Por que estudar as partículas?
Porque tudo é feito delas: estrelas, árvores,pessoas, água...
Porque o estudo das partículas nos revelacomo o universo funciona...
Porque sempre se pode descobrir coisas inesperadas que nem sequer desconfiamos...Porque procurar partículas é divertido e interessante...
Filósofos gregos
Átomo
Elemento unificador
Realidade última é distinta da realidade aparente
Relações matemáticasna natureza
Na realidade não sabemos de nada, pois a verdade jaz nas profundezas... Demócrito
A tabela periódica
Dalton: • Um átomo para cada tipo de elemento• Átomos idênticos
Mendeleyev:(1870)
• Ordem por peso atômico• Propriedades similares em colunas
Preditos três novos elementos: • germânio• gálio• escândio
Triunfo da tabela periódica e da hipótese atômica
Mec. quântica: explicou com detalhes 60 anos depois!
Radiação
Descoberta dos raios X Röntgen1896
radiação
P. Curie, M. Curie, Bequerel1903
fonte amostra radioativa
chumbo
núcleos de hélio
elétronsde descobertas interessantesa ferramentas fundamentais
campo elétrico
anodo
Fendas
magnetos
catodo
tela
Tubo de Crooks
O átomo modernoTubo de raios catódicos
Thompson, Crooks (1897)Descoberta do elétron
Início da física de partículas!
Vários modelos para o átomo objeto neutro
Pudim de passas: uma bola de carga positiva com elétrons dentro
Experimento de Rutherford
deflexões pequenas
partículas numa folha fina de ouro
Experimento de Rutherford
"Foi como se um tiro de arma pesada fosse disparado numa folha de papel e a bala ricocheteasse!"
Experimento de Rutherford
Toda a matéria concentrada no núcleo
Escala:• bola de ping-pong no meio do Maracanã• elétrons circulando nas arquibancadas
Vazio!
Experimento padrão da física de partículas (espalhamento)
Núcleo atômico
Chadwick: descoberta do nêutron
Núcleo: prótons e nêutrons
Em 1932: toda a matéria é feita de átomos
átomos: elétrons, prótons e nêutrons
Transmutação dos elementos
alfa (2p+2
)
nitrogênio
(7p+7n)
oxigênio (8p+9n)
Tecnologia nuclear
química:
lâmpada de 100 W
queima de 1g de carvão: 1 minuto
nuclear: fissão de 1g de carvão: 1000000 minutos
liberando energia acumulada noselementos pesados pelas estrelashá bilhões de anos atrás...
Câmaras de Bolhas
Realidade das Partículas Elementares
"O fato de se ver uma partícula elementar, ainda que de forma indireta - numa câmara de bolha ou de
nuvens - dá suporte à visão de que as menores unidadesda matéria são objetos físicos reais, existindo no mesmo
sentido que as flores e as pedras o fazem."
Werner Heisenberg, "The Physicist's Conception of Nature"
Antimatéria
Mecânica quântica + relatividade
duas soluções
Dirac (1930)
Anderson (1934) pósitron
energiamatéria antimatéria+
Antipróton
1960: centenas de novas partículas descobertas laboratórioraios cósmicos
Zoológico de partículas
0
K K 0
propriedades bem definidas
T 10 23 sComo entender?
decaimento
Modelo Padrão
Toda a matéria é composta de partículas elementares, os quarks e os léptons
As partículas interagem trocando outras partículas
u ud
2
3
1
3
1
0
u dd
próton
nêutron
Primeira família
uup
ddown
elétron
neutrino
e
e
Será tão fácil assim? Tudo feito de quarks e elétrons?
Partículas ElementaresQ
uark
s ccharme
ttop
sestranho
bbeleza
Lép
tons
múon
uup
ddown
elétron
neutrino
e
e
tau
neutrino
neutrino
Hhiggs
ceticismo
Onde estavam os quarks?
Experimentos de laboratórioRaios cósmicos
Meteoritos
Rochas do mar
Quarks são objetos matemáticos que não possuem realidade física???
Espalhamento Inelástico Profundo
Versão mais refinada do experimento de Rutheford (SLAC, 1968)
Elétrons incidindo em prótons e nêutrons
Dez vezes mais elétrons sendo espalhados em grandes ângulos
Quarks???
Simetrias e Quarks
sistema continua o mesmo após uma transformação
Simetria:
Modelo matemático dos quarks: simetria
Um conjunto de transformações que não modifica o sistema forma uma estrutura conhecida como um grupo
Matemáticos já tinham catalogado os grupos
* *0
* *0 *
0
-1 0 1 2
3
2
1
0ddd udd uud uuu
dds uds uus
dss uss
sss
Ômega
1685
1530
1385
1236
Ômega
31 de Janeiro de 1964
massa: MeV1686 12
31 autores
Modelo Padrão: Interações
Gravidade
Forte
Eletromagnética
Fraca
Interações
glúon
g
fóton
wbóson W bóson Z
Z
eletromagnética
fraca
forte
Interações
gravitacional infinito 10 38 todas
eletromagnetica infinito 10 2 carregadas
fraca ~ 10 18 10 13 quarks e léptons
forte ~ 10 15 1 quarks e glúons
alcance (m)
intensidade quem sente
Quarks: prisão perpétua
Vendo o invisível
Comprimento de onda da luz determina o tamanho do objeto que pode ser visto
luz 5 10 7 m
bactéria 10 6 mmoléculas 10 9 m
Super microscópios
LEP
a máquina mais complexa do mundo
Túnel
rádio-freqüênciafocalizador
encurvador
elétron(matéria)
pósitron(antimatéria)
opalOpal
O que se mede diretamente
• posições sucessivas das partículas (trajetórias)
• energia• momentum• carga
Esquema de um detetor
magneto
tracking
calorimetro hadronico.calorimetro em.
câmaras de múons
fótons
Partículas nos sub-detetores
tracking cal. em. cal. had.câmaras de múons
Tecnologia associada
Eletrônica rápida
Engenharia mecânica
Engenharia elétrica
Alto vácuoQuímica de gases
Baixas temperaturas
Supercondutividade
Computadores
Simulação dos detetores e da análise dos dados
Aquisição dos dados on line
Reconstrução das trajetórias das partículas
Estudos estatísticos dos dados
Redes Internet (WWW)
Sociologia
Experimentos: de 100 - 500 físicos
Vários países, muitas instituições
Meritocracia
Consenso nos resultados científicos
Competição X colaboração
Questões em aberto
Higgs
Matéria X Antimatéria
Grande unificação
Os quarks e os léptons tem subestrutura?
Muitos experimentos em andamento e planejados!
Evolução do universo
big bang
matéria
antimatéria
quantidade de matéria = quantidade de antimatéria
nosso universo: somente matéria
Gota d’água
Gosto da gota d’agua que se equilibrana folha rasa, tremendo ao vento.Todo o universo, no oceano do ar, secreto vibra:e ela resiste, no isolamento.Seu cristal simples reprime a forma, no instante incerto:pronto a cair, pronto a ficar - límpido e exato.E a folha é um pequeno desertopara a imensidade do ato.
Cecília MeirelesViagem
Epigrama n.o 5
Referências
• The Search for Infinity, G. Fraser, E. Lillestol, I. Sellevag
• The Hunting of the Quark, M. Riordan• The Experimental Foundations of
Particle Physics, R. Cahn, G. Goldhaber• aventuradasparticulas.ift.unesp.br• www.cern.ch• www.fnal.gov
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