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:
Qualéo nomedestaestátuae quema esculpiu?
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 maisfundamental 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
O
O
Á
Á
tomo
tomo
•
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 N
O N
ú
ú
cleo
cleo
é
é
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
Á
Á
tomo
tomo
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
Á
Á
tomo
tomo
• Ao mesmo tempo que um átomo é pequeno, onúcleo 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
O
O
Que
Que
Estamos
Estamos
à
à
Procura
Procura
?
?
• 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
Modelo
Modelo
Padrão
Padrão
• 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 Leptões
Quarks 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.
Mat
Mat
é
é
ria e Antimat
ria e Antimat
é
é
ria
ria
• 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
que
que
é
é
Feito
Feito
o
o
Mundo
Mundo
?
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O
O
que
que
é
é
Antimat
Antimat
é
é
ria
ria
?
?
Mais devagar! "Antimatéria?" "Pura Energia?" O que éisso, Star Trek?
• A ideia de antimatéria éestranha, ainda mais porque o universo todo parece ser inteiramente composto de matéria. Essa ideia parece ir contra tudo que nós sabemos sobre o universo.
• Épossível 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 àdos electrões (em destaque um par electrão-positrão).
• Se a antimatéria e a matéria são exactamente iguais, mas opostas, então por que hámuito mais matéria do que antimatéria no universo?
•
• Bem... Bem... nnóós não sabemoss não sabemos. Essa . Essa ééuma pergunta que tira o sono uma pergunta que tira o sono aos f
aos fíísicos.sicos. Fonte: Fermilab
Quarks
Quarks
• 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.
Dando
Dando
Nome
Nome
aos
aos
Quarks
Quarks
• 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.
Dando
Dando
Nome
Nome
aos
aos
Quarks
Quarks
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.
3
3
Gera
Gera
ç
ç
ões
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de
de
Mat
Mat
é
é
ria
ria
• 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 up, up quarks quarks down e down electrões. Isso porque todas as partículas da segunda e electrões 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 mat
raramente observadas e não compõem nenhuma matééria estria estáável ao nosso redor, vel ao nosso redor, então por que elas existem?
NÃO SABEMOS.
NÃO SABEMOS.
QUEM SABE AT
QUEM SABE AT
É
É
EXISTEM MAIS!
EXISTEM MAIS!
APENAS AINDA NÃO AS DESCOBRIMOS!
Resumo
O que o Mant
O que o Mant
é
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m Unido?
m Unido?
As Quatro Interac
As Quatro Interac
ç
ç
ões
ões
•
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 Interac
Resumo sobre Interac
ç
ç
ões
ões
Gravidade Fraca Electromagnética Forte
Transportada por: Gravitão (ainda não observado) W+ W- Z0 Fotão Gluão
Actua em: Todas Quarks e leptões
Quarks e leptões carregados W+ W- Z0 Quarks e gluões Electrofraca
