Quarks

A AVENTURA DAS
PARTÍCULAS
Escola Secundária José Saramago – 2007
Adaptado do CERN por Marília Peres
A Procura do que é Fundamental
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?
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 Átomo
• 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 Núcleo é 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 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 Átomo
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 Átomo
•
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 céus, será que nunca termina essa loucura?)
O Que Estamos à 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 Modelo 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
• 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.
Matéria e Antimatéria
•
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 que é Feito o Mundo? O que é
Antimatéria?
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.
•
Fonte: Fermilab
•
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... nós não sabemos. Essa é uma pergunta que tira o sono
aos físicos.
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:
- up/down
- charmoso/estranho
- top/bottom.
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?
•
•
•
Dando
Nome
aos
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 .
Dando Nome aos Quarks
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.
™ 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 Gerações de Matéria
•
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 up,
up quarks down e electrões.
electrões 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 gerações acima da primeira decaem rapidamente, são
raramente observadas e não compõem nenhuma matéria estável ao nosso redor,
então por que elas existem?
NÃO SABEMOS.
QUEM SABE ATÉ EXISTEM MAIS!
APENAS AINDA NÃO AS DESCOBRIMOS!
Resumo da ”Matéria”
O que o Mantém Unido?
As Quatro Interacções
• 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 Interacções
Gravidade
Fraca
Electromagnética
Forte
Electrofraca
Transportada
por:
Actua em:
Gravitão
(ainda não
observado)
Todas
W+ W- Z0
Fotão
Gluão
Quarks e leptões
Quarks e leptões
carregados
W+ W- Z0
Quarks e
gluões
Vamos continuar!