O que e a materia? - Instituto de Física / UFRJ
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O que é a matéria? Universo Universo (observado) partículas átomos peixinho de aquário baleias 0.01 = 10-2 Everest Terra - Sol diâmetro da Via-Láctea 1000 = 103 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 O que é a matéria? Qual a resposta da ciência contemporânea ? Como esta resposta é construída ? introdução histórica teoria modelo padrão fundamentos experim. questões atuais tecnologia sociologia Por que estudar as partículas? Porque tudo é feito delas: estrelas, árvores, pessoas, água... Porque o estudo das partículas nos revela como o universo funciona... Porque sempre se pode descobrir coisas inesperadas que nem sequer desconfiamos... Porque procurar partículas é divertido e interessante... Filósofos gregos Relações matemáticas na natureza Átomo Elemento unificador Realidade última é distinta da realidade aparente Na realidade não sabemos de nada, pois a verdade jaz nas profundezas... Demócrito A tabela periódica Dalton: • Um átomo para cada tipo de elemento Mendeleyev: (1870) • Ordem por peso atômico • Átomos idênticos • Propriedades similares em colunas • germânio Preditos três novos elementos: • gálio • escândio Triunfo da tabela periódica e da hipótese atômica Mec. quântica: explicou com detalhes 60 anos depois! Radiação Descoberta dos raios X Röntgen 1896 radiação fonte amostra radioativa P. Curie, M. Curie, Bequerel 1903 chumbo de descobertas interessantes a ferramentas fundamentais núcleos de hélio elétrons Tubo de Crooks anodo campo elétrico catodo Fendas magnetos tela O átomo moderno Tubo de raios catódicos Descoberta do elétron Thompson, Crooks (1897) 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 partículas numa folha fina de ouro deflexões pequenas 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 lâmpada de 100 W química: nuclear: queima de 1g de carvão: 1 minuto fissão de 1g de carvão: 1000000 minutos liberando energia acumulada nos elementos pesados pelas estrelas há 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 unidades da 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 Dirac (1930) Mecânica quântica + relatividade duas soluções Anderson (1934) matéria + antimatéria pósitron energia Antipróton Zoológico de partículas 1960: centenas de novas partículas descobertas laboratório raios cósmicos propriedades bem definidas 0 K K decaimento 0 T 10 23 s Como entender? Modelo Padrão Toda a matéria é composta de partículas elementares, os quarks e os léptons As partículas interagem trocando outras partículas Primeira família 2 3 u 1 3 d down 1 e 0 up elétron e neutrino uu d ud d próton nêutron Será tão fácil assim? Tudo feito de quarks e elétrons? Léptons Quarks Partículas Elementares u c t up charme top d s b down estranho beleza e elétron múon tau e neutrino neutrino neutrino H higgs ceticismo Onde estavam os quarks? Experimentos de laboratório Raios 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 Simetria: sistema continua o mesmo após uma transformação 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 Ômega 3 2 1 0 1685 sss * dss uss * dds ddd -1 1530 *0 *0 uds 0 udd 0 1385 * uus uud 1 uuu 2 1236 Ômega 31 de Janeiro de 1964 massa: 1686 12 31 autores MeV Modelo Padrão: Interações Gravidade Forte Fraca Eletromagnética Interações eletromagnética fóton w bóson W g Z bóson Z fraca glúon forte Interações alcance (m) intensidade gravitacional infinito eletromagnetica infinito fraca forte ~ 10 ~ 10 10 38 todas 2 carregadas 13 quarks e léptons 10 18 10 15 1 quem sente quarks e glúons Quarks: prisão perpétua Vendo o invisível Comprimento de onda da luz determina o tamanho do objeto que pode ser visto luz bactéria 5 10 7 m 6 m 10 moléculas 10 9 m Super microscópios LEP a máquina mais complexa do mundo Túnel rádio-freqüência encurvador focalizador elétron (matéria) pósitron (antimatéria) Opal opal O que se mede diretamente • posições sucessivas das partículas (trajetórias) • energia • momentum • carga Esquema de um detetor magneto tracking calorimetro em. calorimetro hadronico. câmaras de múons Partículas nos sub-detetores tracking fótons cal. em. cal. had. câmaras de múons Tecnologia associada Eletrônica rápida Engenharia mecânica Engenharia elétrica Supercondutividade Alto vácuo Química de gases Baixas temperaturas Computadores Simulação dos detetores e da análise dos dados Aquisição dos dados on line Reconstrução das trajetórias das partículas Redes Internet (WWW) Estudos estatísticos dos dados 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 matéria big bang antimatéria quantidade de matéria = quantidade de antimatéria nosso universo: somente matéria Gota d’água Epigrama n.o 5 Gosto da gota d’agua que se equilibra na 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 deserto para a imensidade do ato. Cecília Meireles Viagem 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
