A Antimateria e outros Misterios
Estudados no Experimento ATLAS
Antimatéria e outros mistérios :
da fantasia à realidade...
O Experimento ATLAS no Grande Colisor de Hádrons
(Large Hadron Collider – LHC) traz a física para um novo
território.
Nós iremos aprender sobre as forças básicas que deram
forma ao nosso Universo desde o começo dos
tempos e que determinarão seu
destino final.
Mais interessante ainda é o completamente
desconhecido : novos processos e
partículas que podem mudar a nossa
compreensão da energia e da
matéria e até mesmo do espaço.
A antimatéria é parte deste novo
território. Ela tem inspirado autores
de livros e filmes, sendo protagonista
no filme lançado recentemente
“Anjos & Demônios”.
2
Editor : Michael Barnett - Design : Claudia Marcelloni - André-Pierre Olivier
3
A antimatéria no filme ANJOS&DEMÔNIOS
ANJOS&DEMÔNIOS no Grande Colisor de Hádrons
O CERN (Organização Européia
para Física de Partículas) é um
laboratório que existe de fato e
que está localizado em Genebra,
na Suíça ...
LHCb
ATLAS
ALICE
CMS
No filme Anjos & Demônios,
criminosos vão a um
laboratório chamado “CERN”.
ATLAS
Eles roubam meio grama
de antimatéria num frasco,
que é então transportado
a Roma para ser usada
como uma bomba.
4
Angels & Demons images are ™ and © 2009 Columbia Pictures Industries, Inc. All rights reserved
… e partes do filme foram
realmente filmadas no Experimento
ATLAS no laboratório CERN.
5
A antimatéria e a matéria se aniquilam mutuamente
Metade do que é produzido nos aceleradores do CERN é anti-matéria
É também verdade
que matéria e
antimatéria se
aniquilam quando
se encontram.
A sua massa
é convertida
em energia
pela equação
de Einstein
E = mc2
6
7
Se nós pudéssemos acumular
a antimatéria...
Mas ela se aniquila
Se
tivéssemos alguma forma de armazenar
meio grama (0.02 onças) e
Se
pudéssemos colocá-lo numa vasilha e
Se
pudéssemos levá-lo para um
lugar longínquo
A Pergunta de Tom Hanks
Quando Tom Hanks visitou o ATLAS no CERN, ele perguntou o que manteria a sua xícara de café aquecida.
Toda a antimatéria
produzida no ATLAS
se aniquila numa
fração de
segundo.
Se toda a antimatéria produzida no interior do experimento ATLAS fosse usada para esquentar o café, ela
aumentaria a temperatura de 1o C (2 F) por hora.Mas
nesse mesmo tempo, a temperatura diminuiria de 10o C.
De fato
a antimatéria seria uma bomba poderosa
como a do filme Anjos & Demônios...
8
Angels & Demons images are ™ and © 2009
Columbia Pictures Industries, Inc. All rights reserved
9
Quanto tempo levaria para se obter um grama?
Entretanto, o Universo, produziu enormes quantidades de antimatéria
Se o detector ATLAS pudesse de alguma forma acumular toda a
antimatéria produzida nas colisões, levaria 10 milhões de anos para
se conseguir um grama de antimatéria.
Toumaï
Nossos dias
Lucy
Um grama é o peso
de meia nota de dólar
ou de uma pena.
-10
-9
-8
-7
-6
Sahelanthropus
tchadensis
10
-5
-4
-3
-2
-1
0
Australopithecus
afarensis
Milhões de anos
10 milhões de
anos no futuro
Homo Sapiens
- 200 000 years
De fato, o Big BANG,
a explosão que criou o nosso
Universo, produziu quantidades
iguais de matéria e antimatéria.
Da mesma forma
que no experimento
ATLAS
11
Matéria e antimatéria se aniquilam
Imediatamente após o Big Bang, as
quantidades de matéria e antimatéria...
não eram exatamente iguais
e todo o resto
do Universo.
Matéria
Antimatéria
10 000 000 001
10 000 000 000
Seguiu-se a grande
aniquilação
10 000 000 001
10 000 000 000
1
12
Toda a
antimatéria e toda
a matéria, à exceção
de uma pequena
parte de matéria
desapareceu na
aniquilação...
e essa
pequena
parte é o que
somos...
13
Tanto a matéria como a antimatéria têm Massa
O que fornece massa para partículas fundamentais tais como
quarks e eléctrons e por que estes valores são tão diferentes?
Partículas fundamentais não têm “tamanho”.
Aqui, os tamanhos diferentes representam
diferentes valores de massa.
Léptons em laranja
Quarks em vermelho
e
Eléctron
μ
Múon
O Professor Peter Higgs propôs que todo o espaço está
permeado por um campo, o assim chamado campo de Higgs.
τ
O Campo
de Higgs,
responsável pela
massa de todas
as partículas,
preenche o
Universo.
Tau
x150
νe
Neutrino
do Eléctron
νμ
ντ
Neutrino
do Tau
Neutrino
do Múon
t
u
Up
c
O Bóson de Higgs
Top
Esta imagem
mostra uma
representação
deste campo
Charme
Mas a teoria quântica nos mostra que todos os campos têm
uma partícula associada a eles, assim...…
Neste caso, … existiria o Bóson de Higgs
14
Os valores de massa dos neutrinos
são extremamente reduzidos.
Sabe-se que são menores do que
1/150 da massa de um elétron.
d
Down
s
Estranho
b
Em 2004, o prémio da fundação Wolf foi dado a Robert Brout,
Francois Englert e Peter Higgs pelo “trabalho pioneiro que levou
a uma visão mais profunda sobre a origem da massa”.
Bottom
O Higgs já foi “descoberto” no Experimento
ATLAS, mas foi o Professor Higgs,
...não o Bóson de Higgs.
15
Mas existe mais do que apenas matéria e antimatéria
Observando nosso Universo, vemos muito mais
do que a matéria comum (ou antimatéria)...
Vemos evidência da matéria escura em
galáxias e em aglomerados de galáxias.
Concepção artística da
distribuição de matéria
escura no Universo
seguindo a evolução do
tempo (que se move da
direita pra esquerda). O
esquema é baseado em
observações astronômicas.
Com a passagem do
tempo, acredita-se que
a matéria escura se
tornará mais agrupada. As
galáxias são apresentadas
superpostas somente
por razões ilustrativas.
Matéria comum 4%
Matéria escura invisível
mantém galáxias
girando atraídas pela
sua gravidade.
16
m
Te
A colisão de dois aglomerados de galáxias
separou momentaneamente matéria comum
da matéria escura (visto através do efeito de
“lentes gravitacionais”).
po
Matéria Escura 23%
Composição
do Universo
Energia Escura 73%
17
O que é a Matéria Escura?
Não sabemos
Mas temos algumas ideias
Teoria das Cordas e Super Simetria
A Teoria das Cordas
prediz a possibilidade
de existirem dimensões
extras de espaço e uma
nova simetria denominada
“super simetria”.
Partículas
Se os constituintes da Matéria
Escura são novas partículas,
o Experimento ATLAS deve
descobri-las e esclarecer o
mistério da matéria escura.
Pela super simetria,
toda partícula deve ter
uma partícula “sombra” com
massa bem superior, e uma destas
partículas super-simétricas poderia
ser a partícula da Matéria Escura.
18
Partículas “sombra”
super simétricas
19
Existem dimensões extra do espaço?
Pense numa acrobata e numa
formiga andando na corda bamba.
Por que a força da gravidade é tão fraca?
Observamos que a força da gravidade é muito mais fraca
do que a do eletromagnetismo. Este é um grande mistério.
A acrobata pode se mover para
frente e para trás ao longo da
corda.
Mas a formiga também pode se
movimentar ao redor da corda.
Se a formiga continuar circulando
a corda, ela completa uma volta e
retorna a seu ponto de partida (esta
é uma pequena dimensão).
Talvez o Eletromagnetismo esteja confinado às
nossas três dimensões de espaço conhecidas
A acrobata só percebe uma
dimensão da corda, da mesma
forma que só percebemos o
mundo em três dimensões, embora
possam existir outras dimensões
20
Talvez a Gravidade atue em outras dimensões. A força
fica assim mais distribuída e menos efetiva.
Dimensões Extras do
espaço podem levar a
eventos interessantes no
detector ATLAS.
21
Quem construiu e opera o detector ATLAS?
3000 cientistas de
quase 200 universidades
e laboratórios em
38 países
(situação em setembro de 2012).
22
Argentina
Armenia
Austrália
Austria
Azerbaijão
Bielorrússia
Brasil
Canadá
Chile
China
Colombia
República Tcheca
Dinamarca
França
Georgia
Alemanha
Grécia
Israel
Itália
Japão
Moroccos
Países Baixos
Noruega
Polônia
Portugal
Romênia
Federação Russa
Serbia
República Eslovaca
Eslovênia
África do Sul
Espanha
Suécia
Suíça
Taiwan
Turquia
Reino Unido
Estados Unidos da América
CERN
JINR
23
www.atlas.ch
A Antimateria e outros Misterios
Estudados no Experimento ATLAS