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

 elétrons
núcleos
de hélio
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
38
todas
2
carregadas
13
quarks e léptons
10
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