À procura do infinitamente peque
Universo
Universo
(observado)
partículas
peixinho
de aquário
Everest
átomos
baleias
0.01 = 10-2
Terra - Sol
diâmetro da
Via-Láctea
1000 = 103
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
O que é a matéria?
Qual a resposta da ciência contemporânea ?
Como esta resposta é construída ?
modelo padrão
introdução histórica
teoria
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
• Átomos idênticos
Mendeleyev: • Ordem por peso atômico
• Propriedades similares em colunas
(1870)
• germânio
Preditos três novos elementos: • gálio
• escândio
Triunfo da tabela periódica e da hipótese atômica
Mec. quântica: explicou com detalhes 60 anos depois!
O átomo moderno
Tubo de raios catódicos Thompson, Crookes (1897)
Descoberta do elétron
Início da física de partículas!
Vários modelos para o átomo
objeto neutro
Pudim de passas: uma bola de carga positiva com
elétrons dentro
Radiação
Descoberta dos raios X
Röntgen
1896
radiação
P. Curie, M. Curie, Bequerel
1903

fonte

chumbo
amostra radioativa
de descobertas interessantes
a ferramentas fundamentais

 elétrons
núcleos
de hélio
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)
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
up
uu
d
neutron
elétron
0
próton
e
neutrino
ud
d
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
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 neutrons
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
Será tão fácil assim?
Tudo feito de quarks e
elétrons?
Ômega
3
2
1


sss

*

*0
dss
uss


*
dds
0
1685


ddd
-1
*0
uds

0
udd
0
1530

*
uus


uud
1
1385


uuu
2
1236
Ômega
31 de Janeiro de 1964
massa:
1686  12 MeV
31 autores
Modelo Padrão: Interações
Gravidade
Forte
Fraca
Eletromagnética
Interações

eletromagnética
fóton
g
w
Z
bóson W
bóson Z
glúon
fraca
forte
Interações
alcance
(m)
gravitacional
eletromagnetica
intensidade
infinito
infinito
10
38
10
fraca
~ 10
18
10
forte
~ 10 15
1
2
13
quem sente
todas
carregadas
quarks e léptons
quarks e glúons
Eletromagnética
x
e
e

e
e
t
momento magnético
teoria: 1.0115965246  20
exp. : 1.0115965221  04
b
e
e

b
Força fraca
n  p  e  ve
relógio fosforescente
energia do sol
ud
u
ud
d
W

e
ve
Força Forte
Núcleo: resíduo da força entre os quarks
Gluons interagem entre si, além de mediarem a
força forte
Quarks: prisão perpétua
Jatos
e
e
b
Z
b
Jatos no laboratório
Vendo o invisível
Comprimento de onda da luz determina
o tamanho do objeto que pode ser visto
7
5  10 m
luz
6
bactéria 10 m
9
moléculas 10 m
Super microscópios
LEP
a máquina mais complexa do mundo
Túnel
encurvador
rádio-freqüência
focalizador
elétron
pósitron
(matéria)
(antimatéria)
Aleph
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!
Como achar um quark?
?
"É que Deus sabe: no dia em que dele
comerdes, vossos olhos se abrirão e
sereis como deuses, conhecedores do
bem e do mal."
Gn 3,5
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
Ah que medo de começar e ainda nem sequer
sei o nome da moça. Sem falar que a história
me desespera por ser simples demais. O que
me proponho contar parece fácil e à mão de
todos. Mas a sua elaboração é muito difícil. Pois
tenho que tornar nítido o que está quase
apagado e que mal vejo. Com mãos de dedos
duros enlameados apalpar o invisível na própria
lama.
A hora da estrela, Clarisse Lispector
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