O que é a matéria?

Universo

partículas

átomos

peixinhode aquário

baleias

Everest

0.01 = 10-2 1000 = 103

Terra - Sol

Universo (observado)

diâmetro daVia-Láctea

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

Qual a resposta da ciência contemporânea ?

Como esta resposta é construída ?

modelo padrão

O que é a matéria?

teoria

fundamentos experim.

introdução histórica

tecnologia

questões atuais

sociologia

Por que estudar as partículas?

Porque tudo é feito delas: estrelas, árvores,pessoas, água...

Porque o estudo das partículas nos revelacomo o universo funciona...

Porque sempre se pode descobrir coisas inesperadas que nem sequer desconfiamos...Porque procurar partículas é divertido e interessante...

Filósofos gregos

Átomo

Elemento unificador

Realidade última é distinta da realidade aparente

Relações matemáticasna natureza

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:(1870)

• Ordem por peso atômico• Propriedades similares em colunas

Preditos três novos elementos: • germânio• gálio• escândio

Triunfo da tabela periódica e da hipótese atômica

Mec. quântica: explicou com detalhes 60 anos depois!

Radiação

Descoberta dos raios X Röntgen1896

radiação

P. Curie, M. Curie, Bequerel1903

fonte amostra radioativa

chumbo

núcleos de hélio

elétronsde descobertas interessantesa ferramentas fundamentais

campo elétrico

anodo

Fendas

magnetos

catodo

tela

Tubo de Crooks

O átomo modernoTubo de raios catódicos

Thompson, Crooks (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

Experimento de Rutherford

deflexões pequenas

partículas numa folha fina de ouro

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

química:

lâmpada de 100 W

queima de 1g de carvão: 1 minuto

nuclear: fissão de 1g de carvão: 1000000 minutos

liberando energia acumulada noselementos pesados pelas estrelashá 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 unidadesda 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

Mecânica quântica + relatividade

duas soluções

Dirac (1930)

Anderson (1934) pósitron

energiamatéria antimatéria+

Antipróton

1960: centenas de novas partículas descobertas laboratórioraios cósmicos

Zoológico de partículas

0

K K 0

propriedades bem definidas

T 10 23 sComo entender?

decaimento

Modelo Padrão

Toda a matéria é composta de partículas elementares, os quarks e os léptons

As partículas interagem trocando outras partículas

u ud

2

3

1

3

1

0

u dd

próton

nêutron

Primeira família

uup

ddown

elétron

neutrino

e

e

Será tão fácil assim? Tudo feito de quarks e elétrons?

Partículas ElementaresQ

uark

s ccharme

ttop

sestranho

bbeleza

Lép

tons

múon

uup

ddown

elétron

neutrino

e

e

tau

neutrino

neutrino

Hhiggs

ceticismo

Onde estavam os quarks?

Experimentos de laboratórioRaios 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

sistema continua o mesmo após uma transformação

Simetria:

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

* *0

* *0 *

0

-1 0 1 2

3

2

1

0ddd udd uud uuu

dds uds uus

dss uss

sss

Ômega

1685

1530

1385

1236

Ômega

31 de Janeiro de 1964

massa: MeV1686 12

31 autores

Modelo Padrão: Interações

Gravidade

Forte

Eletromagnética

Fraca

Interações

glúon

g

fóton

wbóson W bóson Z

Z

eletromagnética

fraca

forte

Interações

gravitacional infinito 10 38 todas

eletromagnetica infinito 10 2 carregadas

fraca ~ 10 18 10 13 quarks e léptons

forte ~ 10 15 1 quarks e glúons

alcance (m)

intensidade quem sente

Quarks: prisão perpétua

Vendo o invisível

Comprimento de onda da luz determina o tamanho do objeto que pode ser visto

luz 5 10 7 m

bactéria 10 6 mmoléculas 10 9 m

Super microscópios

LEP

a máquina mais complexa do mundo

Túnel

rádio-freqüênciafocalizador

encurvador

elétron(matéria)

pósitron(antimatéria)

opalOpal

O que se mede diretamente

• posições sucessivas das partículas (trajetórias)

• energia• momentum• carga

Esquema de um detetor

magneto

tracking

calorimetro hadronico.calorimetro em.

câmaras de múons

fótons

Partículas nos sub-detetores

tracking cal. em. cal. had.câmaras de múons

Tecnologia associada

Eletrônica rápida

Engenharia mecânica

Engenharia elétrica

Alto vácuoQuímica de gases

Baixas temperaturas

Supercondutividade

Computadores

Simulação dos detetores e da análise dos dados

Aquisição dos dados on line

Reconstrução das trajetórias das partículas

Estudos estatísticos dos dados

Redes Internet (WWW)

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

big bang

matéria

antimatéria

quantidade de matéria = quantidade de antimatéria

nosso universo: somente matéria

Gota d’água

Gosto da gota d’agua que se equilibrana 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 desertopara a imensidade do ato.

Cecília MeirelesViagem

Epigrama n.o 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