Partículas Elementares

1. Partículas Elementares Maria Teresa Thomaz Instituto de Física, UFF mtt@if.uff.br Resumo da apresentação: Apresentamos uma visão geral sobre as partículas elementares a partir das quais todas as substâncias são constituídas. Os gregos começaram a busca dessas partículas a 2.400 anos atrás: os tijolos da Natureza!!!!

2. A pergunta milenar ... Uma proposta que veio antes da era de Cristo: o átomo. “Por convenção existe a cor, por convenção existe a doçura, por convenção existe o amargo, mas na realidade existe átomos e espaço” Demócrito (400 A.C.) O que é o átomo?

3. O que significa a palavra átomo? A palavra átomo vem do grego e significa: indivisível. Na Grécia antiga os filósofos Demócrito e seu mestre Leucipo afirmavam que se quebrássemos um objeto em pedaços cada vez menores, os pedaços manteriam as mesmas propriedades que o objeto original, até alcançarmos o átomo. O átomo seria o menor pedaço do corpo que ainda conservaria as suas propriedades. A proposta da escola grega implicaria que teríamos um número incalculável de átomos para descrever o mundo que nos cerca, por exemplo: água, pedra, papel, laranja, sangue... A proposta grega não está correta, mas será que ela tem algum traço de verdade ?

4. A versão atual da pergunta dos filósofos gregos: Toda a matéria (orgânica e inorgânica) é, constituída a partir de objetos básicos que seriam os tijolos da Natureza ?

5. Para acompanharmos como a compreensão do átomo/tijolos da Natureza foi se modificando até o dia de hoje, vamos nos fixar num material: a água. Uma gota d’água!!! Muita água...

6. Os químicos do século 19: a matéria é formada por moléculas, e essas são grupos de átomos. Molécula de água: 02 átomos de hidrogênio: H 01 átomo de oxigênio: O

7. A primeira organização dos elementos numaTabela Periódicafoi feita por Dimitri Mendeleiev em 1869. Tabela Periódica de Mendeliev (1869): 103 átomos !!!!

8. Tabela Periódica atual:

9. Com a classificação dos elementos por Mendeleiev em 1869 passamos a ter 103 átomos distintos!!! Este número não é grande demais? Voltamos à pergunta original: será que os átomos são constituídos de partículas elementares? Partículas elementares: partículas pontuais que não apresentam nenhuma estrutura. Para afirmar que um objeto não tem estrutura, temos que ter a certeza que ele não se quebra em pedaços. Para verificarmos isso, que temos que tentar quebrá-lo. Por ex.: uma bilha tem estrutura?

10. J.J. Thomson descobriu o elétron em 1897. A partir da descoberta do elétron, o átomo passou a descrito como sendo um “pudim”:

11. Em 1910 Ernst Rutherford analisou os dados experimentais de H. Geiger e E. Marsden e propôs um novo modelo para o átomo:

12. A molécula de água após a proposta de Rutherford para o átomo: Átomo de hidrogênio: H Núcleo com carga: + 1e 1 elétron com carga: - 1e Átomo de oxigênio: O Núcleo com carga: + 8e 8 elétrons com carga: - 8e Até esse período, as partículas fundamentais seriam os núcleos dos elementos da Tabela Periódica e o elétron.

13. Os núcleos têm estrutura? Osnúcleos são compostos por duas partículas: o próton e o neutron. O próton foi descoberto por Ernst Rutherford em 1918. O neutron foi descoberto por Sir James Chadwick, em 1932.

14. Com as descobertas do próton e do neutron, os núcleos dos átomos do hidrogênio e oxigênio passam a ter estrutura: Núcleo do hidrogênio: H+ 1 próton com carga: + 1e Núcleo do oxigênio: O+8 8 prótons com carga: + 8e 8 neutrons com carga: 0 Na década de 30 as partículas fundamentais conhecidas eram: elétron, próton e neutrons. Apenas 3 tijolos da Natureza.

15. Será que apenas essas 3 partículas elementares explicam toda a matéria que temos no Universo? Quais as escalas que temos no universo? Como observar objetos com tamanhos tão diferentes?

16. Física de Altas Energias: estuda as partículas elementares. Temos a possibilidades de criar novas partículas a partir de colisões ou decaimentos. Partículas estáveis são aquelas que quando livres não decaem em outras partículas. O neutron é estável? Dentro dos núcleos o neutron é estável, mas livres eles decaem com vida média de 887s (14,8 minutos). Decaimento do neutron livre: n→p+e− +νe que é denominado de decaimento β.

17. O neutron e o próton têm estrutura? Qual o tamanho deles? Vejamos a diferença de tamanho (escalas) entre objetos “pequenos” do nossodia-a-dia e o tamanho do átomo e o que está dentro dele: • diâmetro de um cabelo: 0, 1mm = 10−4 m 10−10 m10−14 m10−15 m≤ 10−18 m • diâmetro do átomo: • diâmetro do núcleo: • diâmetro do próton: • diâmetro do elétron: A nossa experiência do dia-a-dia não nos permite imaginar o que ocorre na escala atômica, nuclear, etc...

18. Tamanho do átomo: ∼ 10−10 m Como “ver” os fenômenos atômico e sub-atômicos? Os primórdios do estudo experimental do átomo: • Experiência de Rutherford-Geiger-Marsden: 1909 Bombardeamento de folhas de ouro por feixes de partículas α (núcleos do átomo de hélio). Eles mediram o número de partículas que mudaram a direção após a colisão.

19. • Câmara de Wilson (câmara de nuvens): 1911 Câmara de vapor d’água supersaturada. Íons são núcleos de condensação de gotículas d’água. Charles T. R. Wilson Em 1932 Carl D. Anderson usou uma Câmara de Wilson para detectar opósitron (e+), a anti-partícula do elétron:

20. • Câmara de bolhas: desenvolvida por Donald Glaser em 1952. Uma câmara com líquidos superaquecidos nos quais partículas carregadas deixam bolhas microscópicas. Donald Glaser Esquema da câmara de bolhas

21. Exemplos de placas de emulsão com eventos experimentais, obtidas em Câmaras de Bolhas: Decaimento de partículas. Neutrino: o que não aparece!!!

22. Nas últimas transparências falamos em outras partículas elementares além do elétron, próton e neutron: pósitron, neutrino, káons, ... A partir da década de 30 com o advento dosnovos aceleradores de partículas, o número de partículas “elementares” cresceu e muito!!!! Até a década de 60:

23. Voltamos à pergunta original: Será que todas essas partículas são elementares? Ou será que elas têm estrutura? A Física experimental de altas energias continuou detectando novas partículas: Em 1961 nasce a proposta dos quarks: os prótons e neutrons são estados ligados de quarks.

24. Como classificamos hoje as partículas sub-atômicas? Partículas sub-atômicas Léptons Hádrons • Lépton: partículas elementares. Ex. de lépton: elétron. • Hádrons: partículas compostas formadas de partículas elementares. Exs. de hádrons: próton e neutron.

25. Léptons Partícula Vida média Decaimento (segundos) mais provável e estável - νe estável - 2, 2 × 10−6 e− + νµ + νe µ νµ estável - 2, 96 × 10−13 µ− + ντ + νµ τ ντ estável - Nem toda partícula elementar é estável!!!!!!

26. • Hádrons: em 1961 Murray Gell-Mann e Kazuhiko Nishijima propuseram o model de quarks. Kazuhito Nishijima Murray Gell-Mann Os prótons e neutrons são compostos de quarks:

27. Divisão dos Hádrons: Hádrons Mésons Bárions Méson: partículas responsáveis pelas interações entre núcleos. Mésons Partícula Vida média Decaimento (segundos) mais provável π± 2, 6 × 10−8 µ+ + νµ π0 0, 84 × 10−16 2γ K± 1, 23 × 10−8 µ± + νµ K0 0.89 × 10−10 π+ + π−, π0 + π0

28. Bárions Partícula Vida média Decaimento (segundos) mais provável p ≥ 1038 e+ + π ; µ+ + π n 887 p+e− +νe p+π−; n+π0 p+π0; n+π+ Λ 2.63 × 10−10 Σ+ 0.8 × 10−10 Σ0 7, 4 × 10−20 Λ+γ n+π− Λ+π0 Σ− 1, 48 × 10−10 Ξ0 2, 9 × 10−10 O próton não é uma partícula estável. Idade do Universo: 1017s (∼ 15 bilhões de anos)

29. Qual é a caracter ıstica dos quarks, as novas part´ıculas elementares? Quarks Sabores Carga Elétrica (e) Massa×c2 2e 5M eV 10M eV 200M eV 1, 5GeV 4, 7GeV 170GeV u (up) + 3 1e d (down) − 3 1e s (strange) − 3 2e c (charm) + 3 1e b (bottom) − 3 2e t (top) + 3

30. Quarks: Qual a diferença entre Bárions e Mésons?

31. Como entendemos hoje a matéria? A escala atômica:

32. Como estudar partículas tão diminutas? Uma nova geração de Aceleradores de Altas Energias. CERN: Sede do CERN Vista aérea do CERN Corredor do LEP Detetor Delphi

33. Fermi Lab: Edf. principal Vista aérea do Fermi Lab ículas Corredor do anel Detetor de part

34. SCLAC: O entardecer no SLAC Vista aérea do SLAC Acelerador linear Esquema do acelerador linear

35. Ainda usamos placas de emulsão fotográfica para coletar as partículas após as colisões sub-atômicas? Certamente não... As colisões são reconstruídas por super-computadores: Detecção do W Chuveiro de glúons Colisão de prótons relativísticos Encontramos o Higgs?

36. As partículas elementares dehoje:

37. Começamos procurando todos os tijolos da Natureza, para descrever toda a matéria do Universo. Será que conseguimos encontrar todos os tijolos da Natureza?

38. Não sabemos!!!! A busca continua...

39. Bibliografia de Apoio: [1] Maria Cristina Batoni Abdalla; O Discreto Charme das Partículas Elementares, Editora da UNESP, 2006 (ISBN: 8571396418). [2] Juan Alberto Mignaco e Ronald C. Shellard; Quarks, Léptons, Glúons, γ, W, Z ...A Matéria Indivisível, Ciência Hoje, vol. 3, no 14 (Setembro/Outubro) (1984) pág. 42. [3] Abrindo o Coração da Matéria, Ciência Ilustrada, Novembro/Dezembro (1982) pág. 58. Sites interessantes a serem visitados: [1] http://www.aventuradasparticulas.ift.unesp.br [2] http://www.fnal.gov/pub/about/tour [3] http://ed.fnal.gov/projects/exhibits/searching [4] http://hands-on-cern.physto.se