O que é a matéria? João Torres IF - UFRJ.

Apresentação em tema: "O que é a matéria? João Torres IF - UFRJ."— Transcrição da apresentação:

1 O que é a matéria? João Torres IF - UFRJ

2 Universo 0.01 = 10-2 1000 = 103 Universo (observado) partículas
peixinho de aquário Everest átomos diâmetro da Via-Láctea baleias Terra - Sol 0.01 = 10-2 1000 = 103

3 Andrômeda

4 Estrelas explodindo SN1987A

5 Ciência fundamental Cosmologia Física de Partículas
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

6 De onde viemos? O que somos? Aonde vamos?
Paul Gauguin

7 O que é a matéria? modelo padrão
Qual a resposta da ciência contemporânea ? Como esta resposta é construída ? teoria fundamentos experim. introdução histórica tecnologia questões atuais sociologia modelo padrão

8 Por que estudar as partículas?

9 Porque procurar partículas é divertido e interessante...
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...

10 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

11 A tabela periódica Um átomo para cada tipo de elemento
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!

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13 Radiação Röntgen 1896 Descoberta dos raios X

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15 P. Curie, M. Curie, Bequerel
radiação P. Curie, M. Curie, Bequerel 1903 fonte amostra radioativa chumbo núcleos de hélio elétrons de descobertas interessantes a ferramentas fundamentais

16 Tubo de Crooks anodo campo elétrico catodo Fendas magnetos tela

17 O átomo moderno Tubo 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

18 Experimento de Rutherford
partículas numa folha fina de ouro deflexões pequenas

19 Experimento de Rutherford
"Foi como se um tiro de arma pesada fosse disparado numa folha de papel e a bala ricocheteasse!"

20 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)

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22 Núcleo atômico Chadwick: descoberta do nêutron
Núcleo: prótons e nêutrons Em 1932: toda a matéria é feita de átomos átomos: elétrons, prótons e nêutrons

23 Transmutação dos elementos
oxigênio (8p+9n) alfa (2p+2) nitrogênio (7p+7n)

24 Tecnologia nuclear lâmpada de 100 W queima de 1g de carvão: química:
1 minuto nuclear: fissão de 1g de carvão: minutos liberando energia acumulada nos elementos pesados pelas estrelas há bilhões de anos atrás...

25 Câmaras de Bolhas

26 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"

27 Antimatéria + Mecânica quântica + relatividade duas soluções
Dirac (1930) Anderson (1934) pósitron energia matéria antimatéria +

28 Antipróton

29 Zoológico de partículas
1960: centenas de novas partículas descobertas laboratório raios cósmicos propriedades bem definidas Como entender? decaimento

30 Modelo Padrão Toda a matéria é composta de partículas
elementares, os quarks e os léptons As partículas interagem trocando outras partículas

31 Primeira família u up d down elétron neutrino e u d próton nêutron u d

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

33 Partículas Elementares
Quarks u up d down elétron neutrino e c t charme top s b estranho beleza H Léptons tau higgs múon neutrino neutrino

34 ceticismo

35 Onde estavam os quarks? Experimentos de laboratório Raios cósmicos
Meteoritos Rochas do mar Quarks são objetos matemáticos que não possuem realidade física???

36 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???

37 Simetrias e Quarks 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

38 Ômega 1685 1530 1385 1236 3 2 1 ddd udd uud uuu dds uds uus dss uss sss -1 1 2

39 Ômega 31 de Janeiro de 1964 massa: MeV 31 autores

40 Modelo Padrão: Interações
Gravidade Forte Eletromagnética Fraca

41 Interações eletromagnética g forte Z w fraca fóton glúon bóson W
bóson Z Z fraca

42 Interações alcance (m) intensidade gravitacional infinito todas
quem sente gravitacional infinito todas eletromagnetica carregadas fraca quarks e léptons forte 1 quarks e glúons

43 Quarks: prisão perpétua

44 Vendo o invisível m luz m bactéria moléculas m
Comprimento de onda da luz determina o tamanho do objeto que pode ser visto luz m m bactéria moléculas m

45 Super microscópios

46 LEP a máquina mais complexa do mundo

47 Túnel encurvador rádio-freqüência focalizador

48 elétron (matéria) pósitron (antimatéria)

49 Opal opal

50 O que se mede diretamente
posições sucessivas das partículas (trajetórias) energia momentum carga

51 Esquema de um detetor magneto tracking calorimetro em.
calorimetro hadronico. câmaras de múons

52 Partículas nos sub-detetores
câmaras de múons tracking cal. em. cal. had. fótons

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54 Tecnologia associada Eletrônica rápida Engenharia mecânica
Engenharia elétrica Supercondutividade Alto vácuo Química de gases Baixas temperaturas

55 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

56 Sociologia Experimentos: de 100 - 500 físicos
Vários países, muitas instituições Meritocracia Consenso nos resultados científicos Competição X colaboração

57 Questões em aberto Muitos experimentos em andamento e planejados!
Higgs Matéria X Antimatéria Grande unificação Os quarks e os léptons tem subestrutura? Muitos experimentos em andamento e planejados!

58 Evolução do universo matéria big bang antimatéria
quantidade de matéria = quantidade de antimatéria big bang nosso universo: somente matéria

59 Gota d’água

60 Epigrama n.o 5 Cecília Meireles Viagem
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

61 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