O que é a matéria? João Torres IF - UFRJ

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

Andrômeda

Estrelas explodindo SN1987A

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

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

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

Por que estudar as partículas?

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...

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 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!

Radiação Röntgen 1896 Descoberta dos raios X

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

Tubo de Crooks anodo campo elétrico catodo Fendas magnetos tela

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

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 oxigênio (8p+9n) alfa (2p+2) nitrogênio (7p+7n)

Tecnologia nuclear lâmpada de 100 W queima de 1g de carvão: química: 1 minuto nuclear: 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 + Mecânica quântica + relatividade duas soluções Dirac (1930) Anderson (1934) pósitron energia matéria antimatéria +

Antipróton

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

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

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

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

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

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

Ômega 31 de Janeiro de 1964 massa: MeV 31 autores

Modelo Padrão: Interações Gravidade Forte Eletromagnética Fraca

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

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

Quarks: prisão perpétua

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

Super microscópios

LEP a máquina mais complexa do mundo

Túnel encurvador rádio-freqüência 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 câmaras de múons tracking cal. em. cal. had. fótons

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 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!

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

Gota d’água

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

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