Http://www.cdcc.sc.usp.br/cda.

Apresentação em tema: "Http://www.cdcc.sc.usp.br/cda."— Transcrição da apresentação:

1

2 Leonardo Pratavieira Déo

3 Por que Existimos?

4 Porque somos feitos de matéria.

5

6 O Universo contém muita matéria...
O Universo tem muita matéria. As pessoas, os lugares que estamos acostumados a ir, nosso planeta, o Sistema Solar, a Via Láctea, e todas as outras galáxias existentes por ai fazem parte do Universo e são constituídas por matéria.

7 O Universo contém muita matéria...
Afirmação aparentemente óbvia. Por que a matéria simplesmente existe? Por que o Universo não é um mar de radiação? Afirmar que o Universo contém muita matéria parece ser uma afirmação aparentemente óbvia, porém disfarça um dos mais profundos mistérios cósmicos: por que a matéria simplesmente existe? Por que o Universo não é um mar de radiação? Em física, radiação é a propagação da energia por meio de partículas ou ondas. Todos os corpos emitem radiação, basta estarem a uma determinada temperatura.

8 Os cosmólogos consideram que o Universo, logo após o Big Bang, estava tão cheio de energia que as partículas subatômicas, e suas contrapartículas de antimatéria existiram por um breve período.

9 Tabela Periódica dos Elementos
Tabela periódica dos elementos químicos é a disposição sistemática dos elementos, na forma de uma tabela, em função de suas propriedades. É muito útil para se preverem as características e tendências dos átomos. Permite, por exemplo, prever o comportamento de átomos e das moléculas deles formadas, ou entender porque certos átomos são extremamente reativos enquanto outros são praticamente inertes etc. Permite prever propriedades como eletronegatividade, raio iônico, energia de ionização etc.. Dá, enfim, fazer inferências químicas plausíveis.

10 Matéria - Partículas Subatômicas
O átomo é a menor partícula que ainda caracteriza um elemento químico. É constituído basicamente por duas regiões, o núcleo e a eletrosfera. O núcleo é constituído por prótons que são partículas de carga positiva, cuja massa é aproximadamente vezes superior à massa do elétron, e por nêutrons, partículas sem carga e com massa ligeiramente superior à dos prótons. Na eletrosfera, região mais externa do átomo, encontram-se os elétrons. Os elétrons possuem carga negativa, massa muito pequena e se movem em órbitas ao redor do núcleo atômico. Os elétrons são considerados partículas elementares, ou seja, não é possível dividi-los em partículas menores. Já os prótons e nêutrons, também conhecidos como hádrons ou nucleons, não são partículas elementares, pois são compostos de partículas menores conhecidas como quarks. Existem dois tipos, ou sabores, de quarks responsáveis em construir a matéria comum. O próton é constituído de dois quarks u e um quark d e o nêutron é feito de um quark u e dois quarks d.

11 O Átomo e Seus Componentes
30 X 1 cm Esta figura está bastante distorcida. Se fossemos desenhar o átomo em escala e fizéssemos os prótons e nêutrons com um centímetro de diâmetro, então os elétrons e quarks deveriam ter um diâmetro menor do que o de um fio de cabelo e o diâmetro do átomo inteiro deveria ser maior que o comprimento de trinta campos de futebol! 99, % do volume de um átomo é apenas espaço vazio! 

12 Matéria Em física, matéria é qualquer coisa que possui massa, ocupa espaço e está sujeita a inércia. A matéria é aquilo que existe, aquilo que forma as coisas e que pode ser observado como tal; é sempre constituída de partículas elementares com massa não-nula como os quarks e léptons. Os férmions são partículas elementares que estão associadas com a matéria. Recebem esse nome, pois foram nomeadas por Enrico Fermi. Existem dois tipos de férmions elementares: os quarks e os léptons. Um quark interage fortemente com outro quark através de uma outra partícula elementar denominada glúon. Na natureza os quarks nunca foram encontrados isolados. Eles sempre estão juntos compondo os hádrons. O lépton mais conhecido é o elétron. Os léptons não interagem fortemente, ao contrário dos quarks. Além do elétron, os outros lépton conhecidos são o múon, e o taú. Para cada lépton existe um neutrino correspondente associado. Os neutrinos também são denominados como léptons. Os únicos léptons encontrados na natureza são o elétron e seu neutrino correspondente denominado elétron neutrino. Em física das partículas, uma geração é uma divisão das partículas elementares. As gerações de partículas diferem apenas entre suas massas. Existem três gerações de acordo com o Modelo Padrão. As partículas da terceira e segunda gerações são instáveis e em frações de segundo originam outras gerações de menor ordem. As partículas dessas duas gerações para se manterem estáveis necessitam de muita energia. As partículas da terceira geração geram as partículas da segunda geração e estas, por sua vez, geram as partículas da primeira geração. Toda matéria que conhecemos é composta pelas partículas da primeira geração. As partículas da terceira geração são mais massivas que as da segunda, e estas por sua vez são mais massivas que as da primeira.

13 Antimatéria - Contrapartículas
Antipartículas são genericamente partículas elementares que constituem a chamada antimatéria. As antipartículas são simétricas às partículas elementares da matéria, tendo a mesma massa que aquelas. As cargas elétricas das partículas e antipartículas e seus momentos angulares têm os mesmos valores absolutos que suas correspondentes simétricas. No entanto, os campos (sinais) são contrários.

14 Hidrogênio Versus Anti-Hidrogênio
Dois quarks up e um quark down, juntos, formam um próton. Um elétron em órbita deste próton forma um átomo de hidrogênio. Para fazer um anti-hidrogênio, os cientistas combinam dois antiquaks up, um antiquark down e um pósitron em sua órbita.

15 O Big - Bang Desde o tempo de Planck, segundos, até cerca de ou seg, a energia do Universo está dominada pela radiação. Formação dos quarks: como existem mais quarks do que antiquarks no Universo, a destruição de matéria-antimatéria deixa mais quarks do que antiquarks (10-11 seg) Transição eletro-fraca: quebra espontânea de simetria formando os bósons massivos que transmitem a força fraca: W+, W-,Z. Abaixo destas energias a força fraca só age a distâncias menores que cm, mil vezes menor que o tamnho de um núcleo (10-10 seg) Confinamento dos quarks em mésons e prótons e nêutrons: transição quarks-hádron - QCD Cromodinâmica Quântica(10-5 seg) Formação prótons e nêutrons. Como os nêutrons decaem espontaneamente em prótons, mas os prótons não decaem, o Universo ficou com 7 prótons para cada nêutrons (1 seg) Nucleosíntese: formação de hidrogênio e hélio. A força forte que atrai os prótons e nêutrons só é efetiva para distâncias da ordem de cm. (100 seg) Matéria passa a dominar: com o esfriamento do Universo,a densidade de energia em forma de matéria passa a ser maior do que a densidade em forma de radiação ( anos) Formação de átomos. O Universo é agora frio o suficiente para que os elétrons fiquem ligados aos núcleos, formando hidrogênio, hélio e lítio (t= anos, T=3000 K) Formação de estrelas e galáxias (1 bilhão de anos) C e outros átomos começam a ser formados nas estrelas e ejetados ao meio interestelar através de supernovas (1,1 bilhão de anos)

16 O Big - Bang

17 Equivalência entre Matéria e Anti-matéria
Espectro Eletromagnético Espectro eletromagnético é o intervalo completo da radiação eletromagnética, que contém desde as ondas de rádio, as microondas, o infravermelho, a luz visível, os raios ultravioleta, os raios X, até a radiação gama.

18 Equivalência entre Matéria e Anti-matéria
Quando uma partícula de matéria, como um elétron, colide com sua antipartícula (pósitron), há uma aniquilação com liberação de radiação. Mas o Cosmos primordial era tão denso que os pares de partículas de matéria e antimatéria estavam tão junto que elas teriam se aniquilado rápida e mutuamente, deixando apenas radiação. A equivalência entre matéria e energia significa que cada uma delas pode assumir a identidade da outra. A colisão de elétrons com pósitrons produz um par de raios gama. Da mesma forma a colisão entre fótons de raios gama pode produzir elétrons e pósitrons.

19 1905 - Equivalência Massa-Energia
A equivalência massa-energia é o conceito de que qualquer massa possui uma energia associada e vice-versa. Essa relação é expressa pela fórmula de equivalência massa-energia: E = mc2, onde E = energia, m = massa e c = a velocidade da luz no vácuo. Esta fórmula é atribuída a Albert Einstein, que a publicou em 1905 no artigo “A Inércia de Um Corpo Depende de Sua Energia?”. Albert Einstein

20 Se no começo existiu matéria e anti-matéria, por que somo feitos de matéria?

21 Predomínio da Matéria sobre a Antimatéria
Os cientistas pensam que deve ter havido um leve predomínio da matéria sobre a antimatéria. Os físicos têm investigado a grandeza dessa falta de proporção entre matéria e anti-matéria. Para cada bilhão de antipartículas teria sido necessária a existência de um bilhão mais uma partícula de matéria. Tudo o que existe hoje no Universo, inclusive nós mesmos, deve sua existência a esse excesso aparentemente insignificante de matéria. 1 bilhão de partículas + 1 bilhão de anti-partículas 1 partícula

22 Como surgiu o excesso de matéria?
Essa é uma das questões mais fundamentais e misteriosas da física de partículas. O Modelo Padrão da física de partículas é notavelmente bem-sucedido para explicar o mundo ao nosso redor em termos de apenas doze partículas fundamentais e mais seus “duplos” de antimatéria. Inúmeros experimentos têm confirmado as previsões do modelo com incrível precisão. Por outro lado, a incapacidade do modelo padrão de explicar por que o Universo favoreceu, de forma tão declarada, a matéria em vez da antimatéria tem permanecido como uma desconfortável pedra no sapato. O Modelo Padrão, explica o que é o mundo e o que o mantém unido. É uma teoria simples e compreensível que explica todas as centenas de partículas e interações complexas com apenas: 6 quarks.  6 léptons. O lépton mais conhecido é o elétron. O universo que conhecemos existe porque as partículas fundamentais interagem. Essas interações incluem forças atrativas e repulsivas, decaimento e aniquilação. Existem quatro interações fundamentais entre as partículas, e todas as forças no mundo podem ser atribuídas a essas quatro interações! É isso aí: qualquer força que você possa pensar -- atrito, magnetismo, gravidade, decaimento nuclear, e assim por diante-- é causada por uma dessas quatro interações fundamentais.

23 Pode ser que essa assimetria realmente aponte para algo que está além do modelo padrão.
É por isso que os físicos de partículas estão bastante interessados nesse problema.

24 Mas como se sabe da existência da antimatéria?
O Observatório Compton encontrou uma vasta região perto do centro da Galáxia emitindo radiação gama característica do processo de aniquilamento entre matéria e antimatéria. A antimatéria é criada pelos raios gama, emitidos por estrelas destruídas pelos buracos negros. O Observatório de raios Gama Compton foi o segundo telescópio do grupo dos Grandes Observatórios Espaciais da NASA, destinado a estudar principalmente, as radiações gama dos corpos celestes. Foi lançado a bordo do ônibus espacial Atlantis, missão STS-37, em 5 de abril de Devido a problemas com os seus giroscópios, a NASA decidiu fazê-lo reentrar com segurança na atmosfera da Terra, em 4 de junho de 2000. Observatório Compton

25 Diferentes visualizações da Via Láctea
A primeira imagem é uma fotografia panorâmica de 360° de toda a galáxia, vista do Sistema Solar. Já a segunda imagem é uma concepção artística de nossa galáxia vista por um observador fora do plano galáctico.

26 Nuvem e jato de gás estelar e antimatéria
O Observatório Compton revelou raios gama produzidos pela aniquilação de matéria e antimatéria no coração do Via Láctea. O centro da Galáxia, local que abriga um buraco negro, emite raios gama durante o processo no qual as estrelas são aceleradas na direção do buraco negro. Os raios gama quando colidirem gera antimatéria. A nuvem de gás estelar e antimatéria que cerca o centro de nossa galáxia possui 4 mil anos-luz de extensão no plano da nossa Galáxia. O que mais chama a atenção é que existe um jato de gás estelar e antimatéria de 3500 anos-luz de comprimento sendo direcionado pelo campo magnético da galáxia para fora do plano galáctico. nuvem de gás estelar e antimatéria 4 mil anos-luz jato de gás estelar e antimatéria de 3500 anos-luz de comprimento

27 Mas quem descobriu a antimatéria?
Combinação da relatividade especial com a teoria da mecânica quântica. Sua equação implicava que, para cada partícula, havia uma correspondente antipartícula. Em 1928 o físico britânico Paul Dirac combinou a relatividade especial e a então recém-desenvolvida teoria da mecânica quântica numa equação matemática que descrevia o comportamento de um elétron. Sua equação implicava que, para cada partícula, havia uma correspondente antipartícula, uma espécie de imagem especular tendo a mesma massa, mas propriedades opostas em todos os outros aspectos tais como spin ou carga elétrica. Paul Dirac

28 Detecta pósitrons de chuveiros de raios cósmicos em experimentos com câmara de nuvem.
Notou um rastro deixado por “algo com carga elétrica positiva e com mesma massa de um elétron.” Raios Cósmicos são partículas extremamente penetrantes, dotadas de alta energia, que se deslocam a velocidades próximas a da luz no espaço sideral. Portanto, “raios” cósmicos não são raios, mas partículas de átomos. Essas partículas ao penetrarem na Terra, colidirem com os núcleos dos átomos da atmosfera, cerca de 10 mil metros acima da superfície do planeta, e dão origem a outras partículas, formando uma “chuva” de partículas com menos energia, os chamados “raios” cósmicos secundários. 1932 – Carl Anderson

29 A primeira imagem ilustra alguns raios cósmicos primários penetrando na atmosfera terrestre. Um único raio cósmico gera uma reação em cadeia e esta por sua vez gera milhões de partículas durante sua passagem na atmosfera. A segunda imagem mostra a descoberta do Pósitron numa câmara de Wilson. A câmara de Wilson é usada para detectar partículas através da ionização. Consiste num ambiente lacrado que contém vapor d’água super saturado e super resfriado. Ao se bombardear o seu interior com partículas altamente energéticas, estas ionizam o gás presente na câmara. Este método de detecção consiste em registrar o momento em que uma partícula altamente energética interage com o vapor ionizando-o. As altas energias das partículas criam um rastro à sua passagem pelo fato de estarem carregadas. Estes têm formas distintas (por exemplo, o rastro de uma partícula alfa é largo e direto, enquanto o elétron, mais estreito, propicia uma trajetória  com maior evidência de desvio).

30 1965 – Anti-próton e Anti-nêutron
Emilio Segrè e Owen Chamberlain descobrem os antiprótons usando o Bevatron da Universidade da Califórnia em Berkeley. Emilio Segrè e Owen Chamberlain

31 Bevatron da Universidade da Califórnia em Berkeley
O Bevatron foi um acelerador de partículas em Berkeley, Califórnia e começou operar em O antipróton foi descoberto em 1995 por Emilio Segrè e Owen Chamberlain. Este acelerador de particular foi desativado em 1993.

32 Simulação de como ocorre colisões entre partículas nos aceleradores.

33 1995 – 30 anos mais tarde – os cientistas conseguiram produzir os primeiros anti-átomos.
Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (CERN), em Genebra, Suíça. Anel de Anti-prótons de Baixa Energia. Cerca de 15 horas. 9 anti-átomos de anti-hidrogênio. O experimento foi feito no Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (CERN), em Genebra, Suíça, usando uma máquina chamada Anel de Antiprótons de Baixa Energia (LEAR). Por um total de cerca de 15 horas, os físicos do CERN fizeram com que um jato de átomos de xenônio cruzasse o feixe de antiprótons do LEAR (veja a ilustração).

34 Anel de Antiprótons de Baixa Energia
Os anti-átomos só existiram por poucos bilionésimos de segundo. Ocasionalmente, colisões entre anti-prótons e prótons nos núcleos de xenônio faziam com que parte da energia dos anti-prótons fosse convertida em pares de elétrons e pósitrons. Muito raramente, um desses pósitrons se movimentava na mesma direção que o feixe de antiprótons e com aproximadamente a mesma velocidade. Então, a captura do pósitron por um anti-próton levava à formação de anti-hidrogênio. Foram formados nove anti-átomos de anti-hidrogênio. Os anti-átomos de anti-hidrogênio, nesse experimento só existiram por cerca de 30 nanossegundos por serem extremamente instáveis. A instabilidade da anti-matéria acontece pois se transforma em radiação ao entrar em contacto com qualquer coisa, inclusive o ar.

35 2002 - experimento ATHENA - CERN
Produziu 50 mil anti-átomos de anti-hidrogênio. Os anti-átomos de anti-hidrogênio produzidos duraram mais, na casa dos milissegundos. Em 2002 o experimento ATHENA no CERN produz 50 mil anti-átomos frios de anti-hidrogênio.

36 Os cientistas estão trabalhando para, no futuro, aprisionar os anti-hidrogênios em armadilhas magnéticas nas quais devem durar horas. O anti-hidrogênio produzido deve permitir novas observações, que podem colocar em xeque o Modelo Padrão, até hoje a melhor descrição física das partículas elementares e suas interações. Os cientistas acreditam que a explicação da natureza não se comportar de forma simétrica, pois existe o predomínio de matéria com relação à anti-matéria, pode começar nos níveis subatômicos.

37 Simetria X Quebra da Simetria
Na natureza tudo parece ser simétrico, por exemplo, o rosto humano é simétrico: o lado esquerdo parece uma imagem no espelho do lado direito. Um floco de neve tem uma simetria sextavada: gire-o um sexto de círculo e ele parecerá o mesmo.

38 A simetria é importante na natureza, mas a quebra da simetria também.
A simetria é importante na natureza, mas a quebra da simetria também. Nós devemos nossa existência à quebra de simetria entre matéria e anti-matéria que ocorreu nos instantes que se seguiram ao “Big Bang”.

39 Os cientistas por muito tempo acreditaram que a natureza não deveria discriminar entre a direita e a esquerda, para cima e para baixo, para frente ou para trás, por exemplo. Nesses aspectos da realidade, a natureza deveria ser simétrica. No nível fundamental de prótons e elétrons, os cientistas esperavam que a simetria fosse a norma. A simetria deveria regular as interações microscópicas entre as partículas. Os cientistas por muito tempo acreditaram que a natureza não deveria discriminar entre a direita e a esquerda, para cima e para baixo, para frente ou para trás, por exemplo. Nesses aspectos da realidade, a natureza deveria ser simétrica. No nível fundamental de prótons e elétrons, os cientistas esperavam que a simetria fosse a norma.

40 Um múon ao decair, emite um elétron para a direita, então o antí-múon deveria emitir o elétron para a esquerda.

41 Na prática, vez por outra, o anti-múon decai lançando um elétron para a direita.

42 Os cientistas acreditam que a explicação da natureza não se comportar de forma simétrica, pois existe o predomínio de matéria com relação à anti-matéria, pode começar nos níveis subatômicos.

43 Grande Colisor de Hádrons - LHC
Um dos principais objetivos do LHC é tentar explicar a origem da massa das partículas elementares e encontrar outras dimensões do espaço, entre outras coisas. Uma dessas experiências envolve a partícula bóson de Higgs. Caso a teoria dos campos de Higgs estiver correta, ela será descoberta pelo LHC. Procura-se também a existência da super simetria. Experiências que investigam a massa e a fraqueza da gravidade serão um equipamento toroidal do LHC e CMS ("Solenóide de múon compacto"). Elas irão envolver aproximadamente 2 mil físicos de 35 países e dois laboratórios autónomos — o JINR (Joint Institute for Nuclear Research) e o CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). As experiências por meio do LHC devem permitir descobrir várias partículas dotadas de todas as cargas de energia e exercendo as mesmas interações que as partículas do Modelo Padrão conhecidas. Fronteira da França com a Suíça - CERN - Organização Europeia para Investigação Nuclear 27 quilômetros de circunferência Entrou em funcionamento em 10 de Setembro de 2008 6 bilhões de dólares – 30 anos

44 Como a natureza não se comporta de forma simétrica, isso implicou no Universo ser feito de matéria e não de antimatéria. Uma das questões que o LCH, o maior acelerador de partículas do mundo, pretende ajudar a responder é justamente entender essa falta de simetria.

45 Por que Existimos?

46 Referências Revista: Astronomy Brasil – O Jogo de Espelho Entre Matéria e Anti-matéria – Dezembro de 2006.

47 Sites: - apresentação “De que somos feitos?” – acesso em 22/10/08 – acesso em 22/10/08 - acesso em 30/10/08

48 http://en.wikipedia.org/wiki/Gamma-ray_Large_Area_Space_Telescope - acesso em 31/10/08

49 http://en.wikipedia.org/wiki/Bevatron - acesso em 04/11/08

50 http://cienciahoje.uol.com.br/115036 - acesso em 05/11/08

51 FIM

52 Contato: