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Posts Tagged ‘modelo padrão’

logo_if50anos_200pxCriado em 9 de março de 1959, em consequência de um movimento nacional em prol da ciência brasileira, o Instituto de Física da UFRGS comemora seu primeiro cinquentenário com uma extensa agenda de atividades ao longo de todo este ano de 2009.

O referido movimento tem início com a criação do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), em 1949. Dois anos depois é criado o Conselho Nacional de Pesquisa (CNPq), imediatamente seguido pela criação do Instituto de Matemática Pura e Aplicada (IMPA), em 1952. Em 1953 é criado o Centro de Pesquisas Físicas da UFRGS, que seis anos depois dá lugar aos Institutos de Física e de Matemática.

As propostas do movimento foram incorporadas no Plano de Metas proposto em 1956 por Juscelino Kubitschek, no âmbito do qual foi constituída a Comissão Supervisora do Plano dos Institutos (COSUPI), cujo resultado prático foi a criação dos seguintes Institutos:  Física e Matemática (UFRGS); Mecânica (UFPR); Genética (USP, Piracicaba); Economia Rural (UFRRJ); Química (UFBA); Minas e Metalúrgica (UFOP); Geologia (UFPE); Tecnologia Rural (UFCE).(Informações extraídas de http://www.mat.ufrgs.br/historico.html)

O andamento dos eventos comemorativos será apresentado no portal IF 50 anos, que também será utilizado para registrar fatos históricos pertinentes, extraídos do arquivo permanente do IF, ou de relatos pessoais de quem se dispuser a colaborar.

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No primeiro capítulo fiz uma discussão geral sobre o Modelo Padrão das partículas elementares. Coloquei basicamente o material que publiquei na coluna da Ciência Hoje Online, Para apreciar a festa do LHC , onde tive a oportunidade de mencionar algumas das partículas “elementares”. As aspas aqui representam o fato de que durante algum tempo se pensou que prótons, mésons e nêutrons fossem elementares. Como você viu no primeiro capítulo isso hoje não é mais assim.

Talvez seja interessante algum comentário introdutório sobre os processos de detecção de partículas elementares. Nossos sentidos não conseguem detectar a maioria das radiações produzidas na natureza. Podemos sentir a radiação eletromagnética na faixa acima do infravermelho, onde ela se manifesta sob a forma de calor, depois essa radiação torna-se visível até a faixa um pouco abaixo do ultravioleta. Portanto, radiação com energia do infravermelho para baixo e do ultravioleta para cima escapam aos nossos sentidos. Também temos limitações dimensionais. Na faixa do micrômetro (a milionésima parte do metro) para baixo é impossível vermos a olho nú.

A limitação dimensional é superada com o uso de diferentes tipos de microscópicos (ópticos, eletrônicos, iônicos, etc). As limitações, digamos, energéticas, são superadas por intermédio de interações com a matéria. É o produto dessa interação que nos indica a presença da radiação, e possibilita sua quantificação. Por exemplo, as ondas de rádio são percebidas depois que elas interagem com uma antena. O resultado da interação é processado e se transforma em áudio nos nossos aparelhos. Os raios-X foram inicialmente percebidos por causa da sua capacidade de sensibilizar um filme fotográfico. Depois foram desenvolvidos outros detectores, mais eficientes.

No capítulo sobre aceleradores e detectores de partículas discutiremos isso com mais detalhes.

Elétron

O elétron foi a primeira partícula elementar experimentalmente identificada. Sua descoberta foi conseqüência direta da linha de pesquisa que nos anos 1890 resultou na descoberta dos raios-X e da radioatividade. Sobre a descoberta dos raios-X, sugiro a leitura do artigo Raios X: Descoberta casual ou criterioso experimento?, que publiquei em 1995 na Ciência Hoje (vol. 19, n. 114, pp. 26-35). Sobre a descoberta da radioatividade existe um ótimo material produzido pelo prof. Roberto Martins, do IF-Unicamp.

Se desejar complementar a leitura do artigo do prof. Martins, sugiro as duas colunas que escrevi sobre Rutherford: O Indiana Jones do núcleo atômico e Uma história mal contada. Você também pode ver os slides da palestra que apresentei na SBPC 2008: Dos raios alfa à energia nuclear: caminhos percorridos por Rrutherford. Sobre a descoberta do elétron, sugiro o bom material disponível no portal da UFPEL.
Os eventos mencionados acima culminaram no modelo atômico proposto por Rutherford, em 1911. É aquele modelo no qual o átomo consiste de um núcleo, muito pequeno, onde concentra-se praticamente toda a massa atômica, em volta do qual giram os elétrons. Os experimentos com partículas alfa realizados por Geiger e Marsden, colaboradores de Rutherford, sugeriam este modelo, mas eles não sabiam, ou não tinham tempo para tratar a sua eletrodinâmica. Coube a Niels Bohr a tarefa de desvendar os mistérios deste modelo atômico.

Próton

Nos experimentos mencionados acima, partículas alfa com altas energias, provenientes de materiais radioativos, eram lançadas sobre folhas finas de diferentes materiais sólidos. O resultado mais conhecido foi obtido com ouro.

Em 1917, Rutherford inicia um caderno de laboratório, intitulado Range of High-Speed Atoms in Air and Other Gases. A idéia era investigar o alcance de partículas alfa em diferentes tipos de gases.

O próton foi descoberto, em 1919, quando Rutherford analisou os resultados obtidos com o nitrogênio. Ele observou que algo saia com poder de penetração superior ao da partícula alfa incidente. Esses resultados foram relatados no 4o. artigo da relação abaixo.

A primeira alternativa, de que o átomo de nitrogênio fosse “empurrado” pela partícula alfa e ganhasse energia não fazia sentido, pois o nitrogênio é muito mais pesado do a partícula alfa.

Este experimento possibilitou a Rutherford fazer duas importantes descobertas. Ele concluiu que o choque da partícula alfa com átomos de nitrogênio produzia átomos de hidrogênio, e que os átomos de nitrogênio desintegravam-se durante a colisão. No início ele pensou que o átomo de hidrogênio fazia parte do núcleo do nitrogênio, mas logo percebeu que se tratava de fato o núcleo do átomo de hidrogênio, que alguns depois recebeu o nome de próton.

Portanto, Rutherford descobriu de uma vez só, a desintegração artificial do núcleo e o próton. Também previu a existência do nêutron, mas não publicou essa conjectura, embora tenha apresentado na conferência Bakeriana que ele proferiu em 1920.

Nêutron

O experimento que abriu o caminho para a descoberta do nêutron foi realizado por Walther Bothe em 1930. Ele bombardeou átomos de berílio com partículas alfa e detectou uma radiação que ele interpretou como radiação gama altamente energética.

Isso despertou o interesse do casal Frédéric Joliot e Irène Curie, que pensou utilizar a radiação para produzir transmutação. Repetiram o experimento de Bothe e fizeram com que a radiação incidisse sobre um bloco de parafina, o que significa dizer essencialmente sobre um material contendo carbono e hidrogênio.

O casal Joliot-Curie detectou prótons com energia de aproximadamente 5 MeV (milhões de elétron-volts). Pela conservação de energia e quantidade de movimento, a radiação gama deveria ter uma energia da ordem de 50 MeV, algo impossível. Quando Chadwick comentou com Rutherford sobre o resultado do casal francês, o velho professor disse: não acredito que eles tenham observado uma radiação gama no experimento de Bothe. Aquilo deve ser a partícula neutra que previ em 1920. Chadwick repetiu o experimento e descobriu o nêutro.

Como diria o Anonymous Gourmet: voltaremos!

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Desde os tempos mais remotos, o homem persegue a idéia do átomo, aquilo que seria o constituinte indivisível da matéria. No entanto, o primeiro modelo atômico baseado em evidências experimentais só foi elaborado a partir de 1911, pelo neozelandês Ernest Rutherford (1871-1937) e seus colaboradores . Com a descoberta do próton , em 1919, e do nêutron, em 1932, o modelo de Rutherford chegou ao formato em que ainda é largamente ensinado em nossas escolas.

Rutherford (à direita) e Hans Geiger ao lado do equipamento com o qual realizaram os famosos espalhamentos de partículas alfa, cujos resultados originaram o modelo atômico que ficou conhecido como modelo de Bohr.
Um dos grandes desafios enfrentados pelos físicos nos anos 1920 e 1930 era a explicação do fenômeno conhecido como decaimento beta, no qual um nêutron transforma-se em um próton e um elétron, que é expelido pelo núcleo e identificado como radiação beta. Sempre que esse fenômeno era observado, o elétron apresentava diferentes valores de energia, o que era incompatível com a conservação de energia e da quantidade de movimento prevista em teoria.
A coisa era tão esquisita que o próprio Niels Bohr (1885-1962) pensou que essas sagradas leis não deveriam valer para os fenômenos nucleares. Numa atitude desesperada, o austríaco Wolfgang Pauli (1900-1958) propôs, em 1930, a existência de uma partícula sem carga elétrica e com massa semelhante à do elétron.
Essa partícula seria a responsável pela conservação de energia e quantidade de movimento no decaimento beta. Em 1933, o italiano Enrico Fermi (1901-1954) a denominou neutrino (pequeno nêutron, em italiano). Ela foi a primeira partícula elementar resultante de uma previsão teórica. Porém, por ser neutra e muito leve, passou 26 anos escapando dos detectores inventados pelo homem.

A foto acima é a evidência da primeira observação de um neutrino em uma câmara de bolhas, em experimento realizado nos Estados Unidos em 1970. Um neutrino atinge um próton, resultando três traços de partículas (à direita). O traço mais longo é de um múon, o mais curto é do próton, e o terceiro é do méson pi, criado durante a colisão (foto: Laboratório Nacional de Argonne).

Energia negativa e antimatéria

À margem dos estudos nucleares, o britânico Paul Dirac (1902-1984) tentava, entre 1928 e 1930, explicar o comportamento do elétron em termos da relatividade e da teoria quântica. Seus estudos resultaram naquilo que hoje conhecemos como equação de Dirac. Na época , ela causou perplexidade porque previa a existência de um elétron com carga positiva e energia negativa.

A interpretação da energia negativa é muito complicada para ser tratada aqui, mas o fato relevante é que esse resultado deu origem ao conceito de antimatéria. A implicação disso é que, além do elétron, deveria existir um antielétron. A teoria de Dirac também previa que partícula e antipartícula deveriam se aniquilar se colocadas suficientemente próximas.

Mais impressionante do que essas previsões, foi a confirmação experimental da existência da antimatéria, obtida pelo americano Carl David Anderson (1905-1991) em 1932, com a descoberta do pósitron – o antielétron postulado por Dirac –, utilizando raios cósmicos. O impacto de tudo isso pode ser avaliado pela rapidez com que eles ganharam o Nobel de Física: Dirac em 1933 e Anderson três anos depois. Um ano após seu prêmio, Anderson descobriu o múon, uma partícula 200 vezes mais pesada que o elétron, e que na época se imaginava ser uma espécie de méson, partícula prevista pelo japonês Hideki Yukawa (1907-1981).

As curvas helicoidais no interior do retângulo vermelho, uma para a esquerda e outra para direita são traços de um elétron e um pósitron, criados por um fóton com energia superior a 1,022 MeV.

No final dos anos 1940, acreditava-se que as partículas elementares eram elétron, próton, nêutron, neutrino, múon e méson pi. A edição de dezembro de 1949 da Physical Review publicou um artigo em que Fermi e o sino-americano Chen Ning Yang (1922-) questionam o status de “elementar” para muitas das partículas até então descobertas. Para ser “elementar”, a partícula não pode ter qualquer estrutura interna : t em que ser algo como um ponto material.

Para Fermi e Yang, algumas dessas partículas, sobretudo os mésons, poderiam ser compostas de um núcleon (próton ou nêutron) e sua antipartícula. O pequeno artigo , de cinco páginas, conceitualmente elegante e ousado – o antipróton e o antinêutron só seriam descobertos seis anos depois – , deu início a uma corrida desenfreada na busca de teorias para explicar a composição das partículas recém descobertas.

Surge o quark

O resultado mais frutífero foi o modelo de quark, e deste para o modelo padrão foi um salto. Embora a denominação quark tenha sido inventada pelo americano Murray Gell-Mann (1929-), o modelo foi elaborado simultaneamente por ele e pelo russo George Zweig (1937-). De acordo com esse modelo, o próton e o nêutron são compostos por três quarks, enquanto os mésons são compostos por um quark e um antiquark . Na ilustração ao lado, temos o próton (uud) e o nêutron (udd)

Um aspecto desagradável na história da física de partículas, sobretudo para o leigo, é a sucessão de novos termos para denominar novas partículas e novos tipos de interação, formando um cenário geralmente confuso e não intuitivo. Felizmente, com o advento do modelo padrão , este cenário foi consolidado com uma estrutura mais palatável.

Hoje podemos dizer que a física de partículas é suportada por um tripé: léptons (elétron, múon, tau e seus respectivos neutrinos), quarks (Up, Charme, Superior, Down, Estranho, Inferior) , e portadores de força , ou propagadores de interação (fóton, glúon, bósons W + , W – e Z). Os quarks formam partículas compostas denominadas hádron. Existe perto de uma centena de hádrons, divididos em duas famílias: os mésons (quark + antiquark) e o bárions (3 quarks). O próton e o nêutron são os membros mais famosos da família bariônica. Portanto, de acordo com o modelo padrão , só temos 17 partículas elementares: 6 léptons, 6 quarks e 5 portadores de força.

Sobre essas partículas (elementares e compostas) agem três tipos de forças, ou três tipos de interações. A interação eletromagnética, que atua em todas as partículas, desde que possuam carga elétrica, e tem alcance infinito; a interação fraca, que age sobre léptons e hádrons, desde que estejam a uma distância da ordem do raio do núcleo; e a interação forte, também conhecida como força nuclear, que age unicamente sobre os quarks e hádrons, e tem alcance similar à interação fraca.

Prótons e nêutrons interagem por intermédio da força nuclear para manter o núcleo. Por outro lado, os quarks no interior do próton interagem para que este permaneça estável. Essas interações propagam-se pela ação do fóton (força eletromagnética), dos bósons (força fraca) e dos glúons (força forte).

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A avalanche de notícias que tomou conta de jornais e revistas do mundo inteiro sobre a entrada em operação do Grande Colisor de Hádrons (LHC: Large Hadron Collider) determinou o tema da minha coluna de setembro na Ciência Hoje Online .

Para termos uma boa visão da física que está por trás desse fantástico empreendimento é necessário um espaço bem maior do que aquele definido na CH Online. Portanto, usarei o blog para complementar a matéria da CH Online.

Sumário
  1. O modelo padrão
  2. Descoberta de algumas partículas “elementares”
  3. O bóson de Higgs e a quebra de simetria
  4. Aceleradores e detectores de partículas
  5. O LHC
  6. O detector ALICE
  7. O detector ATLAS
  8. O detector CMS
  9. O detector LHCb
  10. O LHC vai destruir a terra?
  11. BibliografiaEstou comprometido com a redação de um artigo e de uma palestra para este mês de outubro, razão pela qual interromperei a produção deste material sobre as partículas elementares.

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