Física de partículas

Universidade Federal do Rio GrandeInstituto de Matemática, Estatística e Física

Kauê Bandeira ; Cesar KrumreichProf. Dr. Luiz Fernando Mackedanz

Entre 1895 e 1897 foram feitas 3 descobertasexperimentais que teriam grandes implicações ao longode todo século XX:

A descoberta dos Raios X por Röntgen.A descoberta da radioatividade natural por Becquerel.A descoberta do elétron por Thomson.

As duas primeiras foram por acaso.

Como Thomson chegou a conclusão de que os elétrons são os constituintes universais da matéria?

Pois, independente do material colocado no catododos raios catódicos, a razão carga/massa era sempre amesma!

Mas de onde se originam os Raios-X?

Os Raios-X provém da transição de elétrons em órbitas muito elevadas.

Vamos pensar um pouco...

Sabemos que quando um elétron passa da terceira órbita para a segundaele emite um fóton com comprimento de onda correspondente a cor vermelha.Se ele passa da quarta orbita para a segunda ele emite um fóton comcomprimento de onda da cor verde. O que está acontecendo com ocomprimento de onda? Para que o átomo emita um fóton com comprimento deonda da ordem do Raio-X o que é necessário que ocorra com o elétron?

A descoberta de Thomson e outras experiências posteriores,mostraram que os portadores da eletricidade negativa sãoconstituintes universais da matéria, eis que surge a primeirapartícula elementar: o elétron.

Nos anos seguintes, ficou claro que os raios-X são ondaseletromagnéticas de grande energia e que a radioatividade era umfenômeno nuclear.

Então, até o começo dos anos 30 se imaginava que todos osfenômenos naturais tinham origem em apenas duas forçasfundamentais: a gravitação e a eletromagnética.

Campos Clássicos

Campo gravitacional

Massa

Campo eletromagnético

Carga

Por que tantas coisas neste mundo compartilham as mesmas características?

As pessoas concluíram que a matéria que compõe o mundo é naverdade um conglomerado de alguns blocos fundamentais de construçãoda natureza. A palavra "fundamental" é a chave aqui. Entendemos porblocos fundamentais de construção objetos que são simples e semestrutura - não são constituídos por nada menor. Mesmo naAntigüidade, as pessoas procuravam organizar o mundo ao seu redor emelementos fundamentais, como terra, ar, fogo e água

Hoje nós sabemos que há algo mais fundamental que terra, água, ar e fogo...

O Átomo!

Ora, mas qual é a estrutura de um átomo?

Sabemos que o núcleo atômico é formado por prótons e nêutrons, será que eles são as partículas fundamentais?

Os prótons e nêutrons, não são fundamentais. Eles são formados pelos quarks!

Próton Nêutron

Ora, mas se existem vários prótons e nêutrons dentro doNúcleo, de urânio, por exemplo. Como que essas partículasconseguem ficar a distâncias tão pequenas umas das outras? E arepulsão Coulombiana, onde fica nessa história?

Força de Repulsão Eletrostática

Força de Repulsão Eletrostática

Ora, mas seesses prótons enêutrons estão dentrodo núcleo atômico, oque os mantém presoslá dentro? Algumaoutra força?

Foi em 1935 que um Físico chamado Hideki Yukawa percebe anecessidade de implementação de mais uma força, no modelo dadescrição da natureza. Eis que surge a Força Nuclear.

Agora, podemos concluir que essa Força Forte é muito, mas muito,maior do que a Força Elétrica (que faz objetos com cargas iguais serepelirem).

Força Nuclear

Conclusão: A Força Forte surgiu para explicar como os nucleons(nome genérico dado aos constituintes do núcleo) estão ligados dentrodo núcleo e a Força Fraca surgiu para explicar a estabilidade atômica.Portanto:

Agora temos quatro forças fundamentais na natureza:

Mas onde será que essas forças atuam?

Agora vamos definir alguns conceitos, antes de prosseguir com nosso raciocínio.

O que são Hádrons? Hádrons são partículas, que possuem uma estruturainterna. Ou seja, são formadas por partículas ainda menores. Exemplos:Prótons e Nêutrons.

O que são os nucleons? Nucleons são as partículas que se encontramdentro do núcleo atômico. Exemplo: Prótons e Nêutrons.

O que são os Léptons? São as partículas que não possuem estruturainterna. O mais conhecido é o elétron.

Será que Hádrons e Nucleons são a mesma coisa? Não necessariamente. Todo Nucleon é um Hádron, mas nem todo Hádron é um Nucleon.

Todas as coisas que existem na natureza são formadas por Léptons e Quarks.

Mas o que é esse tal de modelo Padrão?

O Modelo Padrão é uma teoria que explica as partículas e asforças fundamentais. Explica do que o mundo é feito e o que omantém unido. Contudo, ainda existem muitas questões a seremrespondidas.

• Primeiramente precisamos dos quarks

• Agora que temos os ingredientes, precisamos do tempero. Precisaremos de uma pouco de Força forte para manter esses quarks ligados dentro do núcleo.

• Bom, agora que já tenho o Nucleon se eu quiser montar um átomo, só preciso de um elétron. Ora, mas um átomo com um próton e um elétron, não é o átomo de Hidrogênio?

Elétron

Próton

Os físicos constantementeprocuram novas partículas.Quando as encontram, eles asclassificam e tentam acharpadrões universais que dizemsobre como os blocosfundamentais de construçãodo universo interagem.

Para investigar a estrutura das partículas, precisamos recorrer aos aceleradores de partículas.

Mas o que esses tais de aceleradores fazem? Osaceleradores de partículas, aceleram partículas fazendo com queelas viajem dentro do acelerador até colidirem com o alvo.

Interessante, mas e daí? O que essa colisão me fornece?Lembram lá do experimento de Rutherford, quando elebombardeou o átomo com partículas alfa? Nos acelerados oprocesso que ocorre é similar a este, você colide partículas paraconhecer a sua estrutura.

O que o LHC faz?O LHC colide prótons que andam com velocidade muito próximas a

velocidade da luz.

Qual o objetivo do LHC?Estudar a unificação da Força Fraca com a Força Eletromagnética.

Para isso precisa-se de altas energias, que são provenientes da colisãodos prótons. Com tudo isso, pode-se obter informações sobre osconstituintes fundamentais da matéria, bem como a história deformação do nosso universo.

O que se espera com a realização desse experimento?Descobrir o Bóson de Higgs ( a partícula de Deus), supostamente, a

responsável pela geração de massa a todas as partículas conhecidas.