LIÇÃO 4: AS PARTÍCULAS ELEMENTARES DA MATÉRIA E O MODELO PADRÃO: CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES

APRESENTAÇÃO

Olá,

Espero que nesta lição você já tenha uma noção sobre o átomo e sua estrutura fundamental. Mas vamos avançar para que os mesmos consigam desvendar o mundo das partículas elementares que constituem a matéria.

Atividade “Montando Núcleos” (Adaptado do Curso de Física de Partículas da USP – atividade “Entendendo a estrutura das partículas através de formas geométricas, quadrados e triângulos”).

Quais são as partículas mais conhecidas que compõem a matéria?

É possível “quebrar” prótons, elétrons e nêutrons?

Quantas e quais são as partículas elementares existentes no Universo?


ATIVIDADE “MONTANDO NÚCLEOS”

Adaptado do Curso de Física de Partículas da USP – 3ª edição

 “Entendendo a estrutura das partículas através de formas geométricas, quadrados e triângulos”

DESCRIÇÃO DA ATIVIDADE

Objetivo: conhecer e utilizar o modelo de composição dos nucleons por quarks considerando a carga elétrica, spin e carga cor.

Material: quadrados e triângulos das cores azuis, vermelhos e verdes em pacotes.

Conteúdo: Dadas as novas idéias sobre os constituintes dos núcleons com a introdução dos QUARKS vamos construir partículas conhecidas como partículas α, núcleo do oxigênio, do carbono ou outro da sua escolha para firmar as idéias.

Os nucleons, isto é os prótons e os nêutrons, são formados por três quarks cada um e devem ter a cor branca. Portanto cada um deles deve ter as três cores na sua composição: vermelha, azul e verde (red, blue e green em inglês)

Cada quark tem spin 1/2. A regra de soma de spins deve ser como na mecânica quântica, para férmions:

Spin 1/2  + spin 0 só pode dar spin 1/2    

Spin 1/2  + spin 1/2  podem dar partículas com spin 1, 0 ou -1.             

Spin 1/2  + spin 1/2 + spin 1/2  podem dar partículas com spin 3/2, 1/2, -1/2 ou -3/2.

Vejam que assim três quarks de spin 1/2 podem dar uma partícula de spin 1/2 !

Estranho, mas é assim!

Procedimento:

Vamos usar quadrados e triângulos que representam respectivamente o quark up e o quark down, todos com spin 1/2  qualquer que seja a sua cor.

Regras do jogo:

1 - Os quadrados são os quarks up

2 - Os triângulos são os quark down
3 - Construa as partículas: núcleo do hélio (alfa), núcleo do oxigênio e núcleo do carbono e outras de sua escolha.

TEXTO-BASE

Muitos imaginam que as partículas elementares que constituem a matéria são os prótons, os elétrons e os nêutrons, aquelas que não podem ser formadas por outras menores. Eis aqui o grande engano! Estudos teóricos e experimentais realizados pelos físicos no CERN através dos aceleradores como o LHC e pelos detectores de partículas avançaram na busca das menores partículas constituintes de todo o Universo.

Os prótons e nêutrons não são elementares, pois são consideradas hádrons, partículas pesadas formadas por outras mais leves e elementares: os quarks. O elétron é uma partícula elementar considerada um lépton, tal como os neutrinos e o pósitron.

Para entender melhor o estudo das partículas, recorremos ao Modelo Padrão (MP) (ver MATERIAL COMPLEMENTAR). O Modelo Padrão não é necessariamente um modelo, mas uma teoria muito bem elaborada e que pode explicar a constituição da matéria, abordando as partículas elementares que compõem todo o Universo e como interagem entre si.

No Modelo Padrão, os prótons e nêutrons não entram, pois não são partículas elementares, são classificadas como hádrons, por possuírem uma estrutura interna formada por quarks: bárions, quando são formados por três quarks ou antiquarks (prótons) ou mésons que são formados por pares quark-antiquark (méson pi), todos da mesma família.

Nesse sentido, no MP há as famílias dos férmions (léptons e quarks) e bósons. Os léptons (elétron, múon, tau, neutrino do elétron, neutrino do múon e neutrino do tau) e seis quarks [quark up (u) quark down (d), quark charme (c), quark estranho (s), quark bottom (b) e quark top (t)]. Os quarks apresentam uma propriedade chamada cor que não pode ser comparada com o que conhecemos comumente e podem, cada um deles apresentar três cores (vermelho, verde e azul). Nesse caso, podemos falar em 18 quarks e sabendo que a cada partícula corresponde uma antipartícula, então há no total 12 léptons e 36 quarks.

Os quarks possuem carga elétrica fracionária (+2/3e ou -1/3e) de modo que não são encontrados isolados e a soma algébrica dessas cargas corresponde a um múltiplo inteiro de e (1,6.10^-19 C) da carga de um hádron.

As antipartículas são consideradas partículas elementares que possuem a mesma massa, spin e paridade, no entanto sua carga elétrica é oposta, mantendo-se a simetria. Casos em que a antipartícula colide com sua respectiva partícula ocorre o aniquilamento de ambas.

         As partículas elementares são muito instáveis e decaem com facilidade e em um intervalo de tempo tão rápido que muitas vezes a maioria só deixa rastros da sua existência. Todas as partículas exercem uma interação com outras através de forças existentes na natureza e podem se transformar em outras partículas. As interações fundamentais da natureza foram analisadas bem antes da teoria do MP, porém explica de forma coerente o modo como as partículas interagem. O MP é importante por descrever a formação e constituição do Universo e o que o mantém unido.

RECURSOS MIDIÁTICOS

1) Vídeo “Física de Partículas”.

LIÇÃO 4 – MATERIAL COMPLEMENTAR 

QUESTÕES PARA REFLEXÃO

1) “O problema da construção de uma ‘teoria unificada das partículas elementares’ está ligado ao problema da construção de uma nova teoria do espaço e do tempo; mas, se espaço e tempo surgem apenas das relações entre partículas, o universo, a partir de uma única partícula, não poderia sequer ser descrito, se utilizando de palavras como posição, espaço, e tempo.”    (Lee Smolin  —  ‘A Vida do Cosmos’). Em conformidade com o assunto estudado, analise o que diz Smolin.

2) A Física de Partículas nasceu com a descoberta do elétron, em 1897. Em seguida foram descobertos o próton, o nêutron e várias outras partículas, dentre elas o píon, em 1947, com a participação do brasileiro César Lattes. (a) Num experimento similar ao que levou à descoberta do nêutron, em 1932, um nêutron de massa m desconhecida e velocidade v₀ = 4 ´ 10⁷ m/s colide frontalmente com um átomo de nitrogênio de massa M = 14 u (unidade de massa atômica) que se encontra em repouso. Após a colisão, o nêutron retorna com velocidade v’ e o átomo de nitrogênio adquire uma velocidade V = 5 ´ 10⁶ m/s. Em consequência da conservação da energia cinética, a velocidade de afastamento das partículas é igual à velocidade de aproximação. Qual é a massa m, em unidades de massa atômica, encontrada para o nêutron no experimento? (b) O Grande Colisor de Hádrons (Large Hadron Collider-LHC) é um acelerador de partículas que tem, entre outros propósitos, o de detectar uma partícula, prevista teoricamente, chamada bóson de Higgs. Para esse fim, um próton com energia de E = 7 ´ 10¹² eV colide frontalmente com outro próton de mesma energia produzindo muitas partículas. O comprimento de onda (l) de uma partícula fornece o tamanho típico que pode ser observado quando a partícula interage com outra. No caso dos prótons do LHC, E = hc /l, onde h  = 4 ´ 10^-15 eV.s, e c = 3 ´ 10⁸ m/s. Qual é o comprimento de onda dos prótons do LHC?

3) De acordo com uma notícia publica no site G1.com de 14 de setembro de 2015 intitulada “Acelerador de partículas vê sinais de fenômenos que violam leis da física” os redatores chamam a atenção para o fato de as colisões no LHC resultarem numa produção excessiva de taus, contrariando o que prevê o Modelo Padrão. O resultado foi captado pelo detector de partículas LHCb, um dos quatro grandes experimentos do LHC. Esse comportamento inesperado, apontando para o que os cientistas chamam de física exótica, pode ser o sinal da existência de mais partículas, além dos 17 tipos já efetivamente previstos em teoria e capturados em experimentos. Como esse resultado, caso seja confirmado, pode apontar para caminhos de uma nova física, de uma reformulação do Modelo Padrão e novas aplicações tecnológicas?

        4) O MP segue seu maior feito e continua invicto, tornando-se a teoria mais bem estabelecida da física, no qual os físicos conseguiram confirmar todas as suas previsões e as descobertas experimentais se encaixam em suas lacunas. O MP é um trabalho coletivo de muito físicos teóricos e experimentais de vários países que juntos com outros cientistas inventaram muitas engenharias para pô-lo em prática. O LHC exigiu um grande investimento e existe um grande interesse internacional nessa questão e mesmo países europeus em crise não pensam em sair do consórcio. Como você julga esses interesses políticos e econômicos que estão no entorno do LHC/CERN? Como o Brasil vem ganhado destaque nesse empreendimento?