Estrutura da Matéria – Aula 01 - Um Universo de Partículas

[Música] meu nome é sérgio novais e eu vou dar as duas primeiras aulas pra vocês a sobre a estrutura da matéria eu vou falar especificamente sobre as partículas elementares sobre as interações que elas têm entre si deixa eu começar primeiro a fazer um comentário bastante geral que é a a visão de duas pessoas que tenham grande experiência na área de ensino de física que são o alonso enfim que eles comentam aqui a ensino de física hoje em dia dá ênfase à experiência macroscópica vivenciada pelos alunos no seu cotidiano só que essa abordagem ela não fornece

uma visão unificadora ele deixa sempre a sensação de que a física é um agregado de ciências independentes diz conexas e desarticuladas como é que ele propõe que se resolva de alguma forma esse dilema ele ele sugere que a noção de partículas elementares sirva como elemento agregador a essa essa conjunto de matérias que compõem hoje em dia a física como ela é dadá o que ele e lhe propõe que seja o passado para os estudantes alguns conceitos fundamentais como por exemplo que o fato do universo ser composto de partículas com a propriedades bem definidas que tudo

o que ocorre é resultado das interações entre essas partículas que existe apenas algumas interações a fundamentais e distintas que as interações são a escritas em termos de campos e em todas as interações certas quantidades são conservadas e as leis de conservação ea própria interação entre as partículas está relacionada a essas assimetrias todos esses itens eu vou tentar passar rapidamente por eles e tentar dar uma noção global desse conceito integrador que a física das partículas elementares o primeiro deixou começará a a dizendo que as partículas elementares possui a ter uma importância muito grande desde a própria

formação do universo em grande parte do modelo cosmológico atual no qual a evolução do universo indeterminado efetivamente pelas partículas e pelas interações entre elas a gente pode ver aqui por exemplo que a isso aqui eu estou ampliando um pouco aquela região da evolução do universo segundo modelo cosmológico atual a em 10 ou menos 10 segundos depois do big bang nós temos partículas livres então todos os artigos que a gente conhece hoje em dia elas estariam livres diz acopladas 10 a menos quatro segundos a os núcleos começam a se formar ou seja os prótons e nêutrons

começam a surgir como agregados de quarks em 10 a a2 ou seja por volta de 100 segundos os duplos atômicos quando ou seja os do chrome começam a se juntar para formar os núcleos atômicos e em 10 a 5ª anos os primeiros a átomos leves começam a ser formados então tudo o que é regido não só pelas partículas mais pela interação que as partículas têm entre elas eu queria chamar outra atenção a atenção de vocês também para o outro fato que é bastante relevante a física é uma ciência muito ampla e ela tem como objeto

de estudo a escalas muito distintas por exemplo a só batendo o olho a gente sabe que o universo hoje em dia tem dez a vinte e duas estrelas ou seja é muito grande muito complexo e requer uma a instrumentação específica como a gente vai tentar mostrar pra você analisar mas não só a gente tem que tratar ou da conta do universo com as 22 com artigos mas se você olhar por exemplo um grama de sol ele tem dez a vinte e duas moléculas então é também tem que ser também objeto do estudo da física então

o homem está no meio de duas escalas a a micro escala a mácula escala que devem à a ser analisadas se a gente for tentar abordar tudo isso apenas com os a cinco sentidos que nós temos três deles são de curto alcance vamos dizer assim apenas a visão ea audição tem um alcance mais longo mas mesmo assim são profundamente é limitados a gente sabe muito bem por exemplo que a visão a nossa visão é capaz de identificar uma faixa muito estreita do espectro eletromagnético é só essa faixa que a gente chama obviamente com luz visível

um motivo óbvio é que permitia que a gente consegue explorar com a nossa visão então se a gente quiser estudar todo o resto do espectro a aaa eletromagnético isso aqui nós vamos ter que usar outros instrumentos ea assim da mesma forma a gente requer se a gente for querer estudar o universo em todos os seus aspectos o macro e micro nós temos que adotar alguns instrumentos que estendam essa nossa a esses nossos sentidos e uma folga eo a uma a característica que é importante notar que o muito grande e eu muito e é muito pequeno

e eu muito grande em geral requer a equipamentos muito grandes eu tenho aqui por exemplo o interferômetro que descobriu recentemente as ondas gravitacionais a gente tem preço o custo da os cosmos o cosmos a telescópios que são enormes em geral geram enorme quantidade de dados obviamente se eu quiser enxergar uma maçã olho funciona muito bem mas se eu quiser começar a olhar a escalas bem menores eu vou de saúde um microscópio ótico ou a vou para a um microscópio eletrônico mais do que isso se eu quero penetrar ainda mais profundamente na matéria eu preciso usar

instrumentos ainda maiores ainda mais potentes um deles por exemplo o laboratório nacional de luz síncroton que produz a radiação eletromagnética fótons a capazes de penetrar muito profundamente na matéria e por último porque a gente vai falar um pouco mais nós ter nós temos os aceleradores de partículas hoje em dia que são alguns dos maiores instrumentos existentes e ao mesmo tempo são aqueles capazes de analisar mais profundamente a estrutura mais íntima da matéria eu queria a primeiro ressaltar a a a reproduzir aqui uma frase do be ok então um foco importante físico diga se de passagem

teórico que ainda estava vivo ele disse que o progresso das ciências físicas tem três componentes tecnológico experimental e teórico e eles são interligados mas acredito que a ordem de importância é exatamente essa sem os avanços tecnológicos a técnica experimental fica estagnada e sem as validações e novas descobertas que vêm dos avanços da experiência as melhores criações da física teórica definir a gente tem a tendência geral de minimizar um pouco a importância à da ciência aplicada ou da instrumentação das novas tecnologias para as novas descobertas e eu vou queria eu brinco enfatizar um pouco mais isso

o que eu acho um ponto muito importante e por isso eu citei aqui james pior que um físico há muito reconhecido que têm essa visão com a qual compartilha o lixo começará a falar um pouco sobre a instrumentação am científica que a gente usa para explorar física de partículas primeiro é impossível não mencionar a um experimento o pioneiro e que foi extremamente bem sucedido tanto quanto até hoje em dia nós operamos a reproduzir de alguma forma aquele mesmo segmento que é o instrumento de luta forma os médicos de fora basicamente o que que ele é

você ter um feixe no caso de luta foram partículas alfa você tem um alvo fixo no caso dele era a uma lâmina de ouro e você atrás ou posteriormente o alvo você tem uma série de detetores cintiladores no caso dele que detetam opor à produção dessas partículas agora essa e cimento pioneiro foi aprimorar de tal forma que hoje em dia nós optamos por um formato distinto da a forma de operar essas colisões essas esses pagamentos para tirar informações dela essa essa nova a essa novo formato chamado de janela de colisão ele em vez de usar

um alvo fixo ele usa o outro feixe como o próprio alvo então são 26 x com a grande quantidade de energia a um momento se colidem e da morte daí a gente observa as o resultado das colisões com detectores que agora estão centrados a aaa entorno do ponto de colisão deixou tomar então como exemplo a o maior acelerador que nós temos em operação hoje em dia que faz esse tipo de colisão entre prótons contra prótons é o lhc rolagem radar online que fica a na fronteira da frança da frança com a suíça anual no laboratório

do cérebro e possui quatro destes detetores vamos deter um pouco mais sobre ele trouxe ms só para vocês terem uma idéia do que se trata a a instrumentação hoje em dia dá uma ideia também de dimensão dessa estrutura esse túnel no qual ocorrem as partículas para se chocar nesses a nesses tubos estão aqui os prótons corre em sentido contrário e se túlio tem 27 km de comprimento e está a assistir situa a 100 metros abaixo da terra do sol só prosperará este acelerador nós temos um centro de controle desse porte agora você pode se perguntar

com uma pergunta legítima porque há a gente tem que fazer uma coisa tão grande para explorar a fazer conhecer melhor escalas tão pequenas acho que a razão mais simples de explicar em ação por dois motivos a gente quer a gente possa fazer grande o o o aparato experimental porque é a forma que a gente consegue de aumentar a energia das colisões por que é importante aumentar a energia das colisões por dois motivos pelo ego a quantiq pela teoria de relatividade a mecânica quântica disse pra você que a energia é proporcional à freqüência das ondas associadas

às partículas o que significa isso em geral a gente só consegue explorar a dimensões que são similares ao comprimento de onda da partícula que nós estamos usando usando como sonda então eu aumentando energia a freqüência bastante grande o comprimento de onda é pequeno e eu consigo a explorar dimensões cada vez menores por outro lado eu quero produzir partículas e laboratórios jamais foram produzidas aí também eu preciso de uma grande energia porque o seu assim disse sabiamente que é igual a nc2 então pra produzir uma partícula a partir de grande massa de massa muito elevada e

eu preciso a gerar uma energia muito grande esse é o detetor eu não vou a a detalhar muito ele agora mas eu só vou dizer que eu vou mostrar um pouco pra vocês como é que funciona o diretor fazendo um corte aqui como se fosse uma pizza a aaa nessa estrutura só para dar uma idéia de tamanho também da instrumentação que a gente usa esse detetor pesa 16 mil toneladas ele tem um diâmetro de 15 metros o comprimento de quase 22 metros e ele tem um campo magnético que é 10 a quinta vez maior que

o campo magnético da terra só para ter uma idéia dele aqui na caverna pra ir pro questão de escala de olhar o tamanho de uma pessoa do lado dele e ele está na caverna agora a 100 metros abaixo da terra essa é a outra fotografia dele em operação então o feixe passa aqui no centro para que a colisão seja a realizada exatamente no centro do setor e os produtos da colisão saiu a partir daí esse tipo de doença é fechado quando tiver a operação isso aqui só para ter uma ideia é a sala a de

controle do detetor aquela que eu mostrei primeiro era do próprio senador e cada um dos diretores têm uma sala de controle essa que tem 84 telas para monitorar cada um daqueles subdetectores para que servem os detetores aqui é importante ressaltar de uma forma genérica não vou entrar em detalhes técnicos sobre os vetores mas o que a gente quer medir com eles em primeiro lugar a gente quer medir a trajetória das partículas ea gente usa pra isso o que há e de vetores do tipo de câmera de fios detetores de silício dê certo outra medida importante

a ser feita é a energia das partículas para isso a gente usa detectores que são destrutivos no seguinte sentido eles destroem a partícula para em de toda energia que aquela partícula mãe tinha e eles são de dois tipos geral eletromagnética hadrónico o edson magnett que mede a energia eletromagnética hadrónico a a característica dos rádios que vai ficar mais claro um pouco mais tarde ea gente procura medir o momento das partículas simplesmente mudando a curvatura 10 partículas a no campo magnético por isso que a gente tem um campo magnético solenóide da aoa com essa com esse

objetivo e o que a gente procura fazer é identificar as partículas que tão determinado evento eu vou mostrar mais ou menos como é que a gente consegue fazer isso usando essa é essa a esse esquemática daquele corte do retorno que eu disse o que acontece no setor é feito em fatias e a sobrepostas uma outra nós temos na parte mais central o que a gente chama de gestor de traço auxílio com troca em seguida vem o calorímetro eletromagnético em seguida o calor emitido raoni ou seja esse médio traço e cimed energia eletromagnética ea energia hidrológica

este aqui é o seu e noite supercondutor que mantém o o o campo a forte aqui no meio e depois nós temos a ferro com detetores cintiladores que mede as partículas que conseguiram vencer todo esses detectores centrais em geral é uma só a partícula conhecida que consegue vencer tudo isso que o próprio mil então o elétron como é que o elétrons se manifesta não em um detetor como esse esse manifesto da seguinte forma como eles têm carga elétrica ele faz uma curvatura no retorno de traço olhando de silício e ele deposita toda a energia dela

dele no calor e eletromagnéticos em geral a gente costuma dizer que o lyon ou depois eu falo domingo logo em seguida mas o fóton pra comparar com o o o elétron qual é a característica dele é o sinal que ele deixa no carolinum eletromagnético é muito próximo do elétron que os dois perdem a sua energia gerando uma cascata elétron a frota elétron fóton e essa cascata que transmite energia para as fotos indicadoras e e e daí a gente obtém informação a grande diferença dele é que ele não deixa um traço não faz curvatura no tracking

e não deixa um craque não deixa uma final no de drag porque ele não tem carga e ele só aparece então como a um calo interna progressos em associado ao o ao traço da partícula o mundo por exemplo ela dizia bastante diferente apesar dele será a a dele ser simplesmente um elétron 200 vezes mais pesadas características deles mas ele isso faz com que a interação dele com a matéria seja muito distinta então essa é a partícula que vai passar por todos os detentos cores e vai deixar sinal nas câmeras temos lá lá lá na frente

há os rádios carregados o que é errado é errado por exemplo o próton e honrado com o legado que ele vai fazer ele vai como tem cargo ele vai te curvatura e deixar sinal no track e vai depositar a energia toda dele no calor intenso elétrico é o caso de khadr o nico por outro lado o raro neutro não faz essa curvatura não deixa o traço ele passa a quem visita e me deixa a deposição de energia total no calor into eletromagnética então com isso a gente pode medir a energia do radon pa no final

da história o que a gente tenha a gente tem o que a gente chama de um evento que é o conjunto de sinais que uma dada a colisão deixou nesse conjunto de detetores essa aqui em particular é um sinal o que evidenciou a descoberta do bóson de higgs decaído em dois fótons então aqui eu tenho um sinal dos dois fótons bastante limpo bastante claro e depois da análise física a gente descobriu que na realidade estaria associado à produção do bóson de higgs que levou o nobel em 2012 ah só pra ter uma uma noção mais

clara da das etapas envolvidas nessa nessa nessa aventura você começa o primeiro com a sinalização das partículas nos detectores ou significa a gente vai começar com a uma grande quantidade de dígitos o certo a gente vai ter que partilhar do beach que a desvalorização dos detetores para quantidades físicas que a gente conhece então isso vai requerer um grande alinhamento protetor uma grande calibração de cada um dos sub de vetores desse ato daí a gente vai ter que fazer a reconstrução da passagem dessa partícula no desertor significa que a gente vai ter que reconhecer o padre

dada a trajetória das partículas que elas deixam a novela toda a gente com isso vai tentar identificar o ártico depois desse processo todo é que a gente vai fazer efetivamente o que a gente chama de análise física o que significa isso a gente vai depois de todo esse processo a pegar o dado que foi obtido da colisão e comparar com os modelos teóricos com os modelos tecnológicos que propõe uma explicação para a a a um dado evento que a gente encontra a nossa gerador eu queria só dizer que essa é a idéia de aceleradores essa

idéia absolutas são ela vai para além da física de altas energias hoje em dia o conceito de acelerador o conceito de radiação interagindo com a matéria ele está a age em dia um qualquer laboratório médico você tem máquinas que a emprestaram os mesmos princípios básicos com os quais a gente investiga a estrutura mais informal artéria utilizado como spin off como a gente chama para a física médica para a saúde em geral [Música] o [Música] [Música] [Música]