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Referências
Curiosidade
[01] Trefil, J. S., From Atoms to Quarks, Scribners (1980).
[02]Pais, A., Subtle is the Lard , Carendon press(1982).
[03] Brown L. M. and Rechenberg, H. American Journal of Physics, 56, 982 (1988).
[04] Conversi, M., Pancini, E. and Pinccioni, O., Physical Review, 71, 209 (1947).
[05] Lattes, C. M. G. et al., Nature, 159, 694 e 160, 453(1947)
[06] Anderson, C. D., American Journal of Physics, 29, 825 (1961).
[07] Chamberlain, O. et al., Physics Review, 100, 947.
[08] Reines, F. and Cowan, C. L. Jr., Physical Review, 92, 8301 (1953).
[09] Davis, R. and Harmer, D. S., Bulleton of the American Physiological Society, 4, 217 (1959).
[10] Konopinsky, E. J. and Mahmoud, H. M., Physical Review, 92, 1045 (1953).
[11] Lederman, L.Scientific American, 60 (1963).
[12] The Nobel Prize 1955, The Nobel Prize Foundation Stockholm.
[13] Gell-Mann, M., Physical Review, 98, 883, (1953).
[14] Greenberg, O. W., American Journal os Physics, 50, 1074 (1982).
[15] Aubert, J. J. et al., Physical Review Letters, 33, 1404 (1974).
[16] Griffiths, D., Introduction to Elementary Particle,2nd Edition, Wiley-VCH, p. 44 (2008).
[17] Bjorken, B. J. and Glashow, S. L. Physics Letters, 11, 255. (1964).
[18]Perl, M. et al. Physical Letters, 35, 1489 (1975).
[19]Herb, S. W. et al. Physical Review Letters, 39, 252 (1977).
[20]Abe, F. et al. Physical Review Letters, 74, 2626 (1995).
[21] Arnison, G. et al. Physics Letters, 122B, 103 e 126B, 398(1983).
[22]
imagem original
Era Clássica (1897 - 1932)
Thomson (1897)
A partir das experiências com o tubo de raios catódicos determinou as características do elétron, uma partícula negativa constituinte de todos os átomos.
Trajetória dos elétrons (linha azul) em um tubo de raios catódicos.
Fonte: Imagem Original.
Rutherford (1911)
Com a experiência de espalhamento de partículas alfas previu a presença do núcleo atômico, constituído de partículas positivas, chamadas prótons. O número de prótons seria igual ao número de elétrons nos átomos, para manter sua carga elétrica neutra.
Representação do Modelo Atômico de Rutherford (Sem escala).
Fonte: westernchemistry.com
Bohr (1913)
Propõe que o movimento dos elétrons ao redor do núcleo deveria ter alguns parâmetros quantizados, de modo a manter sua estabilidade.
Representação do Modelo Atômico de Bohr (Sem escala).
Fonte: Imagem Original.
Chadwick (1932)
O átomo de Hélio possui o dobro dos prótons do Hidrogênio, mas quatro vezes a sua massa, indicando que no núcleo existe outro tipo de partícula com carga elétrica neutra, o nêutron.
Representação do Modelo Atômico incluindo o Nêutron (Sem escala).
Fonte: livescience.com
Conclusão
Neste momento a física apresenta um dos modelos mais simples na busca do entendimento do que as coisas são feitas. O átomo tem um núcleo composto de prótons e nêutron e os elétrons orbitam ao redor, com um movimento quantizado, garantindo sua estabilidade. [01]
Mas este modelo tem uma lacuna muito importante, o que mantém os prótons e nêutrons juntos na região nuclear, vencendo a repulsão eletrostática entre as cargas positivas?
Fóton (1900 - 1924)
Planck (1900)
Para resolver um problema com a emissão de radiação eletromagnética pelo corpo negro propõe um mecanismo de emissão em que o campo eletromagnético seria quantizado, o quanta deste campo foi chamado de fóton.
Gráfico comparatico das teorias sobre a emissão de radiação eletromagnética.
Fonte: lief.if.ufrgs.br.
Einstein (1905)
A partir dos estudos com o efeito fotoelétrico conclui que a quantização é uma propriedade intrínseca do campo eletromagnético e não de seu mecanismo de emissão.[02]
Representação do efeito fotoelétrico.
Fonte: dfte.ufrn.br.
Compton (1924)
Estudando a interação da radiação eletromagnética com a matéria percebeu que havia uma transferência de momento, evidenciando o caráter corpuscular da luz.
Representação do efeito compton.
Fonte: fisicasimples2.blogspot.com.br.
Conclusão
Com a interpretação do campo eletromagnético a partir de seu quanta, dá-se início a uma característica até hoje presente na física de partículas: a descrição da interação eletromagnética a partir de sua partícula mediadora, o fóton.
Mésons (1934 - 1947)
Yukawa (1934)
Propõe a teoria da força nuclear, que mantém prótons e nêutrons juntos no núcleo atômico. Esta força deveria ser quantizada como a força eletromagnética, mas com um alcance muito mais curto, por isso sua partícula mediadora deveria ser massiva (méson). [03]
Representação das forças que agem no núcleo atômico.
Fonte:Imagem Original.
Anderson e Neddermeyer (1937)
Dois grupos independentes descobrem uma partícula (múon) de massa intermediária presente nos raios cósmicos, mas com um tempo de vida maior e massa menor que o esperado. Além disso interagia muito fracamente com o núcleo atômico, então não poderia ser o quanta da força nuclear. Parecia muito mais com um elétron mais pesado, do que com o méson previsto. [04]
Chuveiro de partículas dos raios cósmicos.
Fonte: ASPERA/G.Toma/A.Saftoiu.
Cesar Lattes (1947)
Compunha o grupo de Cecil Powell, em uma experiência no alto do monte Chacaltaya na Bolívia descobriram outra partícula (píon) que se desintegra nas camadas mais altas da atmosfera, decaindo em um múon. Esta partícula tinha as características do méson de Yukawa.[05]
Representação do píon no núcleo atômico
Fonte:Imagem Original.
Conclusão
Pela primeira vez a física apresenta um modelo completo da constituição da matéria. O núcleo atômico fica coeso devido á força nuclear que mantém os prótons e nêutrons juntos pela ação do píon, que por ser massivo confere um curto alcance à força. Os elétrons ficam ao redor do núcleo em órbitas quantizadas pela mediação do fóton, quanta da interação eletromagnética. Mas esta aparente simplicidade logo seria perturbada.
Esta página trás uma introdução histórica ao estudo de física de partículas. Em ordem cronológica é apresentada a evolução do conhecimento científico acerca da estrutura da matéria e de suas partículas elementares. A trajetória apresentada é aquela que leva ao desenvolvimento do modelo padrão, como estabelecido atualmente, sem considerar muitos trabalhos que, mesmo não culminando nas teorias mais recentes, tiveram sua valiosa contribuição.
Role a página ou utilize o menu lateral para conhecer um pouco da história dos desenvolvimentos que levaram à resposta mais atual para uma das questões mais antigas da humanidade: do que as coisas são feitas?
Boa viagem!
Antipartículas (1930 - 1956)
Dirac (1927)
Fez a proposição teórica do pósitron, um anti-elétron, que teria a mesma massa e carga elétrica, mas com sinal invertido. Esta proposição vem da solução negativa da equação de Dirac. Em uma interpretação de Feynman e Stuckelberg , toda as partícula tem sua antipartículas.
Equação de Dirac.
Anderson (1932)
Identificou a evidência experimental da existência do pósitron. O rastro deixado na câmara de bolhas, tem um raio de curvatura menor na parte de cima, indicando que a partícula, se moveu de baixo para cima e perdeu energia ao atravessar a folha colocada no meio. De acordo com a análise dos campos aplicados e da trajetória, conclui-se que a partícula tem todas as características, semelhantes á do elétron, mas com carga positiva. [06]
Detecção do pósitron na câmara de bolhas.
Bevatron (1955 e 1956)
Foi um acelerador de partículas, um síncroton de prótons, em Berkeley. Começou a operar em 1954 e foi completamente desativado em 1993. Neste acelerador de partículas foram detectadas as primeiras evidências do antipróton (em 1955) e do antinêutron (em 1956). [07]
Matéria e Antimatéria.
Conclusão
O Universo é constituído de matéria e antimatéria. Toda partícula de matéria tem uma antipartícula correspondente, com carga elétrica oposta. As partículas neutras são suas próprias antipartículas, mas e o nêutron? Por que existe muito mais matéria do que antimatéria no Universo?
Neutrinos (1930 - 1962)
Pauli (década de 1930)
No decaimento beta, um nêutron decai em um próton e um elétron, o próton fica preso ao núcleo atômico e o elétron é emitido, chamado de partícula beta. Como a energia deste elétron é variável, foi proposto que no decaimento seria produzida uma outra partícula, sem carga elétrica e muito leve, o neutrino (mais tarde identificado como um anti-neutrino). Esta partícula também explica o decaimento do múon em um píon, fazendo um ângulo de 90° em sua trajetória.
Representação do decaimento beta menos.
Fonte: Imagem Original.
Cowan e Reines (meio da década de 1950)
No reator nuclear de Savannah River, buscam a evidência experimental da existência do neutrino, tentando identificar a possibilidade de ocorrer um decaimento beta inverso. [08]
Davis e Harmer (fim da década de 1950)
Propõem a existência do antineutrino, indicando que as reações que acontecem com os neutrino, não acontecem com os antineutrinos. [09]
Konopinski e Mahmoud (1952)
Propõem uma nova lei de conservação o número leptônico. [10]
Lederman, Schwartz, Steinber (1962)
E seus colaboradores, em Brookhaven, propõem a hipótese da existência de dois tipos de neutrinos. [11]
Conclusão
A família dos Léptons é composta pelo elétron, o múon e seus neutrinos (de número leptônico 1) e suas antipartículas (com número leptônico -1). O número leptônico deve ser conservado em todas as reações.
Partículas Estranhas (1947 - 1960)
1947
Neste momento tem-se uma teoria que parece descrever perfeitamento o Universo observado , o átomo montado, suas antipartículas e os neutrinos. Apenas um problema ainda persiste, quem pediu o múon?
Quem pediu o múon?
Fonte: mushi-san.com
Willis Lamb (1955)
Discurso na premiação do prêmio Nobel de Física: “Quando o primeiro prêmio Nobel foi entregue em 1901, os físicos conheciam algo como dois objetos, agora chamados de ‘partículas elementares’: o elétron e o próton. Um dilúvio de outras partículas ‘elementares’ apareceram após 1930: nêutron, neutrino, méson μ, méson π, mésons pesados e vários hyperons. Eu ouvi dizer que ‘quem descobria uma nova partícula ‘elementar’ costumava receber um prêmio Nobel, hoje uma descoberta desse tipo deveria ser punida com uma multa de $ 10 000.” [12]
Gell-Man e Nishima (1953)
Propõem a lei de conservação da estranhesa, os processos que ocorrem pela interação da força nuclear forte conservam a estranhesa, aqueles que ocorrem pela força nuclear fraca não conservam. [13]
Zoológico subatômico
Fonte: cataardelean.wordpress.com
Conclusão
A descoberta de muitas partículas pesadas (bários e mésons) levou ao apelido de zoológico subatômico. Essas partículas eram chamadas de estranhas pois eram criadas muito rapidamente e decaíam lentamente, indicando que o processo de produção (força nuclear forte) era diferente do processo de decaimento (força nuclear fraca).
Quarks (1960)
Gell-Man (1964)
Os Hádrons são compostos de outros elementos, os quarks, que são de três tipos.
Todos os Hádrons descobertos são formados por combinações dessas três partículas e suas respectivas antipartículas. [14]
Três tipos de quarks previstos na teoria original de Gell-Man.
Fonte: Imagem Original.
Cada quark tem seu respectivo anti-quark, com carga elétrica e estranhesa de sinal oposto.
Os Hádrons são compostos por três quarks e os mésons de um quark e um anti-quark.
Cromodinâmica
O fato de os quarks não serem observados individualmente é devido à caracterírtica de que as partículas só podem existir em combinações formadas por três cores (hádrons) ou uma cor e uma anti-cor (mésons).
Ilustração da cromodinâmica.
Fonte: Imagem Original.
Conclusão
Os Hádrons são compostos de três tipos de Quarks.
Charm, Bottom e Top (1974 - 1983 (1995))
1974
Dois grupos, um em Brookhaven e o outro no SIAC descobriram um novo méson (Psi) com tempo de vida média cerca de mil vezes maior que os outros mésons [15].
O impacto desta descoberta é comparável à hipótese de ser encontrada uma vila isolada no planeta terra em que as pessoas vivem em média 70 000 anos [16].
Como esta analogia seria uma evidência de uma nova biologia, a descoberta do méson Psi indica uma física diferente da conhecida.
Bjorken e Glashow
Proposição de um quarto quark, de forma a manter uma simetria. Quatro Léptons e quatro Quarks [17].
O novo méson seria composto de um quark e anti-quark de uma nova espécie chamado de (charm).
Com a proposição e evidência experimental de um novo quark, muitos outros bárions foram identificados. Além disso uma nova lei de conservação, do charme.
1975
Um novo lépton (Tau) e seu neutrino foi descoberto, estragando a simetria proposta por Glashow [18].
Também neste ano, um novo méson (Upsilon) feito de um quinto tipo de quark (Bottom) foi descoberto, e assim surgiu a proposição de um sexto quark (Top) para restaurar a simetria de Glashow [19].
1995
No Tevatron foi encontrada a primeira evidência experimental do quark top [20].
Representação da analogia da descoberta do méson Psi.
Fonte: allpoetry.com
Acima da representação artística dos quarks estão o valor de suas cargas elétricas.
Fonte: particleadventure.com
Conclusão
Seis quarks e seis léptons, a simetria de Glashow estabelecida.
Bósons Vetores (1983)
1983
Glashow, Weinberg e Salam propõem a teoria eletrofraca, que prevê três bósons vetores (dois carregados e um neutro) como mediadores da força fraca.
Também em 1983 no colisor próton-antipróton do CERN o grupo de Rubbia detectou os bósons W e Z. [21]
Da mesma forma que o méson Psi e o quark Top os bósons W e Z foram previstos teoricamente antes de sua evidência experimental, então sua descoberta tem mais uma cara de alívio do que de surpresa.
Representação artística dos bósons vetores.
Fonte: pt.clipart.me
Conclusão
Teoria eletrofraca confirmada.
Modelo Padrão (1978 - ?)
Partículas elementares e interações fundamentais do modelo padrão.
Fonte: sprace.org.br
O modelo padrão é uma teoria que relaciona as partículas elementares, organizadas em famílias e suas interações, mediadas por partículas mensageiras, os bósons.
Não é apenas uma tabela periódica do mundo microscópico já que também prevê as interações entre as partículas e não somente uma classificação.
Apesar de ser uma teoria muito abrangente ainda possui algumas lacunas, uma delas é o fato de não contemplar os fenômenos gravitacionais, outra questão ainda não respondida está relacionada aos diferentes valores de massa das partículas elementares. Devido a essas lacunas o modelo padrão ainda não pode ser considerado uma teoria completa.
Mais informações sobre o modelo padrão se encontram na próxima aba do site.
Conclusão
Seis Léptons, Seis Quarks, Bósons Mediadores e suas anti-partículas constituem o Universo.
Bóson de Higgs (2012)
Como o fóton e os glúons, mediadores das interações eletromagnética e nuclear forte, respectivamente, não possuem massa, os bósons vetores W(+ e -) e Z também não deveriam ser.
Uma teoria que explica esta quebra de simetria e foi desenvolvida por Peter Higgs e publicada em 1964. Para que a teoria fosse considerada correta era necessário a detecção do bóson resposável pela interação das partículas elementares com o campo previsto por Higgs, esta interação seria responsável pela aquisição de massa pelas partículas. Este bósons foi chamado de Bósons de Higgs.
O Bóson de Higgs foi a última partícula prevista pelo modelo padrão a ser detectada experimentalmente, devido a sua grande energia de repouso foi necessária uma grande quantidade de trabalho e tecnologia para aprimorar o LHC (Grande Colisor de Hádrons - em inglês), de modo a atingir a energia necessária para sua produção.
CERN procurando o responsável pela bagunça (mess em inglês) muito parecida com a palavra massa (mass).
Fonte: hixbosone.deviantart.com
O artigo faz uma construção do modelo padrão da física de partículas a partir da descoberta das partículas elementares e de suas propriedades.
O texto trás uma descrição do entendimento sobre a estrutura da matéria desde a antiguidade clássica até o modelo padrão.