UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA MONOGRAFIA PARA LICENCIATURA EM FÍSICA

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA MONOGRAFIA PARA LICENCIATURA EM FÍSICA MARCOS FERNANDO SOARES ALVES ATUALIZAÇÃO CURRICULAR E CIÊNCIA CONTEMPORÂNEA: CONSIDERAÇÕES SOBRE O ENSINO DAS PARTÍCULAS ELEMENTARES NA EDUCAÇÃO BÁSICA Maringá-PR 2008

2 MARCOS FERNANDO SOARES ALVES ATUALIZAÇÃO CURRICULAR E CIÊNCIA CONTEMPORÂNEA: CONSIDERAÇÕES SOBRE O ENSINO DAS PARTÍCULAS ELEMENTARES NA EDUCAÇÃO BÁSICA Monografia apresentada ao Departamento de Física da Universidade Estadual de Maringá como requisito parcial para a aprovação na disciplina de Monografia para Licenciatura em Física. Orientador: Prof. Dr. Luciano Gonsalves Costa. Maringá-PR 2008

3 MARCOS FERNANDO SOARES ALVES ATUALIZAÇÃO CURRICULAR E CIÊNCIA CONTEMPORÂNEA: CONSIDERAÇÕES SOBRE O ENSINO DAS PARTÍCULAS ELEMENTARES NA EDUCAÇÃO BÁSICA BANCA EXAMINADORA Aprovada em 11 de dezembro de Prof. Dr. Luciano Gonsalves Costa (DFI-UEM) (orientador) Prof. Dr. Renio dos Santos Mendes (DFI-UEM) Prof. Dr. Ivair Aparecido dos Santos (DFI-UEM) Maringá-PR.

4 DEDICATÓRIA Dedico este trabalho aos meus pais, aos meus irmãos, aos familiares e amigos que sempre me apoiaram e me incentivaram a seguir nos estudos. ii

5 AGRADECIMENTOS Primeiramente agradeço a Deus, que me concedeu a oportunidade de viver a fim de conquistar mais esta etapa. A Ele que me deu força, coragem e persistência para vencer todos os obstáculos durante os anos do curso. À minha família, pois sem ela não teria chegado até aqui. À minha mãe que sempre acreditou em mim e me incentivou na busca dos meus sonhos, fazendo o possível e o impossível para me ajudar a alcançá-los, mesmo com todas as dificuldades que enfrentamos ao longo desses anos. Ao meu pai pelo apoio e compreensão. A vocês que me ensinaram a ser um cidadão de bem, honesto e batalhador. À minha irmã pelas palavras de apoio durante os momentos mais difíceis e cansativos dessa caminhada e por ter estado sempre ao meu lado. Ao meu pequeno irmão, pelo carinho e amor, que foi também o responsável por me dar motivação para que continuasse em frente. Aos meus tios, Milton, Marta, Paula, Cidinha, aos primos, Cláudia e Dimas, e a todos os meus familiares pelo apoio e incentivo. Aos amigos, Jorge, Fábio, Marcelo, Rogério, Robson, Jeferson, pela amizade, pelas conversas e ensinamentos durante todo o curso. Ao Prof. Dr. Luciano Gonsalves Costa, pela orientação e ajuda prestada durante a realização desse trabalho. Aos professores do Departamento de Física da Universidade Estadual de Maringá, fundamentais para minha formação. E a todos aqueles que de uma forma ou de outra, me ensinaram a ser como sou e contribuíram para que pudesse chegar até aqui. iii

6 A coisa mais incompreensível a respeito do Universo é que ele é compreensível. Albert Einstein iv

7 RESUMO Este trabalho consiste numa revisão bibliográfica acerca da Física de Partículas, assunto hoje, tão veiculado pela mídia. A sua constituição segue um caráter cronológico desta área da ciência, iniciando com os pensamentos filosóficos acerca da origem do Universo e os elementos fundamentais da matéria; passando pelos modelos atômicos e seus desdobramentos; as pesquisas em raios cósmicos; o desenvolvimento e a utilização dos aceleradores de partículas; as teorias e suas confirmações ao longo da história da Física de Partículas; a busca incessante pela simetria; temas interessantes como o Projeto Manhattan; as classes pelas quais são organizadas as partículas, e por fim o Modelo Padrão. A Física de Partículas, assim como toda a ciência, mostra-se como um produto inacabado fruto da capacidade humana. Por isto é importante que o histórico do seu desenvolvimento seja conhecido para que seja possível compreender também, o desenvolvimento da humanidade. O que se propõe neste trabalho, é apresentar a Física não como disciplina exata e imutável, mas sim, como uma Ciência em constante progresso. A Física teve de evoluir para explicar certos fenômenos que teorias existentes não davam conta de explicar, porém, nada disto é de conhecimento dos alunos do Ensino Médio, que aprendem a Física de 1600 a 1850 aproximadamente. É aceitável que o currículo deste nível de ensino também deva evoluir para que os indivíduos formados pela Escola possam compreender melhor o mundo que os cercam. Esta área da Física, como tópico da Física Moderna e Contemporânea a ser inserida no Ensino Médio, é parte de estudos de diversos pesquisadores de ensino de Física no país e no exterior, o que buscam é desenvolver metodologias de aplicação, que por sinal, na literatura especializada, há poucos trabalhos neste sentido. Tendo em vista esses fatos, procurou-se neste trabalho apresentar o conhecimento gerado por estes pesquisadores em relação ao tema para o nível médio de ensino. Tanto as pesquisas em Física de Partículas quanto os estudos acerca da inserção do tópico no Ensino Médio, são assuntos que exigirão muito trabalho. Portanto, no decorrer desta monografia são apontadas justificativas para contribuir com o processo educacional e incentivar os professores deste nível de ensino a se encorajarem e aceitarem o desafio de abordarem tópicos atuais da Física em sala de aula. Palavras-chave: Física de Partículas; Física Moderna e Contemporânea; Ensino Médio. v

8 ABSTRACT This report consists in a literature review on Particle Physics, a subject today, greatly reported by the media. Its formation follows a chronological character of this area of science, starting with the philosophical thoughts about the origin of the universe and the basic elements of matter, going through atomic models and its outspreads; the research on cosmic rays; the development and use of particle accelerators; the theories and their confirmations over the history of Particle Physics; the incessant search for symmetry; interesting topics such as the Manhattan Project; the classes in which particles are organized, and finally the Standard Model. The Particle Physics, as well as all the science, shows itself as an unfinished product resulting from human capability. Thus, it is important that the history of its development is known so that it is also possible to understand the development of humanity. What is proposed in this paper is to present the physics discipline not as exact and immutable, but as a Science in constant progress. Physics had to "evolve" to explain some phenomena that existing theories couldn t explain, however, none of this is acknowledged by High School students, who learn the physics from the 1600 to 1850, approximately. It is acceptable that the curriculum at this level of education must also evolve so that the individuals trained by the School can better understand the world surrounding them. This area of physics, as a topic of Modern and Contemporary Physics to be introduced in high school, is part of studies of several researchers of physics teaching in the country and abroad. What they seek is to develop methodologies for implementation, by the way, in literature, there is little work in this direction. Bearing these facts in mind, this work tried to present the knowledge generated by these researchers regarding the subject to High School education. The researches on Particle Physics, such as the studies concerning the topic's inclusion in the High School, are matters that will require much work. Therefore, during this monograph, are pointed out reasons to contribute to the educational process and to encourage teachers of this level of education to encourage and accept the challenge of approaching current topics of Physics in the classroom. Keywords: Particle Physics; Modern and Contemporary Physics; High School. vi

9 SUMÁRIO DEDICATÓRIA... ii AGRADECIMENTOS... iii RESUMO... v ABSTRACT... vi INTRODUÇÃO... 1 Capítulo I Física de Partículas Elementares: uma revisão bibliográfica O pensamento humano sobre os constituintes da matéria Os filósofos gregos A concepção do Universo fora da Grécia Um breve histórico das descobertas realizadas até a década de O desenvolvimento das idéias atomistas Raios-X e a radioatividade A descoberta das partículas constituintes do átomo e os modelos atômicos O desenvolvimento da Mecânica Quântica O Princípio da Exclusão de Pauli Novas descobertas e algumas curiosidades O Neutrino O Pósitron O Nêutron As interações fundamentais Força gravitacional Força eletromagnética Força forte Força fraca Os múons, os píons e a estabilidade do núcleo O Projeto Manhattan vii

10 3.7 Os aceleradores de Partículas O gigante Europeu: LHC Criação e aniquilamento de partículas Inúmeras outras descobertas Velhas e novas leis de conservação e outras propriedades das partículas Conservação de energia Conservação do momentum Conservação da carga elétrica Conservação do número bariônico Conservação do número leptônico Regra da estranheza As partículas verdadeiramente elementares: os quarks As partículas estão organizadas em grupos semelhantes Os quarks e os léptons As partículas mediadoras Os bárions e os mésons O Modelo Padrão Capítulo II O Ensino de Física de Partículas na Educação Básica O conhecimento acerca da Física de Partículas A legislação e o currículo escolar A Física de Partículas no livro didático: exemplificação Justificativas da escolha do tema Partículas Elementares CONSIDERAÇÕES FINAIS REFERÊNCIAS viii

11 INTRODUÇÃO Uma das indagações que sempre rodeou o pensamento humano, até os dias de hoje, é sobre a origem do Universo e seus constituintes fundamentais. As primeiras preocupações documentadas dos homens eram encontrar o elemento fundamental da natureza (BASSALO, 1980b). As discussões acerca de quais seriam os tijolos básicos que compõem o Universo, iniciou-se com os filósofos gregos, denominados pré-socráticos. Foram estes filósofos, chamados de físicos gregos por Almeida (1983), quem introduziram o conceito de átomo, descrevendo a matéria como indivisível. A idéia do átomo como ente indivisível permaneceu até o começo do século XIX, e começou a mudar com as idéias de John Dalton, com o chamado atomismo científico. No entanto, foi em 1897 que o átomo foi dividido pelo físico inglês Joseph John Thomson, descobrindo assim o elétron, a primeira partícula elementar. A procura pelos elementos fundamentais do Universo, ou seja, as partículas elementares, fez surgir uma importante área da Física contemporânea: a Física de Partículas (atualmente, é mais empregado o termo Física de Altas Energias). No intuito de explicar a constituição do átomo, em 1898, Thomson propõe um modelo conhecido como pudim de passas, no entanto, este, tornou-se inconsistente e outros modelos foram, ao longo do tempo, sugeridos para dar lugar ao anterior, até chegar ao modelo atômico aceito atualmente. As buscas por partículas constituintes do átomo e as tentativas de explicar sua estabilidade colaboraram com o desenvolvimento da ciência e da Física de Partículas, foi a partir dessas investigações que novas teorias e novas partículas foram sendo sugeridas teoricamente, experimentalmente verificadas e descobertas ao longo da história da ciência. Como destaca Maddox (1999), por várias vezes, os cientistas pensaram haver encontrado partículas realmente elementares, até que novas descobertas mostravam que estavam enganados. Atualmente é aceito que os quarks e os elétrons são as partículas verdadeiramente elementares. Intuitivamente, elementar é toda partícula que tem um único constituinte (ABDALLA, 2005). As descobertas de partículas se davam a partir das pesquisas em raios cósmicos, até que começou-se a desenvolver a partir da década de 1930 os aceleradores de partículas, propiciando assim, que em pouco tempo, muitas outras partículas fossem detectadas experimentalmente. A Física Moderna precisou de mais de um século para descobrir, compreender e organizar todas as partículas fundamentais. Hoje o modelo que classifica as partículas 1

12 elementares é denominado Modelo Padrão, que descreve a matéria através dos quarks, dos léptons, das partículas mediadoras (bósons) e das interações fundamentais da natureza (força eletromagnética, força gravitacional, força fraca e força forte). A ciência e a tecnologia sempre andaram de mãos dadas, uma área constantemente contribui para o desenvolvimento da outra. Neste mundo contemporâneo do qual fazemos parte, é fundamental conhecermos os aspectos científicos da tecnologia que há ao nosso redor. E, nesse sentido, é preciso reconhecer a Física como tendo papel importante para este progresso. Os avanços tecnológicos têm despertado a atenção dos jovens, que passam também a dar mais atenção a temas relacionados à ciência de uma forma geral, e é na Escola que ele deve satisfazer tais curiosidades, no entanto, ela não tem proporcionado este caminho. Uma das funções da Escola é transmitir o conhecimento gerado pela humanidade (SIQUEIRA, 2006). Percebe-se assim, que o conhecimento transmitido pelo sistema de ensino, em relação à Física, é apenas o desenvolvido entre 1600 e 1850 aproximadamente, ou seja, o que os estudantes aprendem é somente a Física Clássica, estando ausentes os conteúdos da Física Moderna e Contemporânea (TERRAZZAN, 1992). Para que possa ser dado ao estudante uma formação geral, que permita a ele adquirir conhecimentos básicos e uma preparação científica como sugerem os Parâmetros que regem o ensino, a ponto de compreender o mundo tecnológico que os cercam, é essencial que temas da Física Moderna e Contemporânea (FMC) sejam ensinados no Ensino Médio. É, portanto necessário que haja uma reformulação no currículo de Física atualmente trabalhado nas Escolas. Preocupações acerca da desatualização do currículo escolar têm sido causa de diversas pesquisas, a nível nacional e internacional, para pesquisadores de ensino de Física. Eles têm demonstrado a urgência necessidade da inserção de tópicos de FMC no nível médio de ensino, apresentando resultados e justificativas que apontam para esse caminho. Neste trabalho são apresentados os conceitos, as teorias, os modelos e as descobertas ao longo da história da Física de Partículas, a abordagem que é feita trata o tópico apenas qualitativamente, ou seja, procura levar a compreensão desta área sem a necessidade do uso da linguagem Matemática. Isso com o intuito de que seja possível perceber o desenvolvimento da Física como fruto da capacidade humana. Descreve-se ainda, as pesquisas e o conhecimento gerado pelos pesquisadores de ensino de Física a respeito da FMC, e os trabalhos realizados para que tópicos como este faça realmente parte do currículo do Ensino Médio. 2

13 Capítulo I Física de Partículas Elementares: uma revisão bibliográfica 1 - O pensamento humano sobre os constituintes da Matéria 1.1 Os filósofos gregos O homem como ser racional sempre se questionou a respeito de como as coisas eram formadas. O desenvolvimento humano parte das indagações dos pensadores antigos, muitas vezes as respostas a tais questões vinham da criação de mitos e de deuses. Na antiguidade os mitos e a religião faziam parte da civilização de todos os povos, e eram os responsáveis pela explicação da origem das coisas e do Universo. Quando mito e religião são colocados à prova gerando dúvidas, surge então a filosofia no intuito de dar explicações sem usar mitos, porém, em tais explicações não os excluem por completo. As principais contribuições filosóficas a respeito de como as coisas eram formadas vieram da Grécia. Com os pré-socráticos 1 surgiram as primeiras buscas a respeito dos elementos fundamentais do universo. Segundo Bassalo (1980b), as primeiras preocupações documentadas dos homens eram encontrar o elemento fundamental da natureza. Aproximadamente no século VI a.c., alguns filósofos pré-socráticos da cidade de Mileto: Tales ( a.c), Anaximandro (610 - ~546 a.c.) e Anaxímenes (570 - ~500 a.c.), defendiam a idéia de que as coisas se originavam do arche (em grego, que significa princípio ), dele as coisas surgiam e a ele retornariam. Mas, discordavam em relação à quantidade e ao tipo de elemento. Tales afirmava que esse elemento fundamental era a água, já que todos os seres vivos se originam e precisam da umidade. Anaximandro considerava ser o apeiron (em grego, que significa infinito; indefinido; ilimitado) o elemento constituinte do Universo, as coisas viriam e retornariam do apeiron. Já Anaxímenes acreditava que o elemento primordial era o ar, ao se tornar mais rarefeito, se transformaria em fogo; mais denso, se transformaria em nuvens, e em seguida água (por compressão), terra e rochas. Para Xenófanes da Jônia (~570 - ~460 a.c.) era a terra. O elemento primordial para Heráclito de Éfeso (~540 - ~580 a.c.) era o fogo. Anaxágoras (~500 - ~428 a.c) acreditava ser o Universo decorrente da ação de uma razão abstrata sobre as sementes (homeomerias), que seriam as matérias primas constituintes de todas as espécies imagináveis (BASSALO, 1 Os pré-socráticos foram os filósofos anteriores a Sócrates. Muitos dos documentos escritos por estes pensadores não foram guardados e o que se sabe sobre eles é de forma indireta, sendo aquilo que foi contado por autores posteriores a estes. 3

14 1980b, p. 70), assim ele antecipou a idéia atomística do Universo. Observa-se que todos os filósofos aqui citados, acreditavam que somente um elemento era o responsável por formar todas as coisas, essa corrente filosófica é conhecida como monismo, e é expressa pela afirmação: o todo é o um (ALMEIDA, 1983). No entanto, de acordo com Almeida (1983), o monismo encontrou dificuldades para manter-se aceito, começaram a surgir indagações a respeito de como determinados materiais poderiam se originar da água como é o caso, por exemplo, da poeira. E assim, muitos filósofos resolveram deixar de lado o monismo e concentrar-se no pluralismo limitado, em que a matéria é composta de um pequeno número de elementos, ao invés de apenas um elemento fundamental. O primeiro filósofo grego a considerar a matéria sendo formada por mais de um elemento foi Empédocles de Akragas (~490 - ~430 a.c.), para ele tudo se originava da água, do fogo, da terra e do ar, elementos chamados de raízes. Segundo Empédocles essas raízes estariam em constante movimento e se combinariam de forma alternada para formar as coisas. Eram intermediadas por duas forças divinas: unidas pelo amor ou a amizade e separadas pelo ódio ou inimizade. As raízes de Empédocles seriam governadas pela insonomia: seriam iguais, nenhuma mais importante que a outra, nenhuma mais primitiva, todas seriam eternas e imutáveis (CAULLIRAUX, 2005). Já para Aristóteles de Estagira (~348 - ~322 a.c.), os elementos fundamentais e essenciais eram o frio, o quente, o úmido e o seco que, unidos dois a dois, formariam os elementos de Empédocles. Porém, esses elementos formariam apenas as coisas da terra e da lua, o espaço celeste seria formado pelo éter. Essa corrente filosófica foi denominada de pluralismo. A idéia de que a matéria é formada por um único elemento retorna com os filósofos atomistas. Leucipo de Mileto (~460 - ~370 a.c.) e Demócrito de Abdera (~470 - ~380 a. C.) defendiam a idéia de que o Universo era formado por átomos (em grego, indivisível) e que se movimentavam no vazio ou vácuo. Para eles estes átomos poderiam ser de vários tipos, ao se unirem formariam a matéria e ao se separarem, a matéria seria destruída. Porém, esses átomos continuariam a existir se reunindo posteriormente a outros átomos, podendo formar até novos mundos. Outros importantes atomistas foram Epicuro de Samos (~341 - ~270 a.c.) e Lucrécio de Roma (~98 - ~55 a.c.). Epicuro acreditava que os átomos não podiam ser divididos em partes menores por nenhum meio, ainda que eles possuíssem estrutura. Ele ainda propõe princípios de que existem corpos materiais e o vazio, para ele a existência da matéria é assegurada pelas nossas sensações. Já o vazio não é possível sentir ou ver, mas existe, se só 4

15 existisse matéria, se tudo estivesse cheio, não haveria como algo se mover no espaço. Lucrécio concebia os átomos como infinitos em números e que possuíam diferentes formas e tamanhos, as partículas semelhantes se uniriam para formar aquilo que conhecemos juntamente com o vazio. De acordo com Almeida (1983), as principais características da teoria atômica grega podem ser encontradas em um poema composto em 57 a.c. por Lucrécio Carus (95-55 a.c.), denominado De Rerum Natura, que sumarizando são: Átomos são extremamente pequenos, indivisíveis, partículas imutáveis que não podem ser criadas nem destruídas; embora construam algumas substâncias comuns, átomos diferem em forma, tamanho e peso; o espaço entre os átomos é vazio (um vácuo); os átomos ficam juntos em corpos por ligações mecânicas e assim produzem a variedade infinita do mundo material; a densidade de um corpo é uma relação inversa da quantidade de espaço vazio entre os átomos; átomos estão em movimento perpétuo que persiste por ele mesmo (Ibid., p. 57). Segundo Martins (1994), a filosofia atomista rompe com a visão de mundo que era aceita na época, tirando o homem e a terra do centro do universo 2. Acaba também por agregar uma filosofia materialista até mesmo nas bases religiosas, já que os atomistas afirmavam que a alma era também constituída de átomos, caso contrário ela não poderia agir sobre o corpo e nem sofrer efeitos do corpo. Para estes, já não havia mais o porquê ter medo dos mitos sobre os deuses, pois tudo ocorre apenas pela união e separação dos átomos, tudo é produzido de um modo natural. 1.2 A concepção do Universo fora da Grécia Não se pode pensar que apenas os gregos buscavam respostas sobre a constituição do Universo. Na Índia, os hindus tinham a concepção de que os elementos primordiais se ligavam aos sentidos: ar-tato, fogo-visão, água-paladar e éter-audição. Segundo Bassalo (1980b), Kanada (filósofo hindu) acreditava que além dos quatro elementos gregos, eram necessários outros quatro: tempo, espaço, alma e manas (o qual transmitia os sentidos à alma). Observa-se o caráter religioso deste povo, afirmando que a alma também era um elemento, pois, todo ser vivo possuía uma alma. Já na China, Tsou Yen ( a.c.), tinha como elementos básicos a água, a madeira, o fogo, o metal e a terra. 2 Foi a partir de Copérnico (1543), com a substituição do sistema geocêntrico pelo heliocêntrico, que o homem deixou de estar no centro do Universo. Não encontramos evidências de que Copérnico seguia a filosofia atomista. 5

16 2 Um breve histórico das descobertas realizadas até a década de O desenvolvimento das idéias atomistas Durante o período medieval as idéias atomistas não foram aceitas e ficaram praticamente abandonadas. Já no início da era moderna os pensadores começam a ousar e a dar mais valor nas Ciências Naturais, com os trabalhos de Copérnico ( ), Galileu ( ) e Newton ( ). Segundo Ostermann (1999), particularmente Newton aceita o atomismo sem questionar a origem ou a composição do átomo, preocupando-se na interação que há pela qual matéria atrai matéria. A concepção da matéria formada apenas por uma partícula indivisível: o átomo, inicialmente como resultado especulativo, permaneceu da Grécia Antiga até o final do século XVIII e início do século XIX quando surgiu o atomismo científico (BASSALO, 1980b). Foi o químico inglês John Dalton ( ) quem primeiro utilizou a palavra átomo para fundamentar uma teoria científica 3. Para ele os átomos eram esferas maciças, invisíveis e neutras e, para um mesmo elemento, eram idênticos em massa, forma e outras propriedades, podendo reunir vários átomos a fim de formar um átomo composto. Foi também Dalton quem elaborou o primeiro modelo científico. Mas, foi em 1897 que o físico inglês Joseph John Thomson ( ) quem separou o átomo, pois ao descobrir o elétron a primeira partícula elementar encontrada, concluiu que o átomo não era indivisível. De acordo com Siqueira (2006), o primeiro a distinguir átomo de molécula foi o filósofo e matemático francês Pierre Gassendi ( ) no livro que publicou em Ainda segundo Siqueira (2006), a distinção oficial foi estabelecida no 1º Congresso Internacional de Química, em 04 de setembro de Porém, alguns autores parecem discordar desta afirmação. Muitos foram os trabalhos que contribuíram para o estabelecimento dos conceitos dos átomos e moléculas, em relação a isto, a situação estava longe de uma solução mesmo em 1860 durante o congresso de Química realizado em Karlsruhe provavelmente a primeira conferência internacional realizada (CASTILHO, 2003, p. 364). Para Gassendi os átomos, nos corpos, se reúnem em grupos denominado de moléculas (diminutivo do latim moles, que significa massa ou quantidade de matéria) e, ainda, parecia propor que o átomo seria uma parte real da substância, porém, invisível e indivisível. A primeira tabela periódica foi editada em 1789 e elaborada pelo químico francês Antoine Lauren Lavoisier ( ) contendo 30 elementos, este trabalho também foi 3 Em 1808, John Dalton publica New Systems of Chemical Philosophy iniciando o atomismo científico. 6

17 importante para o desenvolvimento dos conceitos que envolviam o átomo e as moléculas. Para esta finalidade, foram ainda importantes os trabalhos de outros cientistas como o químico francês Joseph Louis Gay-Lussac ( ), ao propor em 1809, a lei segundo a qual a combinação de gases era decorrente de uma proporção múltipla entre os volumes e não entre os pesos dos componentes. E do físico italiano Amedeo Avogadro ( ), em 1811, ao formular a hipótese de que nas mesmas condições de pressão, temperatura, volumes iguais de gases contém o mesmo número de moléculas; isto se deu ao fazer a distinção entre átomos e moléculas (conjunto de átomos). As hipóteses de Avogadro não foram levadas em conta pelos maiores químicos da época. No entanto, em 1858 utilizando a lei de Gay-Lussac e a hipótese de Avogadro, o químico italiano Stanislao Canizarro ( ) estabeleceu a tabela dos pesos atômicos e moléculas de diversos gases, levando com isso os químicos a procurarem uma relação entre os pesos atômicos e as propriedades físico-químicas dos elementos (BASSALO, 1980b). Foi em 1869 que o químico russo Dimitri Ivanovich Mendeleev 4 ( ), e o químico alemão Julius Lothar Meyer ( ) em 1870, independentemente, chegaram à classificação periódica dos elementos, listando-os do mais leve, hidrogênio, até o elemento mais pesado conhecido da época, o urânio. Essa tabela continha no total 63 elementos 5 e relacionava o peso atômico com suas propriedades. Através da tabela periódica e da semelhança que os elementos apresentavam entre si, Mendeleev pode prever a existência de outros elementos químicos, sendo estes descobertos posteriormente. Além das hipóteses levantadas sobre o que eram os átomos, as moléculas e das tentativas de organizarem os elementos, também havia cientistas interessados em descobrir o tamanho dos átomos. Em 1866, Johan Joseph Loschmidt ( ) calculou o diâmetro da molécula do ar como sendo em torno de milionésimo de milímetro. Já em 1870, o físico irlandês Lord Willian Thonsom Kelvin ( ) avaliou a molécula do hidrogênio como medindo aproximadamente cm; neste mesmo ano van der Waals ( ) encontrou um valor semelhante. Por volta de 1880 o tamanho da molécula de hidrogênio e das demais componentes do ar situava-se em torno de 1 a cm, tomando os valores aceitos hoje (2, cm para o diâmetro efetivo do átomo de hidrogênio, 0, cm para a distância entre os núcleos numa molécula de hidrogênio), os valores encontrados são razoáveis. 4 Alguns autores escrevem Mendeleiev. 5 Hoje, a tabela atômica possui mais de 100 elementos químicos, dispostos em linhas e colunas e separados por grupos ou famílias. 7

18 Os trabalhos dos químicos e o desenvolvimento desta Ciência auxiliaram as investigações sobre os átomos. Mas, até o final do século XIX os átomos são considerados elementos sem estrutura (OSTERMANN, 1999). Somente com o desenvolvimento da eletricidade, com os trabalhos do físico francês André Marie Ampère ( ), do físico dinamarquês Hans Christian Oersted ( ), entre outros, que a indivisibilidade do átomo passa a ser encarada como não sendo verdadeira. Para Oersted era apenas uma questão de tempo mostrar que o átomo tinha carga elétrica como constituinte. 2.2 Raios-X e a radioatividade Foram os estudos relacionados à Radioatividade que contribuíram para a consolidação da Teoria Atômica e para a compreensão da estrutura do átomo. Em 1895, o físico alemão Wilhelm Konrad Röntgen ( ) realizando uma experiência com tubo de raios catódicos 6 percebeu uma cintilação no anteparo, constatando que os raios eram provenientes do tubo, mas não eram os raios catódicos. A estes chamou de raios-x, pelo fato de desconhecer a natureza destes raios, sendo este mistério desvendado dezesseis anos depois por Max von Laue ( ). O físico francês Antoine Henri Becquerel ( ), em 1896, descobriu a radioatividade ao procurar compreender a natureza dos raios-x; a radioatividade foi denominada por ele de raios urânicos. A denominação radioatividade surgiu pelas investigações do casal Marya Sklodowska Curie ( ) e Pierre Curie ( ), que conhecendo os resultados de Becquerel, em 1897, conseguiram isolar os primeiros elementos naturais radioativos, tais como o Rádio e o Polônio. Também neste ano o físico inglês Ernest Rutherford ( ) mostrou que a radiação de urânio que Becquerel observou era constituída de partículas alfa e partículas beta. Dois anos depois, Becquerel mostrou que as partículas beta eram carregadas negativamente. Já a partícula alfa era o núcleo de Hélio, fato mostrado em 1909 por Rutherford e pelo químico inglês Thomas Royd ( ). A radiação gama foi descoberta em 1900, pelo físico francês Paul Ulrich Villard ( ). 6 Os raios catódicos foram descobertos no ano de 1859, pelos físicos alemães Heinrich Geissler ( ) e Julius Pluecker ( ). Esses raios são originários do eletrodo negativo nos tubos de descarga gasosa. 8

19 2.3 A descoberta das partículas constituintes do átomo e os modelos atômicos As indagações feitas para explicar o átomo, sua estrutura, seus constituintes e sua estabilidade, geraram uma verdadeira revolução na Física. Entre 1895 a 1905 obtiveram-se grandes avanços nesta Ciência, como a descoberta da radiação, dos raios-x, do elétron e do próton. O interesse pelos constituintes da matéria iniciado pelos pré-socráticos continuam até os dias de hoje, e cada hipótese desenvolvida foi fundamental para que se obtivesse um modelo cada vez melhor e que respondesse o maior número de questões possíveis. O uso de tubos de raios catódicos em experimentos permitiu a constatação de diversos fatos. As descobertas das partículas subatômicas, constituintes do átomo, iniciaram-se com Thomson. Ao fazer experiências com tubos de raios catódicos, mostrou, em 1897, que os raios catódicos eram defletidos por um campo elétrico e ao determinar a razão carga-massa 7, concluiu que a unidade de carga das partículas era negativa, denominado de elétrons. Com isso, Thomson obteve a primeira evidência experimental de que os elétrons são constituintes do átomo (OSTERMANN, 1999). Para explicar como era então o átomo, em 1898, Thomson propôs um modelo conhecido como pudim de ameixas. Nesse modelo, os átomos não são mais indivisíveis, mas formados por uma massa de carga positiva, em forma de esfera, e nela os elétrons são homogeneamente distribuídos. Segundo Bassalo (1980a), em 1895, o físico francês Jean Baptiste Perrin ( ), estudando os raios canais observados pelo físico alemão Eugene Goldstein ( ), evidenciou experimentalmente a existência de partículas carregadas positivamente. Mais tarde, em 1904, às partículas positivas foi dado o nome de próton (SILVA e NATTI, 2007). O modelo proposto por Thomson não levava em conta o próton como sendo constituinte do átomo, se tornando dessa maneira incompleto. Em 1911, baseado em resultados experimentais 8, Rutherford propôs um átomo neutro. O modelo por ele proposto seria como um sistema planetário em miniatura (BASSALO, 1980a), idéia esta que havia sido defendida por outros cientistas, como o físico japonês Hantaro Nagaoka, em Nesse modelo o núcleo atômico deveria ser muito denso, concentrando praticamente toda a massa do átomo, e formado por cargas positivas; os elétrons estariam distribuídos ao redor do núcleo girando em orbitas circulares (em raios da ordem de dez mil vezes o raio nuclear). O átomo de 7 A carga elétrica e a massa do elétron só foram definitivamente determinadas pelo físico norte-americano Robert Andrews Millikan ( ), em experiências realizadas de O experimento utilizado por ele é conhecido como gotas de Millikan. 8 Rutherford juntamente com outros cientistas, analisava os fenômenos relacionados à passagem das partículas alfa através da matéria, percebendo que as partículas alfa sofriam grandes desvios ao atravessar a matéria. 9

20 Rutherford ocupa um grande volume quando comparado ao núcleo, que concentra quase toda a matéria, sendo assim praticamente vazio. Porém, o modelo de Rutherford não estava totalmente de acordo com os conceitos físicos já conhecidos na época. Esse modelo desobedecia a teoria da eletrodinâmica clássica formada pelo físico escocês James Clerk Maxwell ( ), pela qual cargas elétricas aceleradas irradiam energia, cargas elétricas de mesmo sinal se repelem e cargas de sinal contrário se atraem. Então, devida a órbita seguida pelos elétrons no átomo e a aceleração centrípeta que os mantém nessa órbita, perderiam energia por irradiação e tenderiam a cair no núcleo (BASSALO, 1980a). E ainda, o núcleo era composto de partículas positivas e extremamente denso. Dessa maneira, deveria haver uma força de repulsão eletrostática. Enfim, o átomo de Rutherford não era estável. Em 1913 o físico dinamarquês Niels Henrik David Bohr ( ), constatou que a concepção quântica de Planck era a base de toda a Física Atômica (LOPES, 2004). Foi ele quem explicou a estabilidade do átomo de Rutherford. Bohr postulou que os elétrons só poderiam descrever um número discreto de órbitas circulares (estados de energia), sob influência da atração coulombiana entre o elétron e o próton, e se movendo em órbitas permitidas não emitem energia, apesar de estarem constantemente acelerados (EISBERG e RESNICK, 1979). No intuito de manter a energia total constante, o elétron pode saltar de uma orbita a outra emitindo ou absorvendo radiação. O átomo de Bohr pode absorver apenas quantidades discretas de energia da radiação eletromagnética incidente (EISBERG e RESNICK, 1979). De acordo com Lopes (2005), Bohr utilizou-se da idéia de quantização da energia proposta por Planck em 1900, no estudo da radiação de corpo negro, e também das concepções de Einstein, em 1905, no qual a luz se propaga concentrada em corpúsculos com energia proporcional à sua freqüência (E = h ν, onde h é denominada constante de Planck e possui um valor aproximado de 6, joule.s), os fótons ou quanta de luz ( pacotes de energia). Bohr conseguiu explicar a estabilidade do átomo, porém, algumas questões a respeito da estabilidade do núcleo começaram a inquietar os físicos da época. Segundo Bassalo (1980a), antes mesmo da década de 1920 havia alguns cientistas que acreditavam que no interior do núcleo existiam elétrons grudados aos prótons, dessa maneira, os elétrons neutralizariam os prótons impedindo a repulsão coulombiana entre eles. Devido ao fato da energia eletrostática de ligação entre prótons e elétrons ser insuficiente, esta idéia era inconsistente. Poderia então, o átomo ter mais constituintes em sua estrutura além do próton e 10

21 do elétron, pelo qual fosse possível explicar a estabilidade do núcleo? Por volta de 1920, havia a suspeita de que um objeto neutro (com a mesma massa do próton) fazia também parte do átomo (OSTERMANN, 1999, p. 420). Fato esse evidenciado em 1932 com a descoberta do nêutron. A estabilidade do núcleo só foi explicada em 1935 com a teoria das forças nucleares desenvolvida pelo físico japonês Hideki Yukawa ( ). 2.4 O desenvolvimento da Mecânica Quântica Segundo Lopes (2004), entre 1913 a 1925, busca-se aperfeiçoar as teorias de Bohr e estendê-la a todos os sistemas atômicos. O próprio Bohr afirmava freqüentemente que suas idéias tinham caráter provisório e que as concepções Físicas da época necessitavam de uma reforma para que fosse possível a construção de uma mecânica atômica consistente. A mecânica quântica nasce diante da incapacidade da Física Clássica em explicar certos fenômenos físicos, tais como a estabilidade atômica. De acordo com Ostermann (1999), o aprofundamento das idéias de Bohr sobre a quantização da energia dos elétrons nos átomos culmina, a partir de 1928, na chamada Teoria Quântica Moderna. No entanto, a teoria quântica deu seus primeiros passos com Planck, em A formulação da Mecânica Quântica surge com as investigações dos físicos Werner Karl Heisenberg ( ), Erwin Schrödinger ( ), Louis De Broglie ( ), entre outros. Esta área da Física envolve uma série de conceitos e equações matemáticas, que não caberiam ser colocadas neste trabalho, mas há algumas conseqüências que merecem ser mencionadas: foi o desenvolvimento desta teoria que proporcionou uma compreensão mais profunda, por exemplo, da dualidade onda-partícula, das propriedades das partículas elementares e da estrutura atômica O Princípio de Exclusão de Pauli Proposto pelo físico norte americano Wolfgang Pauli Junior ( ) em 1925, o Princípio da Exclusão de Pauli afirma que dois elétrons não podem ocupar o mesmo estado de energia. Ele acrescentou aos três números quânticos (n, l, e m) decorrentes da teoria de Bohr- Sommerfeld, um quarto número quântico, chamado de spin. Portanto, de acordo com Pauli, dois elétrons só poderiam coexistir em um mesmo subnível energético, se tivessem ao menos um dos quatro números quânticos diferentes. Dessa maneira, a estrutura atômica dos elementos ficou perfeitamente explicada (BASSALO, 1980a). Mais tarde, o spin foi 11

22 interpretado como um momento angular intrínseco, podendo ser atribuídos a ele valores inteiros e semi-inteiros. O Principio de Pauli foi importante para as descobertas de outras partículas, pois muitas das partículas arranjadas no Modelo Padrão 9 obedecem a este princípio. 3 Novas descobertas e algumas curiosidades 3.1 O Neutrino Na década de 1920, um problema atormentava os físicos. No decaimento beta (β) os elétrons emitidos dos núcleos atômicos não assumiam valores bem definidos como era o esperado, ao contrário, a energia emitida desses elétrons podia variar de zero até altos valores. Neste decaimento, o número total de prótons não é conservado, e nem o número de nêutrons. Isto levava a pensar que a conservação da energia não seria válida para todos os casos. Em um ato de desespero, Bohr sugeriu que as conservações de energia e momento linear, não seriam válidas para o mundo microscópico (SIQUEIRA, 2006, p ). Para tentar explicar este problema, Pauli em 1931, sugeriu a existência de uma partícula sem carga, com massa praticamente nula e fracamente interagente com a matéria, essa partícula seria emitida juntamente com o elétron no decaimento β. Com estas propriedades as partículas propostas por Pauli dificilmente seriam detectadas, e seriam as responsáveis por carregar a energia faltante ao elétron, não sendo assim necessário alterar os teoremas da conservação de energia. Em 1931, o físico italiano Enrico Fermi ( ) chamou esta partícula de neutrino (em italiano, pequeno nêutron), sendo representada por ν. A existência do neutrino foi totalmente aceito por volta da década de 1950, pelo fato de que se observou que a energia só era conservada no decaimento β se considerasse o neutrino fazendo parte do processo. Após árduo trabalho, a descoberta experimental do neutrino só ocorreu em 1956 no reator nuclear Savannah River, na Carolina do Sul, Estados Unidos. 3.2 O Pósitron A descoberta do pósitron está associada à idéia de que para cada partícula (matéria) há uma antipartícula (antimatéria) associada, possuindo a mesma massa e carga elétrica contrária à da partícula. 9 O Modelo Padrão que ainda será apresentado neste trabalho, consiste na organização das partículas elementares. Esse modelo é formado por seis quarks, seis léptons e as partículas mediadoras. 12

23 Em 1928, o físico inglês Paul Adrien Maurice Dirac ( ), ao generalizar a equação de Schrödinger sob a luz da relatividade restrita de Einstein, estabeleceu uma nova equação que é conhecida como equação de Dirac. Com essa equação ele demonstrou que havia a possibilidade de existirem na natureza partículas idênticas aos elétrons, mas com carga elétrica positiva, que Dirac chamou de antielétron (BASSALO, 1981). Dirac chegou a pensar que tais partículas poderiam corresponder aos prótons, mas como a massa não era semelhante, abandonou essa idéia. Então, o físico norte-americano Jacob Robert Oppenheimer ( ) mostrou que esta partícula não poderia ser o próton e, em 1931, o matemático alemão Hermann Klaus Hugo Weyl ( ) mostrou que, tendo em vista as propriedades de simetria de Dirac, tal partícula deveria ter a mesma massa do elétron. Em agosto de 1932, o físico norte-americano Carl David Anderson ( ) estudando a trajetória das partículas cósmicas em uma câmara de Wilson, que emergiam de uma placa de chumbo (colocada na câmara para frear as partículas, a fim de que pudessem ser observadas), percebeu que a trajetória era idêntica à do elétron com curvatura oposta. Desse modo, Anderson evidenciou as previsões teóricas feitas por Dirac sobre as antipartículas, no qual Anderson chamou de pósitron. Essa foi a primeira partícula elementar descoberta que não pertencia ao núcleo (SIQUEIRA, 2006). As previsões teóricas de Dirac e a descoberta do antielétron, o pósitron, levaram os físicos da época a procurarem outras antipartículas, como o antipróton e o antinêutron. Sendo que a descoberta dessas antipartículas só foi possível após o desenvolvimento da tecnologia dos aceleradores de partículas. 3.3 O Nêutron A teoria atômica já havia dado grandes passos, mas existiam algumas concepções que ainda não agradavam alguns físicos da época, como o fato de se pensar o núcleo atômico sendo formado apenas, por partículas de carga positiva, a estrutura nuclear deveria ser descrita melhor. Assim, em 1920, Rutherford ao apresentar os resultados de seus experimentos, sugeriu a existência de uma partícula neutra como constituinte do átomo. Essas partículas, não poderiam ser verificadas experimentalmente através do uso de campos elétricos e magnéticos, uma vez que são neutras. Foram as experiências feitas por Walther Wilhelm Georg Frank Bothe ( ), Herbert Z. Becker ( ), e pelo casal Joliot-Curie, que permitiu observarem que o bombardeio de berílio por partículas alfa emitia uma radiação muito penetrante. Porém, segundo Bassalo (1980b), essas radiações penetrantes não foram muito 13

24 bem interpretadas por nenhum dos responsáveis pelas observações. Coube então ao físico inglês James Chadwick ( ), em 1932, após repetir as observações, a interpretação de tal radiação como sendo uma partícula neutra, com massa aproximadamente igual a do próton, chamando-a de nêutron. A hipótese de que o nêutron, assim como o próton, fosse também um constituinte do núcleo foi formulada em 1932 por Heisenberg e, independentemente, no mesmo ano, pelo físico russo Dimitrij Iwanenko (BASSALO, 1980a). A descoberta do nêutron como partícula constituinte do núcleo, contribuiu para fundamentar a descrição nuclear, agora o núcleo é descrito por prótons e nêutrons, formando a massa e a carga do núcleo. Mas, sendo o núcleo composto por prótons e nêutrons como explicar sua estabilidade? Surge então a hipótese da existência de uma nova interação (nuclear ou forte) para explicar por que o núcleo não explode (OSTERMANN, 1999). 3.4 As interações fundamentais Antes de dar continuidade às novas descobertas e caminhar para a explicação da interação que existe entre o núcleo, que impede assim o seu rompimento, é necessário entender as interações fundamentais conhecidas como: força nuclear forte e força nuclear fraca. No entanto, anteriores a estas, já se sabiam da existência de duas interações fundamentais: a força gravitacional e a força eletromagnética. Pode-se descrever a força como sendo o resultado da interação entre corpos, podendo variar seu estado inicial, ou seja, o estado de movimento do corpo. Atualmente, entende-se que, [...] as forças são transmitidas pela troca de partículas mediadoras 10 (OSTERMANN, 1999). Dessa maneira, são quatro as interações fundamentais da natureza e cada uma delas possui suas respectivas partículas mediadoras, são elas: força gravitacional, onde o gráviton é a sua partícula mediadora; força eletromagnética, tendo o fóton como mediador; força forte, que possui a partícula mediadora chamada de glúon; e força fraca, que têm as partículas W +, W - e Z 0 como mediadoras. Um dos grandes desejos da Física é construir uma teoria unificada de todas as interações fundamentais da natureza, denominada de Teoria Unificada, que explicaria todos os fenômenos em termos de uma única interação fundamental. Um passo importante já foi 10 As partículas mediadoras são aquelas trocadas durante a interação. No decorrer do trabalho essas denominações ficarão mais claras. 14

25 dado neste sentido pela unificação das interações eletromagnética e fraca, chamada de força eletrofraca Força gravitacional Qualquer corpo que possua massa sofre a ação da força gravitacional; como ao seu redor é criado um campo gravitacional, eles se atraem mutuamente. No Universo é esta a força que rege todos os movimentos dos corpos celestes, e quanto maior a distância entre os corpos, menor é a intensidade da interação gravitacional entre eles, pois, essa intensidade diminui com a distância. Sua ação é relevante apenas para corpos de massa muito grande, pois sua intensidade é baixa. A força gravitacional tem ação a distância e teoricamente possui uma partícula mediadora chamada de gráviton. Porém, de todas as partículas mediadoras esta é a única que ainda não foi detectada experimentalmente (MOREIRA, 2004) Força eletromagnética A força eletromagnética envolve corpos com cargas elétricas e, assim como a força gravitacional, tem ação a distância. É ela, a interação responsável por elétrons (partículas com carga negativa) girarem ao redor do núcleo atômico (positivo), permitindo assim, que os átomos sejam formados. A partícula mediadora da força eletromagnética, denominada de fóton, não possui carga e nem massa Força forte Segundo Bassalo (1981), em 1935 Yukawa sugeriu que os núcleons (nome coletivo para prótons e nêutrons) se ligassem ao núcleo por uma nova força da natureza, porém de curto alcance e muito forte e que seria análoga à força eletromagnética; essa nova força ficou conhecida como interação forte. A força forte ou força nuclear forte é a mais forte no âmbito das partículas elementares e mantém juntos prótons e nêutrons no núcleo atômico (MOREIRA, 2004). Como sugerido por Yukawa, a atuação desta força é de curto alcance (restrita a dimensões de m), com distâncias menores que o raio do núcleo atômico. 11 Neste trabalho não será apresentado o conceito desta teoria, eletrofraca, ficando apenas citado a sua existência. 15

26 De acordo com Ostermann (1999), o núcleo só é estável pela ação da força forte, pois se não fosse assim, a força eletromagnética de repulsão que age entre os prótons no interior do núcleo, causaria seu rompimento. A partícula mediadora da força forte é o glúon Força fraca A força fraca ou força nuclear fraca é assim denominada porque é fraca em intensidade se comparada à forte (OSTERMANN, 1999). Esta força atua também dentro do núcleo e é responsável pelo decaimento β. As partículas mediadoras da força fraca são: W +, W - e Z 0. Estas partículas mediadoras possuem massa quase cem vezes maior que a massa do próton, limitando assim a ação da força fraca, que é da ordem de m. A intensidade relativa a cada força fundamental pode ser determinada, e possuem os seguintes valores: A intensidade relativa das quatro forças é indicada pela força aproximada, em newtons, entre dois prótons colocados a uma distância de metros entre si. Eles têm de ficar assim próximos, para que as forças fraca e forte (indireta), que têm alcance muito restrito, tenham a possibilidade de mostrar sua intensidade: gravidade, ; força fraca, ; força eletromagnética, 10; força forte, 10 3 (SILVER, 2003, p. 599). 3.5 Os múons, os píons e a estabilidade do núcleo Em 1935, Yukawa tentou explicar as forças que mantinham o núcleo atômico coeso, sabendo que os fótons eram as partículas mediadoras da interação eletromagnética. Por analogia, imaginou que as forças nucleares também deveriam ser mediadas por uma partícula até então desconhecida, porém, diferentemente do fóton estas deveriam possuir massa e carga elétrica. Yukawa chegou a estimá-la como sendo da ordem de 200 vezes a massa do elétron 12 (BASSALO, 1981). A estas partículas foi dado o nome de méson (em grego, intermediária), e que, segundo Yukawa, se apresentariam em três formas: positivo, negativo e neutro. A primeira evidência sobre a existência de partículas com esta massa se deu em 1936, com os físicos norte-americanos Anderson e Seth Henry Neddermeyer ( ), através de estudos com raios cósmicos. A partícula observada por eles possuíam uma massa intermediária entre a do próton e a do nêutron, conforme previsto por Yukawa. Porém, estas 12 A massa de repouso do elétron é de 0,5 MeV/c². Portanto, Yukawa previa que a massa dos píons seria da ordem de 100 MeV/c². 16

27 partículas não eram exatamente as previstas por Yukawa, e foi sugerido que deveriam existir duas espécies de mésons, os de Anderson e os de Yukawa (BASSALO, 1981). O méson descoberto por Anderson foi chamado de méson (μ) que mais tarde passou a ser conhecido como múon sendo representado por μ. O méson μ ou múon possui duas cargas elétricas possíveis (μ + e μ - ). A partícula mediadora da interação nuclear entre prótons e nêutrons prevista por Yukawa foi descoberta em 1947 pelo físico brasileiro Cesare Mansueto Giulio Lattes ( ) e pelo físico inglês Cecil Frank Powell ( ), ao fazerem observações sobre raios cósmicos com emulsões nucleares fotográficas expostas a 5220 metros de altitude no Laboratório de Física Cósmica em Chacaltaya, próximo a La Paz na Bolívia; detectaram rastros que concluíram serem os mésons (π) de Yukawa. Hoje, estas partículas são chamadas de píon e são representadas por π. Segundo Moreira (2007), os mésons π + e π foram produzidos em aceleradores de partículas em 1948 na Universidade de Berkeley, e o méson π 0 foi produzido em 1950 também com experimentos de colisões de partículas em aceleradores. Os píons são partículas instáveis, sendo assim, vivem por um pequeno intervalo de tempo e posteriormente decaem em outras partículas. Os píons com carga positiva (+1) e negativa (-1) possuem um tempo de vida em torno de 10-8 segundos, e o píon neutro da ordem de segundos. De acordo com Ostermann (1999), os píons agem no sentido de intermediarem a troca de partículas entre os núcleons, não sendo os verdadeiros mediadores da força forte entre os prótons e os nêutrons; as partículas mediadoras são os glúons. E é por isto que atualmente a força forte é subdividida em fundamental e residual. A hipótese de Yukawa previa que a partícula mediadora (píon) poderia ser emitida por um nêutron e absorvido por um próton, ou vice e versa, fazendo assim com que o nêutron e o próton exercessem força um sobre o outro, a chamada força forte (MOREIRA, 2004). De acordo com Eisberg e Resnick (1979), Yukawa propôs que um núcleon freqüentemente emitisse uma partícula (o píon), e a troca desta partícula entre os núcleos daria origem a força nuclear. As descobertas experimentais a partir das hipóteses levantadas por Yukawa permitiu a verificação de sua teoria, e também de que a força nuclear (forte) seria então a responsável pela estabilidade do núcleo. 17

28 3.6 O Projeto Manhattan Menos de uma década após a descoberta do nêutron, Chadwick estava em Washington tentando convencer os Estados Unidos a iniciarem o Projeto Manhattan (MADDOX, 1999). O Projeto foi instituído em 1943 e centralizado no Laboratório de Los Alamos, no Novo México, marcando assim a ação norte-americana no desenvolvimento da bomba atômica. Mas, até este período as teorias acumuladas para o desenvolvimento da bomba nuclear já estavam bem desenvolvidas, principalmente com a descoberta da fissão nuclear em 1939 e a produção por Bohr da água pesada (como um estimulador radioativo), podendo, assim, acelerar a reação em cadeia do Urânio. Os estudos sobre a separação do 235 U (Urânio 235) iniciou-se em 1939 e, juntamente com o Plutônio, o Urânio era o principal elemento de pesquisa para a bomba. A investida dos Estados Unidos na corrida da bomba atômica se deve ao fato dos supostos rumores de que os laboratórios alemães, sabendo dos resultados relacionados à fissão do núcleo de urânio, avançavam para a produção desta arma (LOPES, 2004), e também o ataque japonês às frotas navais norte-americanas atracadas em Pearl Harbour (oceano Pacífico) no ano de A Alemanha ao invadir a Noruega, em 1940, ganhou um trunfo, pois, apoderou-se da única planta para a fabricação da água pesada, fundamental para o processo nuclear. Alguns cientistas germânicos fugindo da perseguição nazista foram para a Grã-Bretanha e para os Estados Unidos. Os britânicos, por sua vez, possuíam estoques de água pesada, porém perceberam que não possuíam materiais suficientes para a fabricação de uma bomba, dessa maneira concordaram em dividir sua experiência com os Estados Unidos. E dessa forma deu-se origem ao ultra-secreto Projeto Manhattan, que contou também com a colaboração do Canadá. O físico norte-americano Julius Robert Oppenheimer ( ), foi quem liderou a parte científica deste projeto. Os Laboratórios de Los Alamos projetaram dois tipos de bombas, uma de Urânio e outra de Plutônio, respectivamente chamadas de Litlle Boy e Fat Man. Apenas a de Plutônio teve que ser testada antes do lançamento, pois tinham dúvidas a respeito do disparo. O local escolhido para o teste foi Alamogordo, no Novo México (EUA) e aconteceu no dia 15 de junho de A bomba causaria um impacto gigantesco apenas por dividir o núcleo atômico. Quando atingido por um nêutron, o núcleo do átomo de 235 U se parte e libera um fluxo de energia de enormes proporções, além de mais nêutrons. Estes por sua vez, bombardeiam outros núcleos 18

29 atômicos, iniciando uma reação em cadeia que gera em pouco tempo uma grande quantidade de energia. Uma quantidade específica de 235 U, conhecida como "massa crítica", é necessária para engatilhar a reação. No interior da bomba, o urânio é mantido separado em duas partes reunidas apenas no momento da detonação para formar a "massa crítica" e gerar a explosão. Em 06 de junho de 1945 a Alemanha havia se rendido, faltava então forçar a rendição japonesa. Não existiam dúvidas sobre o sucesso nas explosões das bombas construídas, deu-se assim o início na escolha das cidades a serem exterminadas. Recomendou-se que a bomba atômica deveria ser utilizada contra o Japão, contra um alvo duplo, isto é, constituído de instalação ou fabrica militar rodeada de casas ou edifícios susceptíveis de ser danificados (LOPES, 2004, p. 188). As cidades escolhidas foram Hiroshima e Nagasaki. Hiroshima recebeu a Litlle Boy em 06 de agosto de 1945 e três dias depois, Nagasaki foi destruída pela Fat Man. Na semana seguinte às explosões, o Japão rendeu-se. Os danos causados por estas duas bombas nas cidades japonesas não merecem serem citados neste trabalho. A bomba atômica lançada pelos Estados Unidos continha material físsil (aproximadamente 10 kg de 235 U ou aproximadamente 6 kg de 239 Pu), dispostos em recipientes com formato afunilado e acima desse material foi colocado trinitrotolueno (dinamite, TNT). No centro do artefato existe uma fonte de nêutrons. Quando as dinamites são detonadas, empurram as massas subcríticas de 235 U ou 239 Pu que são pouco compactadas para o centro do artefato, comprimindo-as e tornando-as críticas. Como estarão dessa maneira próximas da fonte de nêutrons, inicia-se a reação em cadeia. Logo após a explosão e sabendo do grande cogumelo de fogo surgido com a detonação, disse Openheimer: Transformei-me na morte, no despedaçador de mundos (LOPES, 2004, p. 188). 3.7 Os aceleradores de Partículas Até aqui já eram conhecidas as seguintes partículas: elétrons, prótons, nêutrons, neutrinos, pósitrons, múons e píons. No entanto, à medida que continuaram as pesquisas com raios cósmicos e aceleradores de partículas, o número de partículas proliferou. Foram a construção e os avanços tecnológicos dos aceleradores de partículas 13 que permitiram a 13 De acordo com Caruso e Oguri (1997, apud Siqueira, 2006) os tubos de raios catódicos são considerados os primeiros aceleradores de partículas. O tubo de raios catódicos é um aparato que produz descargas elétricas através de gases. 19

30 detecção de diversas partículas propostas teoricamente, algumas delas elementares e outras não. É por meio destas engenhosidades que os pesquisadores se empenham em encontrar partículas previstas teoricamente, mas que até o momento não foram detectadas experimentalmente. Portanto, o homem contemporâneo, assim como os pré-socráticos, busca respostas para a constituição do Universo. Ao longo dos séculos surgiram muitas indagações e diversas respostas vêm sendo sugeridas e confirmadas ao longo do tempo, no entanto, como dito anteriormente, há perguntas ainda sem respostas, mas que podem não tardar a surgir. Apesar dos raios cósmicos terem propiciado o desenvolvimento da Física de Partículas e a descoberta de matéria, tais como os pósitrons e os múons, e bombardearem a terra com dezenas destes corpúsculos a cada segundo, eles não permitiam o pleno controle das partículas incidentes. Então, viu-se a necessidade de construir equipamentos capazes de permitir a colisão de matéria de forma controlada, pois se sabia que ao colidir matéria com força suficiente era possível desfragmentá-la, gerando assim novas partículas. Maddox (1999) relata o inicio deste empreendimento humano: Na década de 1930, tanto na Europa quanto nos Estados Unidos, os cientistas começaram a projetar máquinas capazes de acelerar partículas, tanto elétrons como prótons, e usá-las para bombardear os núcleos de átomos, induzindo transformações nucleares (Ibid., p. 69). Um acelerador é um tubo de vácuo, no qual é possível acelerar uma variedade de projéteis (partículas) a velocidades altíssimas, muito próximas à velocidade da luz (c), e depois levadas a colidirem frontalmente com outras que se movimentam na direção oposta. Viajando a velocidades tão altas é necessário levar em conta a teoria da relatividade, assim as partículas possuem um significativo aumento de massa. Os aceleradores podem ser lineares e circulares. O primeiro acelerador linear empregado na investigação do núcleo foi o multiplicador de voltagem construído em 1930; com este equipamento conseguiram acelerar prótons. O primeiro acelerador circular construído foi o cíclotron (acelerador de prótons) em 1932, em Berkeley, Califórnia. Neste acelerador os projéteis são acelerados por um campo elétrico, e após adquirir a energia necessária, ele é dirigido para o alvo que se quer bombardear. O cíclotron foi desenvolvido pelos físicos norte-americanos Ernest Orlando Lawrence ( ) e Milton Stanley Livingston ( ) e foi capaz de produzir prótons de 4 Mev. 20

31 Segundo Bassalo (1983), quando no cíclotron eram utilizados elétrons na aceleração, surgia uma grande dificuldade: à medida que a velocidade dos elétrons aumentava a massa destas partículas também aumentavam, conforme indica a teoria da relatividade, fazendo com que a sua freqüência ficasse defasada em relação à freqüência do campo elétrico oscilante. Para resolver este problema construiu-se em 1940 o betatron, nele os elétrons eram acelerados em uma trajetória circular fixa, e o aumento da massa relativística era compensado pela variação do campo magnético. Mas o betatron, devido ao efeito relativístico, possuía limitações. Então, em 1947 construiu-se o primeiro sincrocicloton aplicando um princípio conhecido como estabilizador de fase 14. Nas décadas posteriores à construção dos primeiros aceleradores de partículas, a tecnologia progrediu de forma considerável. Hoje em dia existem aceleradores de partículas em diversos países. O incentivo às construções destes equipamentos se deu principalmente a partir do final da Segunda Guerra Mundial, gerado pela competição científica entre países como os EUA, a União Soviética (Rússia), países da Europa e o Japão. O Brasil também possui um acelerador de partículas localizado no Laboratório Nacional de Luz Síncroton (LNLS), em Campinas (SP), sendo este o único do gênero na América Latina. A construção de tais máquinas cada vez mais potentes são extremamente dispendiosas. Segundo Maddox (1999), em 1995 o congresso norte-americano não aprovou verbas de nove bilhões de dólares para que se desse continuidade na construção de um acelerador de partículas denominado Superconducting Super-Collider (SSC) no Texas, este que seria o maior acelerador do mundo deveria ter um túnel circular de 86 quilômetros de circunferência. Hoje, o maior acelerador de partículas e já em fase de acabamento é o chamado Large Hadron Collider (LHC), localizado na fronteira entre a Suíça e a França onde está o laboratório que abriga o Centro Europeu de Pesquisas Nucleares mais conhecido pela sigla CERN O gigante Europeu: LHC Após quase duas décadas de planejamento o LHC iniciou suas atividades experimentais no dia 10 de setembro de 2008 apenas para validação de todos os sistemas que o compõem, pois os testes efetivos se darão a partir de Os físicos irão recriar as condições 14 Princípio segundo o qual a freqüência de um campo elétrico oscilante em um ciclotron era sincronizada com a freqüência da partícula acelerada em uma dada órbita. 21

32 imediatamente após o big bang (explosão que supostamente deu origem ao universo) através da colisão frontal de matéria com alta energia. A cada segundo, um feixe de prótons, viajando com velocidade próxima à da luz no vácuo (c m/s), irá atravessar outro feixe com as mesmas características vindo em direção oposta, produzindo assim diversas outras partículas. Para se ter idéia da grandiosidade desta máquina, o LHC será dez vezes mais energético que o Tévatron, maior acelerador de prótons em atividade do mundo, localizado no Laboratório Fermi (Fermilab) nos Estados Unidos. E ainda poderá funcionar com cerca de 100 vezes mais prótons circulando no anel que o Fermilab. Quando as partículas (prótons) atingirem o máximo de energia, a cada segundo completarão mais de 11 mil voltas no anel de 27 quilômetros. Para que atinjam tamanha energia são usados imãs supercondutores que fazem com que o feixe de prótons siga a trajetória circular do anel. Esses equipamentos funcionam bem a baixas temperaturas e para isso serão resfriados a 271,25ºC negativos. O LHC possui aproximadamente 27 quilômetros de circunferência e está a 100 metros abaixo da superfície. É dotado de diversos detectores para que no momento da colisão possam capturar e selecionar as informações de que os físicos tanto almejam. Os detectores são: Alice, LHCb, Atlas e CMS. De todos os detectores o Atlas é o maior e, assim como o CMS, a sua construção se deu para determinar a existência (ou não) do bóson de Higgs, além de terem outras finalidades. Este complexo instrumento científico é um projeto com colaboração internacional, fazem parte 20 países-membros todos da Europa, 8 países-observadores e ainda diversos países colaboradores, entre eles o Brasil. Para a sua execução, iniciada em 1993, já foram consumidos em torno de US$ 6 bilhões. Terá valido a pena ter gasto um valor tão grande assim nesta área da Física? Há discordâncias nesta questão, mas o que resta é aguardar os resultados que ele poderá fornecer. Pode-se verificar que alguns autores parecem acreditar numa resposta afirmativa, como é o caso: A utilidade do conhecimento é difícil de ser aferida, mas não há notícia de país que tenha ficado mais pobre por conhecer demais (ESCOBAR e SHELLARD, 1999, p. 31). Como resposta a este questionamento, outro autor descreve: Muitos cientistas sentem que a ciência deveria ser útil, se possível. Eu sou um destes, mas o espírito deste livro, acredito, é consistente com aqueles cientistas, de que também sou um, que consideram a ciência como uma busca que não necessita 22

33 justificação prática. A física de partículas sem dúvida produziu algumas das idéias mais imaginativas e sutis da ciência, e o espetáculo das partículas elementares sendo domadas é um exemplo magnífico de intuição física, conhecimento matemático e grandes saltos da imaginação [...] (SILVER, 2003, p. 603). Um dos principais objetivos desta máquina é verificar a existência do bóson de Higgs, que foi proposta pelo físico inglês Peter Higgs (1929-) em Esta é a partícula que explicaria a massa dos chamados bósons mediadores (W ± e Z 0 ) (ABDALLA, 2005), cujas propriedades estão previstas no Modelo Padrão. Outra questão que caberá ao LHC dar respostas é o que aconteceu com a antimatéria criada a partir do big bang. No início do universo a antimatéria foi criada juntamente com a matéria em quantidades iguais, porém a matéria parece ter sido favorecida pela natureza. Toda partícula (matéria) possui sua antipartícula (antimatéria) e que ao se encontrarem são aniquiladas, sobrando apenas energia. É provável que esta aniquilação tivesse impedido que os seres vivos e todas as outras coisas existissem. Então, o que aconteceu com a antimatéria? 3.8 Criação e aniquilamento de partículas A simetria entre partícula e antipartícula é uma das verdades da Física atual. Sabe-se hoje, que para cada partícula existe uma antipartícula de massa idêntica e carga contrária, de spin igual e estranheza 15 oposta (SIQUEIRA, 2006). Quando um par matéria/antimatéria se encontra em uma reação, elas são aniquiladas mutuamente em forma de energia. Segundo Ostermann (1999), um exemplo de aniquilamento é a do par próton-antipróton: p + p Energia É possível criar par partícula-antipartícula a partir de energia. De acordo com Ostermann (1999), um exemplo de criação de um elétron-pósitron a partir de energia é o seguinte: Energia e + + e 3.9 Inúmeras outras descobertas Com o advento e o progresso de máquinas capazes de acelerar matéria, um rio de descobertas surge na Física de Partículas. Segundo Abdalla (2005), a década de 1950 é 15 A estranheza é uma propriedade das partículas e os valores atribuídos a esta regra são: ±3, ±2, ±1 ou 0. 23

34 marcada pelo número espantoso de novas partículas, eis algumas que surgiram nesta época: Κ +, Ʌ, Κ 0, Δ ++, Ξ, Σ +, p, no entanto, nenhuma delas elementar. As partículas Ʌ, chamadas de híperons (super, em grego), foram produzidas em 1952 ao conseguir acelerar prótons com energia da ordem de 1 GeV. Estas partículas já haviam sido detectadas nos raios cósmicos, pois perceberam que os raios cósmicos carregavam além de píons e múons outras partículas mais pesadas que os núcleons (SIQUEIRA, 2006). De acordo com Siqueira (2006), os híperons possuem como característica o fato de que seu decaimento resulta sempre num próton ou nêutron, por exemplo, Ʌ p + π. Entretanto, o decaimento desta partícula violava alguns princípios da Mecânica Quântica, segundo o qual se uma partícula é formada facilmente ela também é facilmente desintegrada. A partícula era facilmente produzida, mas seu decaimento era lento. Este fato foi explicado por Pais e Nishijama, ao mostrarem que os dois processos, produção e decaimento, são distintos. A produção depende da força forte e o decaimento depende da força fraca. Em 1962, cientistas observaram as primeiras evidências do neutrino do múon (ν μ ), fato que mostrava a existência de mais de um tipo de neutrino (ABDALLA, 2005). Em experimentos realizados utilizando o acelerador Alternating Gradient Synchrotron (AGS), dos decaimentos dos píons (mésons π) surgiam múons e neutrinos. De acordo com Ostermann (1999), algumas das possibilidades de decaimentos dos píons positivos podem ser as seguintes: π + μ + + ν π + e + + ν. Os neutrinos que aparecem nestas reações não são os mesmos. No primeiro decaimento apresentado, o neutrino produzido juntamente com o múon positivo é o neutrino do múon. Já o do outro decaimento é o neutrino do elétron (ν e ). Porém, aparentemente não é possível saber se estes neutrinos são diferentes, apenas que ao interagirem com um nêutron, o elétron com seu neutrino e o múon com seu neutrino não se misturam. Por exemplo: n + ν μ μ + p e nunca, n + ν μ e + p n + ν e e + p e nunca, n + ν e μ + p Alguns anos mais tarde, em 1975, no acelerador linear da Universidade de Stanford, nos Estados Unidos, foi encontrado o primo gordo do elétron e do múon, a partícula tau (τ), possuindo massa duas vezes maior que a do próton e podendo ter carga positiva ou negativa. 24

35 A partícula tau também tem um neutrino, o neutrino do tau (ν τ ). Como se sabe a cada partícula está associado sua correspondente antipartícula (simbolizada por uma barra acima do símbolo da partícula), assim os neutrinos também possuem os seus antineutrinos: ν e, ν μ e ν τ Velhas e novas leis de conservação e outras propriedades das partículas Nos processos que envolvem as partículas são observadas algumas leis de conservação, que podem restringir tais processos e explicar porque determinadas coisas acontecem e outras não. São elas: conservação de energia, conservação do momentum ou da quantidade de movimento e conservação da carga elétrica. A partir da década de 1950, com os aceleradores de partículas foi possível descobrir diversas novas partículas e na tentativa de explicar porque determinadas reações ocorrem e outras não, os cientistas propuseram novas propriedades das partículas e definiram suas regras de conservação. São elas: conservação do número bariônico, conservação do número leptônico e regra da estranheza Conservação de energia A energia total das partículas antes do decaimento deve ser igual à energia total após o processo. A energia total manifesta-se na forma de energia cinética e da energia de repouso da partícula (dada por E = m 0 c², onde m 0 é a massa de repouso da partícula) Conservação do momentum Em qualquer processo físico, o momentum total de um sistema de partículas deve permanecer o mesmo. O momentum de uma partícula é dado pelo produto de sua massa por sua velocidade, desde que esta velocidade seja muito menor que a da luz. Se num decaimento uma partícula decai em duas outras, considerando que o momentum total inicial seja zero, as partículas criadas devem emergir em sentidos opostos a fim de que o momentum total se conserve (OSTERMANN, 1999). Foi esta conservação que alguns cientistas por um momento, acreditaram que não seria válida para todos os processos físicos, pois o decaimento 25

36 β aparentemente desobedecia esta lei, fato este que foi satisfeito postulando a existência do neutrino Conservação da carga elétrica A carga elétrica das partículas também deve se conservar. Se num processo as partículas iniciais possuírem carga elétrica total igual a zero, independente de quantas partículas serão criadas, a soma da carga total, ao final também deve ser igual a zero Conservação do número bariônico Esta regra está relacionada ao número de prótons, nêutrons e outras partículas que pertencem à classe dos bárions. Todos os bárions possuem um valor igual a 1 ou -1, o chamado número bariônico. E todos os que não são bárions possuem um número bariônico igual a zero. Portanto, o número total de bárions deve permanecer constante e uma reação só poderá ocorrer se houver conservação do número bariônico. O número bariônico da antipartícula possui um valor oposto ao da sua partícula associada. Na tabela 1 é apresentado o número bariônico de alguns bárions. Bárion Símbolo Estranheza Carga Nº Bariônico Próton P Antipróton p Nêutron N Antinêutron n Lambda Ʌ Sigma Mais Σ Antisigma Mais Σ Sigma Zero Σ Antisigma Zero Σ Sigma Menos Σ Ksi Zero Ξ Antiksi Zero Ξ Ksi Menos Ξ Antiksi Mais Ξ Ômega Menos Ω Ksi Estrela Zero Ξ * Tabela 1: Algumas propriedades e o número bariônico de alguns bárions. Adaptado de Ostermann (1999). 26

37 Conservação do número leptônico A classe de partículas chamadas de léptons é caracterizada pelos chamados números leptônicos, todos os léptons possuem um valor igual a 1 ou -1, e todos os que não são léptons possuem um número leptônico igual a zero. São eles: número leptônico do elétron (L e ), número leptônico do múon (L μ ) e número leptônico do tau (L τ ). Esta nova quantidade também deve ser conservada nas reações. Na tabela 2 é apresentado o número leptônico dos léptons e antiléptons. Lépton Símbolo L e L μ L τ Elétron e Anti-elétron e Neutrino do elétron ν e Antineutrino do Elétron ν e Múon μ Antimúon μ Neutrino do Múon ν μ Antineutrino do Múon ν μ Tau τ Antitau τ Neutrino do tau ν τ Antineutrino do tau ν τ Tabela 2: Número leptônico dos léptons. Adaptado de Lopes (2004) Regra da estranheza Os cientistas começaram a observar que determinadas reações que deveriam ocorrer por obedecer todas as regras de conservação até então conhecidas, simplesmente não aconteciam. Então, era provável que estas reações desobedeciam a outra regra de conservação ainda desconhecida. Na década de 1950 estudando este tipo de reação, os físicos atribuíram às partículas uma nova propriedade chamada de regra da estranheza. As partículas devem obedecer a esta regra nas interações forte e eletromagnética. Caso a estranheza não seja conservada em uma reação, esta reação está ocorrendo sob a ação da interação fraca. Os valores possíveis de estranheza de uma partícula são: +3, +2, +1, 0, -1, -2 ou -3. Na tabela 1 acima, são apresentados alguns valores de estranheza para os bárions, observe que todas as antipartículas possuem valores de estranheza opostos aos de suas partículas associadas. 27

38 3.11 As partículas verdadeiramente elementares: os quarks Seriam as partículas constituintes do átomo fundamentais? Por muito tempo acreditouse que as partículas constituintes dos átomos: prótons, elétrons e nêutrons, seriam partículas elementares, ou seja, não seriam formadas por nenhuma outra partícula. No entanto, em 1964 Murray Gell-Mann (1929-) e George Zweig (1937-) independentemente, propuseram a hipótese do quark (OSTERMANN, 1999). Estas seriam partículas ainda mais fundamentais que as constituintes do átomo. Hoje aceita-se que os quarks, assim como os elétrons, são as partículas verdadeiramente elementares da matéria, uma espécie de tijolos básicos para a construção de toda a matéria, inclusive dos nêutrons e prótons (MOREIRA, 2007, p. 6). A teoria que levantou a hipótese dos quarks previa a existência de três tipos: quark up (u), quark down (d) e quark strange (s), também chamados de sabores, além dos antiquarks: anti-up (u ), anti-down ( d ) e anti-strange ( s ). A carga elétrica dessas novas partículas seriam fracionárias (± 1/3e, ± 2/3e). As propriedades relacionadas a estes quarks foram estabelecidas a fim de descrever as partículas já conhecidas, entendendo dessa maneira a composição dos hádrons 16. Os prótons e os nêutrons são formados pelos quarks mais abundantes da natureza, os quarks up e down. O próton é formado por dois quarks up e um down (uud), já o nêutron é formado por dois quarks down e um up (ddu). Dessa forma, os quarks em maior número, são também os responsáveis por formar a matéria. [...] para formar a matéria ordinária que nos rodeia precisamos apenas e tão somente da primeira família estável o elétron (com seu neutrino sempre à sua volta) e os quarks up e down, que são os formadores básicos dos prótons e nêutrons! (ABDALLA, 2005, p. 44). As teorias que cercavam a idéia dos quarks não eram bem vistas pelos físicos da época, pois, suas propriedades eram consideradas estranhas. Esta teoria previa a existência de uma partícula formada por três quarks strange (sss) denominada ômega menos (Ω ), e em pouco tempo mais tarde esta partícula foi encontrada, que fez com que a teoria dos quarks ganhasse credibilidade e atraísse o interesse e a atenção dos físicos. No entanto, o modelo de Gell-Mann apresentava um problema teórico, aparentemente, violava o Princípio de Exclusão de Pauli, segundo o qual é proibido que duas partículas iguais ocupem o mesmo estado de energia. Os quarks possuem spin ½ e, assim, devem obedecer ao Princípio de Exclusão: dois 16 A palavra hádron vem do grego que significa grosso ou pesado. Esta classe das partículas são as que interagem via força forte residual, são exemplo os prótons, os nêutrons e os píons. 28

39 ou mais quarks não podem ocupar o mesmo estado se possuírem sabores idênticos, portanto, a partícula Ω formada por três quarks s não poderia existir. Então, como solucionar este problema? No mesmo ano, 1964, os físicos Yoichiro Nambu 17 (1921-) e Moo-Young Han (1934-) propuseram um novo número quântico, propriedade que foi chamada de cor (ABDALLA, 2005). Dessa maneira, os quarks viriam em três sabores diferentes e também em três cores distintas (vermelho, verde e azul). Assim, os quarks não mais estariam no mesmo estado de energia. A propriedade cor é similar à carga elétrica, porém ocorrem em três variedades e não em duas como a carga elétrica. De acordo com Ostermann (1999), quarks carregam cargas coloridas positivas, e os antiquarks carregam as correspondentes cargas coloridas, no entanto, negativas. O número quântico cor foi proposto para resolver o problema do Princípio de Exclusão, no entanto, além desta, há outra razão para tal hipótese: Apesar de o número quântico cor ter sido proposto para resolver o problema do Princípio de Exclusão de Pauli, a razão mais profunda da necessidade desse número quântico extra consiste no fato de a força forte que inter-relaciona os quarks ser mediada pela cor. Em outras palavras, a força entre os quarks tem sua origem na cor. A cor é uma espécie de carga que origina a força forte, da mesma forma que a carga elétrica é fonte da interação eletromagnética (ABDALLA, 2005, p. 42). Na Física de Partículas busca-se freqüentemente a simetria ou, então, respostas para as assimetrias entre as partículas. Nesse sentido, à medida que léptons iam sendo detectados, fazia-se a seguinte pergunta: Por que então, não existir outro quark também? E, por questões de simetria, outros quarks foram propostos e posteriormente detectados. Desta nova leva de quarks, o primeiro a ser proposto foi o denominado quark charm (c), descoberto em No ano de 1977, pesquisadores do Fermilab anunciaram o descobrimento do quark botton (b), este era um quark maior que qualquer outra partícula já descoberta (ABDALLA, 2005). No início da década de 1980, questionavam a existência de um sexto quark, denominado de top (t), o mais massivo de todos que só foi encontrado em 1995 também no Fermilab (por equipe de pesquisadores que incluam cientistas brasileiros). A partir das propostas de Gell-Mann e Zweig, se passaram mais de trinta anos até encontrar o quark top, completando assim uma simetria entre os léptons (elétron, neutrino do elétron, múon, neutrino do múon, tau e neutrino do tau) e os quarks (up, down, strange, charme, botton e top), cada um possuindo a sua correspondente antipartícula. 17 Prêmio Nobel de Física 2008, devido à descoberta do mecanismo de quebra espontânea de simetria na física subatômica. 29

40 As partículas elementares (quarks) são separadas por gerações. A primeira geração consiste nos quarks up e down, que constituem a matéria estável do Universo. A segunda geração é formada por partículas mais instáveis e por quarks mais pesados: strange e charm. A terceira e última geração consistem nos quarks botton e top, sendo ainda mais pesados que os das outras gerações. De acordo com Silva e Natti (2007), não há evidências para que possam existir outros sabores de quarks. Os quarks apesar de serem fundamentais nunca foram detectados como partículas livres, só existem em estados ligados formando outras partículas. Aparentemente, os quarks estão sempre confinados em partículas chamadas hádrons (MOREIRA, 2004). Os constituintes da matéria são então formados pelos elétrons e pelos quarks up e down. A figura 1 abaixo representa a estrutura atômica aceita nos dias de hoje. Figura 1: Representação de um átomo (de acordo com Ostermann, 1999). Como apresentado, os quarks são partículas verdadeiramente elementares. No entanto, serão estes os constituintes últimos da matéria? Quem teria razão: DEMÓCRITO ou ANAXÁGORAS? Serão as partículas quark/antiquark os átomos de Demócrito, isto é, a série de partículas fundamentais constituintes da matéria seria limitada inferiormente, ou os quarks serão sementes, no sentido de Anaxágoras e, portanto, existirão outras sementes dentro dos quarks, que conterão outras sementes, ad infinitum? (BASSALO, 1983, p. 37). Ostermann (1999, p. 417), afirma que, implícita na hipótese dos quarks está a idéia de que estes são primordiais, invisíveis, isto é, os átomos de Demócrito. O que resta, é aguardar 30

41 que as investidas da Física de Partículas no novo acelerador de partículas (LHC) possa então contribuir na busca de respostas às questões como esta. 4 As partículas estão organizadas em grupos semelhantes É numerosa a quantidade de partículas descobertas até o momento, portanto estas partículas devem estar organizadas por características que as assemelham, separadas em classes de partículas. As partículas podem ser classificadas em bósons e férmions. Os bósons possuem spin inteiro, portanto, não obedecem ao Princípio de Exclusão de Pauli, já os férmions possuem spin semi-inteiro, assim obedecem ao Princípio de Exclusão. Na classificação das partículas constituintes da matéria, quarks e léptons são férmions e as partículas mediadoras são bósons. A seguir serão apresentadas as classes das partículas e as interações fundamentais importantes no Modelo Padrão, e diversas figuras que poderão facilitar a compreensão destas classificações. As descrições das classes de partículas bem como as figuras mostradas, em grande parte, foram baseadas e extraídas do trabalho de Ostermann e Cavalcanti (1999), em que elaboram um material didático em forma de pôster para o Ensino Médio, no intuito de contribuir para a renovação do currículo neste nível de ensino e também o de divulgar a Física de Partículas. 4.1 Os quarks e os léptons As partículas fundamentais são classificadas de acordo com a figura 2 abaixo. Nesta figura são agrupados os quarks e os léptons (constituintes fundamentais do Universo) juntamente com algumas de suas propriedades. Os léptons não têm carga cor, possuem carga elétrica inteira e podem existir como partículas livres, ao contrário dos quarks. Estas partículas não sofrem ação da força nuclear forte, no entanto, se interagem por meio das interações: eletromagnética e fraca. Já os neutrinos, por não possuírem carga elétrica, interagem apenas fracamente. A cada lépton está associado um antilépton (ver tabela 2 acima). Os quarks são partículas que interagem por meio das interações eletromagnéticas, fraca e forte, e possuem carga elétrica fracionária. Existem seis tipos ou sabores de quarks: u, d, s, c, b e t, e podem se apresentar em três cores distintas: vermelho, verde e azul, desta maneira 31

42 haveria dezoito quarks diferentes, porém a cada quark está associado um antiquark (u, d, s, c, b e t ), aumentando o número total de quarks e antiquarks para trinta e seis. Os quarks formam os hádrons, que se dividem em bárions (formados por três quarks) e mésons (formados por um par quark-antiquark). Como possuem spin semi-inteiro, estas partículas são classificadas como férmions (OSTERMANN e CAVALCANTI, Ibid.). Figura 2: Tabela de quarks e léptons (OSTERMANN e CAVALCANTI, 1999). Estas partículas são ainda classificadas por gerações. A primeira geração que constituem a matéria estável do Universo corresponde às duas primeiras linhas da figura 2. A segunda geração corresponde a terceira e quarta linha desta mesma figura, estas são partículas mais instáveis e pesadas que as da primeira geração. As últimas duas linhas referem-se à terceira geração, que são ainda mais pesados que as anteriores. 4.2 As partículas mediadoras As forças fundamentais conhecidas na natureza são quatro: força gravitacional, força eletromagnética, força fraca e força forte. Na tentativa de unir todas as forças fundamentais e devido aos aspectos semelhantes, a força eletromagnética e fraca foram unidas em um só fenômeno chamado de força eletrofraca. As interações das forças fundamentais se dão pela troca de partículas mediadoras. 32

43 A interação entre o elétron e o núcleo atômico é uma interação eletromagnética. Os quarks se atraem via força forte. A interação fraca é a responsável por todas as reações que envolvem neutrinos. A interação gravitacional atua sobre todos os corpos que possuem massa, porém no domínio das partículas elementares, sua atuação é irrelevante. O fóton é a partícula mediadora da força eletromagnética, este mediador não possui carga elétrica ou massa. Os mediadores da força forte são os glúons. O gráviton é a partícula mediadora da interação gravitacional. Já as partículas W +, W e Z 0 são as mediadoras da interação fraca e diferentemente dos fótons possuem massa (em torno de 80 GeV/c²), estas partículas atuam apenas nas dimensões nucleares. As partículas mediadoras são chamadas bósons, dentre elas apenas o mediador da força gravitacional, o gráviton, ainda não foi encontrado experimentalmente. A figura 3 abaixo apresenta as partículas mediadoras das interações fundamentais da natureza, bem como algumas de suas características. Figura 3: Tabela das partículas mediadoras (OSTERMANN e CAVALCANTI, 1999). Na figura 4 é apresentado algumas propriedades das interações fundamentais. Observase nesta figura que a força forte é dividida em duas: a força forte fundamental e a força forte residual, apesar de citadas neste trabalho elas ainda não foram definidas. A interação forte fundamental ou força forte fundamental ocorre entre os quarks, atuando sobre a carga cor que 33

44 interagem pela troca de glúons. Apenas as partículas que possuem esta propriedade (cor) é que interagem via força forte. A interação forte residual ou força forte residual ocorre entre os hádrons e a interação se dá pela troca de mésons (ver figura 7). Esta força atua de forma atrativa entre os núcleons, para todas as combinações de prótons e nêutrons, ou seja, um núcleon atrai outro núcleon. Apesar de os prótons e nêutrons serem formados por quarks que possuem a propriedade cor, tanto os prótons quanto os nêutrons são neutros em carga de cor. Figura 4: Propriedades das interações fundamentais (OSTERMANN e CAVALCANTI, 1999). A seguir na figura 5 é apresentado um mapa conceitual que simplifica o que foi demonstrado até agora. 34

45 Figura 5: Mapa conceitual das partículas mediadoras e interações fundamentais. Disponível em: Os bárions e os mésons Os bárions e os mésons são partículas classificadas como hádrons. Na figura 6 é apresentado alguns exemplos de bárions, as partículas e suas correspondentes antipartículas, e ainda algumas propriedades de cada um. Bárions possuem spin fracionário e obedecem ao Princípio de Exclusão, já os mésons não obedecem e possuem spin inteiro. Figura 6: Tabela dos bárions (OSTERMANN e CAVALCANTI, 1999). 35