::: PARTÍCULA DE QUEM? :::

Foto: Fabrice Coffrini/France Presse (via Folha Ciência)

Peter Higgs assediado pela imprensa depois do pronunciamento do CERN

 

Este simpático senhor da foto não é Deus. É simplesmente Peter Higgs, físico britânico, atualmente com 83 anos de idade, aposentado, e que se dedicou à pesquisa na área de partículas subatômicas. Claro que ele também deu aulas. Pesquisadores normalmente lecionam para passar adiante a sua experiência e o seu conhecimento.

Nesta semana, graças a um pronunciamento oficial de cientistas do CERN - The European Organization for Nuclear Research sobre resultados coincidentes em dois experimentos simultâneios do LHC - Large Hadron Collider, muito se falou na partícula de Higgs, o Bóson de Higgs, que muita gente ainda insiste em chamar de "Partícula de Deus". 

Que me lembre, nunca usei esta expressão aqui no blog. Nem nas minhas aulas. Não gosto dela porque não agrega nada ao verdadeiro significado físico da partícula e a sua função no Modelo Padrão de Partículas Elementares (veja post anterior). 

Pelo contrário, esta expressão tem servido apenas para:

  1. Turbinar de forma artificial manchetes de jornalistas sensacionalistas que vivem procurando ideias bombásticas com a intenção explícita de vender notícias a qualquer preço; 
  2. Confundir as pessoas que acabam entrando na onda e acreditando que as pesquisas científicas estão, de alguma forma, comprovando a existência de Deus.

Sobre "1", só posso dizer que somente jornalistas que não conhecem Física a fundo precisam de manchetes bombásticas. A Física, por si só, já é empolgante! Sou suspeito, eu sei. Adoro Física! E gosto dela justamente porque é instigante o tempo todo. Em particular, este capítulo da partícula de Higgs, dentro da história do átomo e das partículas subatômicas, é especialmente sensacional, pelo menos para quem gosta verdadeiramente de Ciência!   

E sobre "2", é lamentável. O jornalista científico, que deveria honrar o título científico e ser um divulgador da boa Ciência, vai na contramão do que seria a sua real tarefa e deseduca. E ainda pode ferir religiosos cuja leitura da expressão mal empregada pode soar como uma brincadeira ofensiva aos princípios religiosos. Péssimo!  

Então vamos combinar uma coisa: não use nem diga "Partícula de Deus". Fale, divulgue, conte pra todo mundo sobre a Partícula de Higgs, um novo bóson recém observado e praticamente comprovado por cientistas de alto nível (veja, no post anterior, o que é um bóson e mais detalhes sobre o grande colisor do CERN). Faça a sua parte e ajude a Ciência a tornar as pessoas mais esclarecidas! E aproveite para curtir o momento. Você está presenciando um fato marcante que já entrou para a história da Ciência! 

 

:: De onde vem a expressão "Partícula de Deus"

Leon M. Lederman, que dividiu o Nobel de Física de 1988 com Melvin Schwartz e Jack Steinberger pela descoberta (em 1962) do neutrino do muon e liderou a equipe do Fermilab que descobriu o quark bottom (b) em 1977, publicou em 1993 um livro cujo título original era "A Partícula Maldita" e contava a história da Física de Partículas para leigos. O editor achou que o nome não era bom e acabaram trocando por "A Partícula de Deus" ("The God Particle", no original em inglês). O livro ainda não tem edição em português. 

No texto, Lederman de fato faz uma analogia entre a atitude de Deus, descrita na Bíblia, e o comportamento do bóson tão procurado e nunca detectado. Mas analogia é bem diferente de correlação(1). Certo? Mas foi o suficiente para gerar confusão. 

 

:: Para que serve o Bóson de Higgs?

Higgs sugeriu em 1964 um campo de forças onipresente em todo o Universo. Falando de uma forma simples, sem muito requinte teórico, este campo deveria ou não interagir com as diversas partículas subatômicas.

Partículas que supostamente não interagissem com este campo, teriam massa de repouso nula(2). É o caso dos fótons e dos glúons, mediadores da interação eletromagnética e da interação nuclar forte, respectivamente (veja post anterior). Ao contrário, partículas que interagissem com este campo ganhariam massa. E quanto maior fosse esta interação, mais massa teriam. 

Achou abstrato? Eu também acho. Afinal, não vivemos neste mundo subatômico; Não estamos acostumados a ele! Mas a ideia, bastante razoável, foi bem aceita pela comunidade científica e passou a fazer parte do modelo teórico. A partir de então, os físicos experimentais de partículas começaram a busca por esta peça importantíssima no contexto do modelo. É incrível! Mas a busca pelo Bóson de Higgs tem praticamente a minha idade! 

Veja na tabela abaixo a enorme discrepância de massa (medida em MeV/c²) entre as diversas partículas elementares do Modelo Padrão. Os valores são aproximados. Clique na imagem para abrir versão maior (1000 pixels X 693 pixels). 

Clique!
Discrepância de massa de repouso entre diversas partículas (Clique)

 

Note que, enquanto o fóton (γ) tem massa de repouso nula e o elétron (e-) tem pouca massa, da ordem de 0,5 MeV/c², o quark top (t), muito mais massivo, tem 175000 MeV/c². Enorme diferença!

Quem é o responsável por esta enorme discrepância e diversidade de massa? O Bóson de Higgs! É a Partícula de Higgs que interage com as outras, a partir do campo de Higgs. E interagindo com intensidades diferentes, com diferentes partículas, cofere a elas maior ou menor massa.

O Bóson de Higgs é a 61a (e última) partícula prevista no quebra-cabeças chamado Modelo Padrão de Partículas Elementares que explica muito bem como a matéria surgiu e se organizou. Mas, como a Ciência sempre nos surpreende, não vou me espantar se novas partículas subatômias forem descobertas mais adiante para explicar fenômenos ainda não descobertos. Quem sabe ainda teremos no futuro o Modelo Padrão 2.0, um upgrade deste modelo original?

É por isso que a adoro Física. E não preciso de nada sensacionalista para ratificar esta minha paixão! Basta a minha curiosidade, a minha vontade de entender os caprichos cósmicos.  


(1) Sempre que ensino a Terceira Lei de Newton, também conhecida como Lei da Ação/Reação, gosto de, por analogia, dizer que trata-se da "Lei Física mais cristã". Neste momento os alunos sempre me olham com estranheza. Mas é a deixa para explicar que é só uma analogia. E então digo que na Bíblia, como todo mundo que teve formação cristã sabe, está dito "se levar um tapa, ofereça a outra face". Explico então que, fisicamente, segundo a Mecânica de Newton, quando alguém dá um tapa no seu rosto (força de AÇÃO), automaticamente recebe outra força do rosto na mão (força de REAÇÃO). Todo mundo se diverte. E grava a ideia! Era o que eu queria: ensinar, de forma inesquecível! Mas houve uma vez em que na prova pedi que os alunos escrevessem os enuncidados das leis de Newton. Depois tinham que dar exemplos de aplicação. E um aluno, para não "perder a viagem", declarou "_Não lembro bem. Mas é a Lei Cristã.". Analogias são muito importantes, mas um tanto quanto perigosas! Aprendi que devo usá-las com moderação! 
(2) O Modelo Padrão está em conformidade com a Teoria da Relatividade Restrita que prevê aumento de massa inercial de um corpo com o aumento da rapidez do seu movimento. Desta forma, em repouso o corpo tem uma massa menor chamada de massa de repouso. Em movimento, quanto mais veloz, ou seja, quanto maior a velocidade do corpo, maior será a sua masssa inercial que literalmente explode para o infinito se o corpo atinge a velocide da luz no vácuo.


Para ler e saber mais

- "O Discreto Charme das Partículas Elementares"
- autora: profa. Dra. Maria Cristina Batoni Abdalla.
- Editora da Unesp
- 344 páginas
- ISBN 85-7139-641-8 

Livro divertido, com linguagem simples, para não iniciados, e ricamente ilustrado. Recomendo! 

 

 

 

 


Já publicado aqui no Física na Veia!

 





Um forte abraço. E Física na Veia!
prof. Dulcidio Braz Júnior (@Dulcidio)
às 19h01





::
:: Clique e recomende este post para um amigo
::


 
  ::: NOVA PARTÍCULA? SIM. HIGGS? TALVEZ... :::

CERN

Peter Higgs chegando para a conferência no CERN

 

Acordei hoje de madrugada. Eram duas as motivações: 1. Ver/fotografar Júpiter e Vênus em conjunção. 2. Acompanhar as notícias sobre a possível descoberta do Bóson de Higgs, em tempo real, já que o CERN - The European Organization for Nuclear Research está 5 horas adiante de nós. 

As fotos publico mais tarde, noutro post. Vamos falar sobre Higgs, neste dia histórico!

 

:: O parecer oficial do CERN

Ratificando o que já havia sido divulgado no ano passado, agora com muito mais certeza (ou significância estatística), cientistas do CERN confirmam que tanto o CMS - Compact Muon Solenoid quanto o ATLAS - A Toroidal LHC Apparatus, dois dos quatro experimentos do LHC - Large Hadron Collider, desenhados para "ver" o Bóson de Higgs, descobriram uma nova partícula consistente com o que se espera ser o tão procurado bóson. 

Os físicos de partículas usam um critério estatístico para classificar uma partícula detectada. Para ser classificado como descoberta, é preciso alcançar o fator sigma 5. E conseguiram, com os dados obtidos pelo LHC em 2012 (ainda em análise) mais os dados de 2011. Vale lembrar que até o final do ano passado a energia por colisão próton-próton era de 7,0 TeV (3,5 TeV por próton). Em 2012 a máquina passou a operar a 8,0 TeV (4,0 TeV por próton). Também houve aumento no número de pacotes de prótons e, portanto, incremento no número de colisões. Sendo assim, o LHC acumulou uma quantidade de dados recorde e muito mais significativa, o que permitiu elevar os resultados experimentais para o nível de descoberta.

Segundo Fabíola Gianotti, pesquisadora e porta voz do ATLAS, "Sigma 5 garante que estamos diante de uma nova partícula. E sua massa está na região em torno dos 126 GeV".

Os cientistas já sabem que trata-se de um bóson. Joe Incandela, porta-voz do CMS, disse "Medimos um sinal significativo na região de 125 GeV. Sabemos que é um bóson. E o mais massivo observado até então". Mas os físicos não podem (ainda) garantir que seja o Bóson de Higgs, embora tudo indique que sim. O "ainda" pode, neste caso, ser medido e significa 99,9999999% de certeza!

Os dados dos dois experimentos divergem no tocante à massa inercial da nova partícula. E, por isso mesmo, a massa "oficial" divulgada até agora é 125,3 ± 0,6 GeV, ou seja, parece estar entre 124,7 GeV e 125,9 GeV.

Diante de tudo isso, Sergio Bertolucci, diretor do CERN, alegou ser "... praticamente impossível não ficar excitado!". Encontrar o Bóson de Higgs era uma prova de fogo para o LHC, quase uma "questão de honra". Detectá-lo, além de validar o Modelo Padrão de Partículas, ratifica que a máquina funciona à altura do que se esperava dela. E justifica (pelo menos cientificamente) o enorme investimento nela feito.

Peter Higgs, o físico inglês que nos anos 60 do século passado sugeriu a existência desse bóson  para justificar um mecanismo de quebra de simetria espontânea e que seria responsável por conferir massa a todas as partículas e, portanto, à matéria, estava presente no auditório do  CERN em Genebra, Suíça. e sob fortes aplausos, ficou emocionado (veja vídeo deste momento histórico). Me emocionei também por estar acompanhando de perto esta história que tem praticamente a minha idade. E ainda mais por ter tido a oportunidade de estar presente na Escola de Física do CERN em 2010 quando pude conhecer bem de perto tudo o que se faz por lá e a incrível máquina que é o LHC!

 

:: Como funciona o LHC

LHC é o quinto estágio de um complexo de aceleradores que ficam no CERN (veja mais detalhes neste post). Mas ele não é apenas um acelerador, é também um colisor de matéria.

Um dos slides da minha palestra "Um passeio virtual pelo maior experimento científico de todos os tempos", proferida na Campus Party São Paulo 2012 (dentre outros eventos) mostra duas coisas básicas que acontecem no LHC: o que chamo de efeito The Flash e efeito Chuck Norris.


Slide da minha palestra sobre o LHC

 

Chamo de efeito The Flash à aceleração de dois feixes de prótons até quase a velocidade da luz. Estes feixes viajam  em sentidos opostos, dentro de um anel subterrâneo de quase 27 km de circunferência. Em quatro sitios (ou experimentos) específicos (veja noutro slide abaixo) estes feixes podem se cruzar. E aí entra o efeito Chuck Norris: porrada! Pares de prótons podem colidir, trocando incríveis pancadas com muita energia (atualmente 8 TeV por colisão). 


Outro slide da minha palestra mostrando os 4 experimentos
[Veja comentário do Denis atualizando dados deste slide]

Destes choques, que podem chegar à incrível taxa de 6.108 colisões/segundo, emergem outras partículas. Detectores tridimensionais, posicionados nas cavernas subterrâneas dos quatro principais experimentos podem "ver" as trajetórias destas partículas e um complexo sistema pode medir parâmetros físicos delas (massa, energia, momento, etc), recriando os eventos observados. Algumas destas partículas podem ser diferentes de tudo o que já se observou. É aí que entram as descobertas. E é assim que descobriram o novo bóson que, por excesso de zelo, os cientistas dizem "ainda não ter certeza" de que se trata do Bóson de Higgs. Mas deve ser ele sim.

 

:: O Que é um bóson?

Na Física Estatística há dois possíveis tratamentos: o de Fermi-Dirac e o de Bose-Einstein.

Partículas que obedecem à estatística de Bose-Einstein são chamadas de bósons e têm spin inteiro. As outras partículas, que tem spin semi-inteiro e obedecem à estatística de Fermi-Dirac são chamadas de férmions.

Portanto, numa classificação mais geral, há duas famílias de partículas: bósons e férmions.

Fermions, como os elétrons, estão sujeitos ao conhecido Princípio da Exclusão de Pauli, assunto bem manjado e que é tratado no ensino médio. Por este princípio, dois fermions não podem ocupar o mesmo estado quântico simultaneamente. Mas os bósons não estão submetidos a este princípio. É justamente por este motivo que é possível obter em laboratório o estado conhecido como Super Condensado de Bose-Einstein. Nesta estado "diferente" da matéria, vários átomos distintos se comportam como se fossem (juntos) um único átomo gigante. Este comportamento coletivo exótico foi previsto em 1925 pelos físicos Albert Einstein (1879-1955) e Satyendra Nath Bose (1894-1974) mas só foi obtido em laboratório em 1995. 

No Modelo Padrão de Partículas Elementares (Standard Model, em inglês), os portadores das interações fundamentais são chamados de bósons de calibre. 

 

:: O Que é e para que serve o Modelo Padrão?

Sabemos que existem quatro interações fundamentais na natureza:

  1. Interação Eletromagnética
  2. Interação Nuclear Fraca
  3. Interação Nuclear Forte
  4. Interação Gravitacional

 

O Modelo Padrão é a teoria que descreve três (das quatro interações acima) bem como as partículas elementares que constituem a matéria. Só fica de fora a gravidade.  

Desta forma, o Modelo Padrão é compatível com a Física Quântica e a Relatividade Restrita. A Relatividade Geral fica de fora junto com a Interação Gravitacional.

A imagem abaixo, outro slide, de outra palestra, é uma "foto de família" do Modelo Padrão completo, com 61 partículas, incluindo o Bóson de Higgs. Clique na imagem para abrir versão maior (1200 pixels X 846 pixels). 

Clique para abrir versão maior

 

Note que o Modelo Padrão tem um "espelhamento" pois prevê a existência de matéria e de antimatéria.

Os constituintes do núcleo atômico (prótons e nêutrons) não são elementares e são feitos de partículas conhecidas por quarks do tipo up (u) e down (d). Mas o modelo ainda prevê outros quatro quarks: charm (c), strange (s), top (t) e bottom (b). São ao todo 6 quarks e 6 antiquarks. São 12 quarks e antiquarks mas que possuem três "sabores" diferentes. Logo, são 36 quarks. 

Fora do núcleo sabemos que existem os elétrons. O elétron é um lépton. Mas existem ao todo 6 léptons (em pares lépton e seu neutrino): o elétron e o neutrino do elétron, o muon e o neutrino do muon, e o tau e o neutrino do tau. Cada um deles tem a sua antipartícula, ou seja, temos ainda 6 antiléptons.

Os quarks trocam forças pela Interação Nuclear Forte cujo bóson mediador é o Gluon. Ao todo são 8 tipos de glúons para descrever esta interação. Os léptons trocam forças pela Interação Nuclear Fraca mediada pelos bósons Z+, Z- e W. 

Partículas com carga elétrica (prótons e elétrons,, por exemplo) podem trocar força eletrostática entre si. Esta força pertence à Interação Eletromagnética cujo bóson mediador é o Fóton.

E o Bóson de Higgs entra nesta turma para, através do mecanismo proposto por Peter Higgs, conferir massa a todo mundo.

Faça as contas:

36 quarks/antiquarks + 12 léptons/antiléptons + 12 glúons + 1 Z+ + 1Z- + 1W + 1 Fóton = 60 partículas elementares, todas bem conhecidas.

Portanto, o bóson de Higgs é a partícula 61 deste quebra-cabeças! Se deu tudo certo até 60/61 (~ 98% do modelo), seria possível dar tudo errado só agora, na última das 61 partículas? Parece que não. E tudo indica que o Modelo Padrão está salvo!  

CERN/ATLAS

Peter Higgs visitando o ATLAS ainda em construção

 

:: Massa em GeV/c²? Onde foi parar o kg?

O Modelo Padrão está em conformidade com a Física Quântica e com a Relatividade.

Todos conhecemos a equação mais pop da Física: E = m.c².  Ela foi proposta por Einstein em 1905 e nos mostra uma relação importantíssima entre massa inercial (m) e energia (E). É uma das colunas da Física Moderna.  

Estamos acostumados a medir massa em kg. Você vai ao açougue e compra 1 kg de contrafilé, por exemplo. A unidade quilograma faz parte do Sistema Internacional de Unidades.

Mas, segundo E = m.c², é mais conveniente para os físicos que trabalham com partículas usarem outras unidades de medida.

Para mostrar como é isso na prática, vou usar a notação de colchetes para representar apenas a unidade de medida. Assim, [E] é "unidade de medida de energia" bem como [m] deve ser lido como "unidade de medida de massa".

Como eu já disse, [m] = kg no Sistema Internacional. Neste mesmo sistema, [E] = J (joule). Mas na Física de Partículas é comum usarmos [E] = eV (lê-se elétron-volt) e seus múltiplos: keV = 103 eV (quilo eV), MeV = 106 eV (mega eV), GeV = 109 eV (giga eV) e TeV = 1012 eV (tera eV). 

1 eV corresponde à energia cinética que uma partícula de carga elétrica 1,6.10-19 C (carga elementar) "ganha" ao ser acelerada numa diferença de potencial de 1 V.  Assim, 1 eV = 1,6.10-19 J. 

Portanto, a unidade de medida de massa pode ser eV/c² ou seus múltiplos:

  • [m] = [E]/c² = eV/c²
  • [m] = [E]/c² = keV/c²
  • [m] = [E]/c² = GeV/c²
  • [m] = [E]/c² = TeV/c²
A vantagem de expressar massa nesta unidade é que, ao multiplicarmos m x c², já encontramos a energia em eV (ou seus múltiplos). Massa e energia, que segundo Einstein estão correlacionadas pelo fator c², passam a ter o mesmo valor numérico. Por exemplo, o bóson recém descoberto no LHC tem massa de 125 GeV/c² ou energia de repouso de 125 GeV. Massa e energia têm o mesmo valor numérico 125.109. Parece estranho. Mas, depois que se acostuma, é muito mais fácil raciocinar assim! Concorda?


Slide da palestra sobre o LHC abordando as unidades de medida

 

Não é difícil encontrar a correspondência entre GeV/c² e kg. Basta lembrar que 1 GeV = 1.10eV. E 1 eV = 1,6.10-19 J. A velocidade da luz ao quadrado (c²) vale (3.108)= 9.1016 (m/s)². Assim:

1 GeV/c² = (1.10x 1,6.10-19 J ) / 9.1016 (m/s)² = 1,78.10-27 kg.

Um próton, por exemplo, tem massa de repouso de 1,673.10-27 kg mas que pode ser expressa (pela equivalência acima) como 0,938 GeV/c². Um próton parado tem massa de 0,938 GeV/c² o que equivale a uma energia de repouso de 0,938 GeV (mesmo valor numérico). Entendeu?


Já publicado aqui no Física na Veia!

 

 

 





Um forte abraço. E Física na Veia!
prof. Dulcidio Braz Júnior (@Dulcidio)
às 11h44





::
:: Clique e recomende este post para um amigo
::


 
  ::: BÓSON DE HIGGS PODE SER CONFIRMADO :::

 

Começa amanhã, 4 de julho, a 36a ICHEP - International Conference on High Energy Physics.  O evento sediado em Melbourn, Austrália, vai até o dia 11 de julho.

Toda a comunidade científica está de prontidão e aguarda esta importante conferência internacional com muita expectativa pois nela podem ser divulgadas finalmente evidências experimentais da existência do Bóson de Higgs. 

O Bóson de Higgs é a última partícula que falta para validar o Modelo Padrão de Partículas Elementares e que tem na teoria o papel de conferir massa às outras partículas. 

Pesquisadores do CERN - The European Organizations for Nuclear Research, mais especificamente dos experimentos ATLAS - A Toroidal LHC Apparatus e CMS - Compact Muon Solenoid localizados ao longo do anel de 27 km do LHC - Large Hadron Collider, trabalharam no primeiro semestre de 2012 com a energia recorde de 8 TeV por colisão (4 TeV por próton). Com este valor de energia nunca antes alcançado, e com maior eficiência na coleta de dados, podem ter chegado a resultados muito promissores na validação da tão esperada partícula neste quebra-cabeças de 61 peças.

Enquanto isso, pesquisadores americanos do Fermilab analisam desesperadamente os seus próprios dados, obtidos com energia inferior, na intenção de descobrir neles alguma pista do Bóson de Higgs e entrar de carona nesta histórica descoberta (confira matéria no UOL Ciência).

Vamos aguardar. E que venha finalmente o Bóson de Higgs! 

CERN  vai transmitir as novidades ao vivo, via web, pelo seu Webcast (que começa lá em Genebra às 9h da manhã, 4h da madrugada pelo horário de Brasília)

 

:: Brasileiros no ICHEP

Os brasileiros Flávia de Almeida Dias, Sandra Padula, Thiago Tomei e Ângelo Santos, coordenados pelo prof. Dr. Sergio Novaes do IFT da UNESP vão participar da Conferência Internacional de Física de Altas Energias em Melbourne.

Eles fazem parte do SPRACE - São Paulo Research and Analysis Center que colaborou ativamente no DZero do Fermilab, nos Estados Unidos, experimento que operou até setembro de 2011, e também atua em pesquisas junto ao CMS do  CERN com a qual já publicou mais de 130 trabalhos científicos. .

Flávia Dias é minha conterrânea e foi minha aluna. Falei dela neste post. E em fevereiro deste ano ela participou via Skype, ao vivo, diretamente do CERN (Genebra, Suíça), da minha palestra "Um passeio virtual pelo maior experimento científico de todos os tempos" proferida na Campus Party São Paulo (veja aqui).  


Flávia Dias, ao vivo do CERN, durante minha palestra na Campus Party


Já publicado aqui no Física na Veia!

Não deixe de conferir o índice completo de posts sobre o  LHC





Um forte abraço. E Física na Veia!
prof. Dulcidio Braz Júnior (@Dulcidio)
às 14h37





::
:: Clique e recomende este post para um amigo
::


 
  [ página principal ] [ ver mensagens anteriores ]  
 
 
 



Dulcidio Braz Jr
Físico/Professor, 49 anos

São João da Boa Vista
São Paulo/Brasil
  visitante(s) on line agora
Física na Veia!, um Blog Legal do UOL!
Clique e assine

Busca aqui no Física na Veia!
 
 

Clique para conhecer meu livro de Física Moderna
Sobre Física, você diria que:
Adora
Gosta, mas tem muita dificuldade em aprender
Não gosta, mas reconhece que é importante
Não gosta e acha bobagem
Odeia
Votar Ver resultado parcial





  ESPECIAIS TEMÁTICOS








Clique aqui e dê sua nota para o Física na Veia

Clique aqui e indique o Física na Veia para os amigos!





Add to Technorati Favorites