Primeira aula do Projeto ' Aprendendo Física com o LHC', apresentado dia 25 de agosto de 2010, pela disciplina de Atividades de Ensino de Física III, do curso de Licenciatura em Física da FURG

1. Conhecendo o anti-eu, Conhecendo o anti-você

2. “ Antimatéria?—é um combustível poderoso, né? Vi isso nos filmes 'Anjos e Demônios' e 'Jornada nas Estrelas'.” “ Acho que tem a ver com espaçonaves qeu se movem a velocidade da luz – elas usam reatores com antimatéria, né?” “ Li numa revista que ela pode se tornar uma fonte de combustível no futuro.” “ OK. Diga-me— afinal de contas, o que É antimatéria?” “… onde podemos conseguir um pouco? O carro deve ficar muito mais veloz!” A SEGUIR MOSTRAMOS ALGUMAS QUESTÕES SOBRE ANTIMATÉRIA, QUE SURGEM ENTRE OS ALUNOS DOS PRIMEIROS ANOS DO ENSINO MÉDIO

3. Do filme “Anjos & Demônios” (2009) * To see the video, click on the picture :

4. Antimatéria já esteve perto da cultura popular bem antes do lançamento do filme “Anjos & Demônios” ( ou do livro de 2000 do novelista Dan Brown, no qual o filme está baseado). As frases seguintes são alguns exemplos, da série de TV “Jornada nas Estrelas” (anos 60):

5. De Jornada nas Estrelas – série original Episódio da 3a. Temporada (1969 ) Spock: Quando eu acesso o controle de combustível da nave, existe um tubo conectado à câmara de reação matéria-antimatéria. Scotty: Isto mesmo, existe um acesso de serviço, mas isso não quer dizer que seja usado enquanto o integrador opera. Spock: Mesmo assim, está ali e pode interromper o fluxo de combustível naquele ponto. Scotty: Com o quê? Com as mãos nuas, sem proteção? Spock: Uma sonda magnética. Scotty: Qualquer matéria que entrar em contato com a antimatéria desencadearaá uma explosão. E não acredito que um homem possa viver neste acesso durante o fluxo de energia do campo magnético que mantém a antimatéria aprisionada! Spock: Posso tentar!. Scotty: Você vai acabar morrendo lá! Spock: Se não tivermos outra solução, rápido, este é o destino que nos espera. Star Trek © Paramount Pictures

6. De Jornada nas Estrelas – série original Episódio da 1a. Temporada (1967) Kirk: Não estou entendendo você. Spock: Dois universos paralelos – imagine isso—um positivo e outro negativo. Ou mais especificamente, um matéria, outro antimatéria. Kirk: Você tem certeza do que está dizendo? Matéria e antimatéria tem uma tendência a mutuamente se cancelarem - violentamente Spock: Precisamente. Sob certas condições— quando duas partículas idênticas de matéria e antimatéria se encontram. Aniquilação, Jim. Total, completa e absoluta. Star Trek © Paramount Pictures

7. De Jornada nas Estrelas – A próxima geração Episódio da 1a. Temporada (1988) Voz do Computador: Última questão do teste hipermídico de física: “Se tanques de matéria e antimatéria numa espaçonave intergaláctica estão 90% vazios, calcule a taxa de mistura necessária para alcançar a base estelar, distante 100 anos-luz, numa velocidade warp 8”. Comece agora. Star Trek © Paramount Pictures

8. Bem , isto são algumas coisas que filmes e a TV nos tem falado sobre a antimatéria. Mas, qual é a realidade?

9. Apenas QUATRO partículas compõem toda a matéria visível no Universo…

10. Apenas QUATRO partículas compõem toda a matéria visível no Universo… electron neutrino up quark down quark

11. Mas o Universo ainda tem outras partículas escondidas debaixo da manga. Por exemplo, cada partícula da matéria tem um gêmeo. Não, não é um gêmeo mau… electron neutrino up quark down quark

12. … um gêmeo de ANTIMATÉRIA. Tradicionalmente usa-se uma pequena barra no símbolo da partícula de antimatéria para distingui-la do símbolo para sua gêmea de matéria (a exceção é o pósitron, onde usamos um ‘+’ no lugar do ‘  ’ do elétron). electron neutrino up quark down quark positron anti-neutrino anti-up quark anti-down quark

13. Antimatéria não é algo somente da ficção científica. Ela existe. É o assunto (ou melhor, o antiassunto) da ciência. Tradicionalmente usa-se uma pequena barra no símbolo da partícula de antimatéria para distingui-la do símbolo para sua gêmea de matéria (a exceção é o pósitron, onde usamos um ‘+’ no lugar do ‘  ’ do elétron). electron neutrino up quark down quark positron anti-neutrino anti-up quark anti-down quark

14. Matéria, Antimatéria: Qual é a diferença?

15. Existe uma diferença sutil e óbvia: Matéria, Antimatéria: Qual é a diferença? − 1 +1

16. Existe uma diferença sutil e óbvia: Uma partícula de matéria que tem uma CARGA ELÉTRICA tem uma antipartícula gêmea com a carga exatamente oposta. Matéria, Antimatéria: Qual é a diferença? − 1 +1

17. Existe uma diferença sutil e óbvia: Uma partícula de matéria que tem uma CARGA ELÉTRICA tem uma antipartícula gêmea com a carga exatamente oposta. Por exemplo, se o elétron tem carga igual a  1, Matéria, Antimatéria: Qual é a diferença? − 1 +1

18. Existe uma diferença sutil e óbvia: Uma partícula de matéria que tem uma CARGA ELÉTRICA tem uma antipartícula gêmea com a carga exatamente oposta. Por exemplo, se o elétron tem carga igual a  1, Matéria, Antimatéria: Qual é a diferença? − 1 +1 − 1 Electron Charge:  1

19. Existe uma diferença sutil e óbvia: Uma partícula de matéria que tem uma CARGA ELÉTRICA tem uma antipartícula gêmea com a carga exatamente oposta. Por exemplo, se o elétron tem carga igual a  1, então sua antipartícula, o pósitron, tem carga igual a  1. Matéria, Antimatéria: Qual é a diferença? +1 − 1 Electron Charge:  1

20. Existe uma diferença sutil e óbvia: Uma partícula de matéria que tem uma CARGA ELÉTRICA tem uma antipartícula gêmea com a carga exatamente oposta. Por exemplo, se o elétron tem carga igual a  1, então sua antipartícula, o pósitron, tem carga igual a  1. Matéria, Antimatéria: Qual é a diferença? − 1 +1 Electron Charge:  1 Positron Charge:  1

21. Lembre-se que prótons e neutrons São compostos por combinações específicas de quarks up e down, e que estes quarks tem carga fracionária…

22. Composto de: 2 quarks up e 1 quark down Carga total: ⅔ + ⅔ − ⅓ = +1 PRÓTON ( p ) +⅔ +⅔  ⅓

23. Composto de: 1 quark up e 2 quarks down Carga total: ⅔ − ⅓ − ⅓ = 0 +⅔  ⅓  ⅓ NEUTRON ( n )

24. Da mesma forma, combinações específicas de quarks anti-up e anti-down formam antiprótons and antineutrons. Novamente, os quarks anti-up e anti-down tem a carga elétrica oposta a seus gêmeos da matéria…

25. Composto de: 2 quarks anti-up e 1 quark anti-down Carga total: -⅔ − ⅔ + ⅓ = −1 ANTIPRÓTON ( p ): -  ⅔  ⅔ +⅓

26. Composto de: 1 quark anti-up e 2 quarks anti-down Carga total: -⅔ + ⅓ + ⅓ = 0 Note que o antineutron também tem carga nula. Se uma partícula não tem carga, sua antipartícula também não tem carga. ANTINEUTRON ( n ): -  ⅔ +⅓ +⅓

27. E o que podemos falar sobre a carga???

28. A CARGA ELÉTRICA DE UMA PARTÍCULA (COMO A MASSA) É UMA PROPRIEDADADE DA MATÉRIA

29. ALGUMAS PARTÍCULAS TEM UMA CARGA ELÉTRICA, OUTRAS NÃO:

30. O ELÉTRON E OS QUARKS UP E DOWN SÃO EXEMPLOS DE PARTÍCULAS QUE POSSUEM CARGA: ALGUMAS PARTÍCULAS TEM UMA CARGA ELÉTRICA, OUTRAS NÃO: CARGA DO QUARK UP = + ⅔ CARGA DO ELÉTRON = -1 CARGA DO QUARK DOWN = - ⅓

31. ALGUMAS PARTÍCULAS TEM UMA CARGA ELÉTRICA, OUTRAS NÃO: O FÓTON E O NEUTRINO SÃO EXEMPLOS DE PARTÍCULAS QUE NÃO POSSUEM CARGA: CARGA DO FÓTON = 0 CARGA DO NEUTRINO = 0

32. O PRÓTON TEM UMA CARGA TOTAL DE +1 DEVIDO AOS QUARKS QUE O COMPÕEM CARGA DO PROTON = +1  ⅔  ⅔  ⅓

33. O NEUTRON TEM UMA CARGA TOTAL NULA DEVIDO AOS QUARKS QUE O COMPÕEM CARGA DO NEUTRON = 0 CARGA DO PROTON = +1  ⅔  ⅔  ⅓  ⅓  ⅓  ⅔ O PRÓTON TEM UMA CARGA TOTAL DE +1 DEVIDO AOS QUARKS QUE O COMPÕEM

34. VOCÊ PROVAVELMENTE JÁ CONHECE O COMPORTAMENTO DAS PARTÍCULAS CARREGADAS

35. VOCÊ PROVAVELMENTE JÁ CONHECE O COMPORTAMENTO DAS PARTÍCULAS CARREGADAS POR EXEMPLO, VOCÊ PROVAVELMENTE JÁ TEM IDÉIA DE QUE CARGAS IGUAIS por exemplo, duas cargas negativas

36. VOCÊ PROVAVELMENTE JÁ CONHECE O COMPORTAMENTO DAS PARTÍCULAS CARREGADAS POR EXEMPLO, VOCÊ PROVAVELMENTE JÁ TEM IDÉIA DE QUE CARGAS IGUAIS por exemplo, duas cargas negativas − −

37. VOCÊ PROVAVELMENTE JÁ CONHECE O COMPORTAMENTO DAS PARTÍCULAS CARREGADAS POR EXEMPLO, VOCÊ PROVAVELMENTE JÁ TEM IDÉIA DE QUE CARGAS IGUAIS por exemplo, duas cargas negativas − −

38. VOCÊ PROVAVELMENTE JÁ CONHECE O COMPORTAMENTO DAS PARTÍCULAS CARREGADAS POR EXEMPLO, VOCÊ PROVAVELMENTE JÁ TEM IDÉIA DE QUE CARGAS IGUAIS por exemplo, duas cargas negativas − − vão se REPELIR

39. VOCÊ PROVAVELMENTE JÁ CONHECE O COMPORTAMENTO DAS PARTÍCULAS CARREGADAS E QUE CARGAS OPOSTAS − +

40. VOCÊ PROVAVELMENTE JÁ CONHECE O COMPORTAMENTO DAS PARTÍCULAS CARREGADAS E QUE CARGAS OPOSTAS - +

41. VOCÊ PROVAVELMENTE JÁ CONHECE O COMPORTAMENTO DAS PARTÍCULAS CARREGADAS E QUE CARGAS OPOSTAS vão se ATRAIR - +

42. UM COMPORTAMENTO DAS PARTÍCULAS CARREGADAS QUE VOCÊ PODE NÃO ESTAR FAMILIARIZADO É O QUE ACONTECE COM ELAS NUM CAMPO MAGNÉTICO

43. Você provavelmente já viu como linhas de limalha de ferro se formam ao redor de um imã em barra:

44. Dizemos que a limalha de ferro se alinha com o campo magnético que cerca o imã.

45. Para mostrar o que acontece às partículas carregadas num campo magnético, Vamos considerar um imã em “ferradura”...

46. S N Para mostrar o que acontece às partículas carregadas num campo magnético, Vamos considerar um imã em “ferradura”...

47. N S … e que esta caixa limita a região onde o campo magnético está concentrado.

48. N S O campo tem uma direção associada com ele, como mostra a seta. A direção do campo magnético sempre aponta do polo Norte para o polo Sul do imã. Direção do campo magnético

49. N S Se enviamos duas partículas carregadas de massa igual num campo magnético… Direção do campo magnético

50. N S … uma delas carregada negativamente…  Direção do campo magnético

51. N S … e outra positivamente carregada…  Direção do campo magnético

52. N S  … veríamos que a partícula negativa seria desvia nesta direção… Direção do campo magnético

53. N S  Direção do campo magnético … veríamos que a partícula negativa seria desvia nesta direção…

54. N S Direção do campo magnético … e a partícula positiva seria desviada com a mesma intensidade mas na direção oposta. 

55. … e a partícula positiva seria desviada com a mesma intensidade mas na direção oposta. Direção do campo magnético  N S

56. … e a partícula positiva seria desviada com a mesma intensidade mas na direção oposta. Direção do campo magnético (Isto significa que o uso de um imã desta forma poderia ser usada para DETECTAR que duas partículas DESCONHECIDAS tem a MESMA massa mas cargas OPOSTAS).  N S

57. Em que matéria e antimatéria se parecem?

58. Em que matéria e antimatéria se parecem? Até onde podemos falar, partículas e antipartículas tem Massas IDÊNTICAS. (O fato de que o módulo da deflexão de uma partícula e sua antipartícula pelo campo magnético é igual , é uma indicação de que suas massas são idênticas.

59. Por exemplo… Massa do próton = massa do antipróton

60. Também ACREDITAMOS, apesar de ainda precisar ser PROVADO experimentalmente, que antimatéria comporta-se de maneira IDÊNTICA à matéria sob a influência da GRAVIDADE.

61. Por exemplo, Se você fosse capaz de deixar cair uma certa quantidade de matéria e de antimatéria num campo gravitacional, Acreditamos que eles acelerariam precisamente na mesma taxa. Matter Anti- matter

62. Por exemplo, Se você fosse capaz de deixar cair uma certa quantidade de matéria e de antimatéria num campo gravitacional, Acreditamos que eles acelerariam precisamente na mesma taxa. Matter Anti- matter

63. Por exemplo, Se você fosse capaz de deixar cair uma certa quantidade de matéria e de antimatéria num campo gravitacional, Acreditamos que eles acelerariam precisamente na mesma taxa. Matter Anti- matter

64. Assim como para antipartículas fundamentais, Anti-átomos inteiros também são possíveis. De fato, os seres humanos já construíram um deles:

65. Assim como para antipartículas fundamentais, Anti-átomos inteiros também são possíveis. De fato, os seres humanos já construíram um deles: ANTI-HIDROGÊNIO

66. Velho e bom HIDROGÊNIO. É o átomo mais simples que conhecemos. Consiste de 1 próton e 1 elétron.

67. Vamos desenhar um átomo de hidrogênio como um elétron orbitando seu núcleo, um próton .

68. Vamos desenhar um átomo de hidrogênio como um elétron orbitando seu núcleo, um próton . Hidrogênio (H)

69. Vamos desenhar um átomo de hidrogênio como um elétron orbitando seu núcleo, um próton . MAS LEMBRE-SE—esta NÃO é uma descrição precisa! (Numa escala apropriada nosso elétron estaria a 1 quilômetro do próton). Hidrogênio (H)

70. Agora vamos desenhar um átomo de anti-hidrogênio como um pósitron orbitando seu núcleo, um antipróton . (Vale o mesmo aviso!!!) Hidrogênio (H) Vamos desenhar um átomo de hidrogênio como um elétron orbitando seu núcleo, um próton . MAS LEMBRE-SE—esta NÃO é uma descrição precisa! (Numa escala apropriada nosso elétron estaria a 1 quilômetro do próton).

71. Hidrogênio (H) Agora vamos desenhar um átomo de anti-hidrogênio como um pósitron orbitando seu núcleo, um antipróton . (Vale o mesmo aviso!!!) - Vamos desenhar um átomo de hidrogênio como um elétron orbitando seu núcleo, um próton . MAS LEMBRE-SE—esta NÃO é uma descrição precisa! (Numa escala apropriada nosso elétron estaria a 1 quilômetro do próton). Anti-Hidrogênio (H)

72. No CERN em 1995, foram construídos os primeiros átomos de ANTI-HIDROGÊNIO. Desde a produção inicial em 1995 de apenas poucos átomos em 3 semanas, uns poucos milhões foram produzidos pelo mundo afora nos anos seguintes. Apesar de parecer impressionante, lembre-se que são necessários aproximadamente 600,000,000,000,000,000,000,000 átomos para compor um único grama de anti-hidrogênio. http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases1996/PR01.96EAntiHydrogen.html Antihydrogen Atoms Made At Cern http://cool-antihydrogen.web.cern.ch/cool-antihydrogen/

73. Até onde podemos trabalhar com isso? Podemos construir outros anti-átomos? Por exemplo anti-carbono, anti-nitrogênio, anti-oxigênio?

74. Até onde podemos trabalhar com isso? Podemos construir outros anti-átomos? Por exemplo anti-carbono, anti-nitrogênio, anti-oxigênio? ? E que tal uma nova anti-tabela periódica?

75. Até onde podemos trabalhar com isso? Podemos construir outros anti-átomos? Por exemplo anti-carbono, anti-nitrogênio, anti-oxigênio? ? E que tal uma nova anti-tabela periódica?

76. Até onde podemos trabalhar com isso? Podemos construir outros anti-átomos? Por exemplo anti-carbono, anti-nitrogênio, anti-oxigênio? ? E que tal uma nova anti-tabela periódica?

77. Até onde podemos trabalhar com isso? Podemos construir outros anti-átomos? Por exemplo anti-carbono, anti-nitrogênio, anti-oxigênio? ? E que tal uma nova anti-tabela periódica?

78. FALANDO TEORICAMENTE, COMBINAÇÕES DE PÓSITRONS, ANTIPRÓTONS E ANTINEUTRONS PODERIAM GERAR ANTI-VERSÕES DE TODOS OS ELEMENTOS NA TABELA PERIÓDICA.

79. Podemos também prever que a QUÍMICA DA ANTIMATÉRIA será idêntica a boa e velha QUÍMICA DA MATÉRIA

80. Apesar de isso poder aborrecer seu professor de Química, basicamente ela estuda o que acontece quando conjuneto de átomos aparecem juntos.

81. Apesar de isso poder aborrecer seu professor de Química, basicamente ela estuda o que acontece quando conjuneto de átomos aparecem juntos. Quando 2 átomos de hidrogênio se aproximam, seus núcleos se repelem (por quê?). Esta repulsão acontece porque o elétron num átomo atrai o próton no outro átomo.

82. Apesar de isso poder aborrecer seu professor de Química, basicamente ela estuda o que acontece quando conjuneto de átomos aparecem juntos. Quando 2 átomos de hidrogênio se aproximam, seus núcleos se repelem (por quê?). Esta repulsão acontece porque o elétron num átomo atrai o próton no outro átomo. A melhor configuração possível é quando os átomos estão ligados . Então temos uma molécula de hidrogênio.

83. COMO EXERCÍCIO, PODEMOS REFAZER A FORMAÇÃO DA MOLÉCULA DE HIDROGÊNIO, APENAS AGORA USANDO ÁTOMOS DE ANTI-HIDROGÊNIO . EXISTIRIA ALGUMA DIFERENÇA DO PONTO DE VISTA DAS FORÇAS DE ATRAÇÃO E REPULSÃO? ENTÃO UMA MOLÉCULA DE ANTI-HIDROGÊNIO SERIA FORMADA?

84. COMO EXERCÍCIO, PODEMOS REFAZER A FORMAÇÃO DA MOLÉCULA DE HIDROGÊNIO, APENAS AGORA USANDO ÁTOMOS DE ANTI-HIDROGÊNIO . EXISTIRIA ALGUMA DIFERENÇA DO PONTO DE VISTA DAS FORÇAS DE ATRAÇÃO E REPULSÃO? ENTÃO UMA MOLÉCULA DE ANTI-HIDROGÊNIO SERIA FORMADA? (Em relação às forças de atração e repulsão, existe uma completa simetria entre os dois casos. Então uma molécula de anti-hidrogênio SERIA formada.)

85. Podemos seguir adiante?

86. Podemos seguir adiante? Se moléculas de anti-hidrogênio são uma possibilidade teórica, E A química da antimatéria é idêntica à da matéria…

87. Podemos seguir adiante? Se moléculas de anti-hidrogênio são uma possibilidade teórica, E A química da antimatéria é idêntica à da matéria… Então que tal moléculas CADA VEZ MAIORES?

88. Podemos seguir adiante? Se moléculas de anti-hidrogênio são uma possibilidade teórica, E A química da antimatéria é idêntica à da matéria… Então que tal moléculas CADA VEZ MAIORES? COMO UM PEQUENO EXPERIMENTO MENTAL, SIGA NESTA LINHA DE PENSAMENTO ATÉ VOCẼ DESISTIR… ATÉ ONDE VOCÊ PODE CHEGAR?

89. E que tal falarmos de um Anti-Você? Como seu Anti-Você se pareceria?

90. E que tal falarmos de um Anti-Você? Como seu Anti-Você se pareceria? Se começarmos com você

91. E que tal falarmos de um Anti-Você? Como seu Anti-Você se pareceria? Se começarmos com você Insert your photo here

92. E que tal falarmos de um Anti-Você? Como seu Anti-Você se pareceria? Se começarmos com você e revertermos as cargas de todas as partículas que formam você (em outras palavras mudar seus elétrons para pósitrons, seus prótons para antiprótons, e seus neutrons para antineutrons), As forças resultantes seriam as mesmas. Insert your photo here

93. E que tal falarmos de um Anti-Você? Como seu Anti-Você se pareceria? Se começarmos com você e revertermos as cargas de todas as partículas que formam você (em outras palavras mudar seus elétrons para pósitrons, seus prótons para antiprótons, e seus neutrons para antineutrons), As forças resultantes seriam as mesmas. Estas forças é que dão a você sua estrutura—e portanto, sua aparência. Insert your photo here

94. Então, o Anti-Você se pareceria exatamente como Você. Insert your photo here AGAIN

95. Então, o Anti-Você se pareceria exatamente como Você. Porém, se Você e seu Anti-Você se encontrassem... Insert your photo here AGAIN

96. Então, o Anti-Você se pareceria exatamente como Você. Porém, se Você e seu Anti-Você se encontrassem... Insert your photo here AGAIN O que aconteceria, afinal ?!?!?!

97. Nota Final: Algumas vezes você perceberá o anti-objeto desenhado como Uma imagem espelhada em negativo do objeto original. Por exemplo: Material adaptado do módulo de ensino do CERN BANANA ANTI-BANANA