Identificar as trajetórias de partículas subatómicas, através das suas assinaturas em fotografias de câmara de bolhas – uma tecnologia do século 20 que é fundamental para estudos em física de partículas.
De que matéria é feito o Universo? O que a mantém unida? Como é que ela vai evoluir? Estas eternas questões fascinam os físicos de partículas. Através do estudo de partículas elementares e das suas interações, os físicos tentam identificar as peças do puzzle que constituem o Universo e descobrir como se unem. O nosso conhecimento atual é resumido no Modelo Padrão da física de partículas que constitui uma das teorias mais bem sucedidas da físicaw1.
Mas como podemos saber algo sobre estas partículas, sendo que são muito menores do que o átomo? A câmara de nuvens foi, entre os anos 20 e 50, a principal técnica utilizada pelos físicos de partículas para observar e identificar partículas elementares (Woithe, 2016). Descobrindo as trajetórias de partículas subatómicas eletricamente carregadas observadas em câmaras com gás super-arrefecido utilizadas para capturar os eventos, os investigadores estudaram a forma como as partículas interagem, ao mesmo tempo que conheceram outras características como a sua massa e carga elétrica. Contudo, em 1952, a câmara de bolhas foi inventada e, logo, substituiu a câmara de nuvens como a tecnologia dominante na deteção de partículas. As câmaras de bolhas são mais adequadas para o estudo de partículas de alta energia, pois podem ter maiores dimensões e conter um material muito mais denso (líquido em vez de gás).
Atualmente, quer a câmara de bolhas quer a câmara de nuvens, foram substituídas por outros tipos de detetores que produzem sinais digitais com uma taxa de amostragem muito mais elevada. Apesar de as fotografias das câmaras de bolhas já não serem a tecnologia escolhida pelos físicos profissionais, podem, ainda, enriquecer a discussão sobre física de partículas, em ambiente de sala de aulas.
A componente fundamental de uma câmara de bolhas é um líquido superaquecido. Quando partículas eletricamente carregadas atravessam a câmara de bolhas, ionizam as moléculas do líquido contido na câmara. Os iões, assim criados, desencadeiam uma transição de fase e o líquido superaquecido vaporiza, tornando visível a trajetória das partículas. Para capturar o evento, são utilizadas câmaras fotográficas colocadas em torno da câmara de bolhas.
É importante realçar que a câmara de bolhas é atravessada por um campo magnético que induz uma força sobre as partículas eletricamente carregadas, fazendo com que descrevam uma trajetória curvilínea, criando “rastos” que são característicos de cada partícula. A medição do raio de curvatura do movimento curvilíneo da partícula permite que o seu momento linear seja calculado, fornecendo informações adicionais.
Desenvolvemos várias atividades para os alunos do ensino secundário em que se estudam e interpretam fotografias de câmara de bolhas. Pode encontrar o plano original dessas atividades (incluindo soluções e informação adicional para professores) no sítio da internet do CERNw2.
As fotografias foram produzidas, no CERN, em 1972, por uma câmara de bolhas com 2 m de comprimento. Dentro da câmara, foram colocados 1150 litros de hidrogénio líquido a 26 K (–247°C). Em 12 anos de atividade, foram utilizados 20 000 quilómetros de filme fotográfico que permitiu capturar as colisões de partículas.
Neste artigo, apresentamos três atividades simples, mas interessantes para alunos com idades compreendidas entre os 16 e os 19 anos, como uma introdução à análise da trajetória de partículas utilizando uma câmara de bolhas. Antes de começar as atividades, os alunos devem estar familiarizados com os conceitos básicos da física de partículas (em partícular as propriedades dos protões, eletrões, positrões, fotões, e se possíveis neutrinos).
As duas primeiras atividades focam a identificação de algumas trajetórias características de partículas, baseando-se no comportamento de partículas eletricamente carregadas em campos magnéticos. A atividade 3 baseia-se nas atividades anteriores para analisar as transformações das partículas. Dependendo do conhecimento prévio dos alunos, as atividades demorarão aproximadamente 1 hora.
Nota: Quando se trabalha com imagem de câmara de bolhas, a utilização de imagens com alta resolução é fundamental para identificar as trajetórias. Na secção de material adicional deste artigo podem-se encontrar as imagens com alta resolução para download.
Nesta atividade, os alunos identificam a carga elétrica das partículas, com base na direção de curvatura das suas trajetórias num campo magnético. Eles também estudam a velocidade dos eletrões, com base no raio de curvatura das suas trajetórias.
Como preparação para a atividade, os alunos precisam de entender os seguintes tópicos relacionados com física de partículas:
Para esta atividade, o único material necessário são as imagens e as informações das figuras 1, 2 e 3. Cada aluno ou grupo de alunos irá precisar das duas fotografias a cores da câmara de bolhas (figuras 2 e 3), cuja obtenção pode ser feita na secção de material adicional. Em todas as imagens da câmara de bolhas, as partículas entram na câmara pelo lado esquerdo, e o campo magnético aponta para fora da página.
Peça aos alunos para realizarem as tarefas seguintes, utilizando o material fornecido.
Estas regras são mostradas na figura 1.
Relembre que as partículas entram pelo lado esquerdo da câmara e que o campo magnético aponta para fora da página.
As respostas são:
A trajetória a azul, na fotografia 1, curva-se para baixo, por isso deve existir uma força que aponta para baixo. Agora podemos tentar usar as regras da mão direita e esquerda considerando a informação retirada da fotografia:
Esta configuração só é possível com a mão direita, por isso a trajetória pertence a uma partícula com carga positiva.
A trajetória a vermelho, na fotografia 1, curva-se para cima, por isso deve existir uma força que aponta para cima. Isso resulta na seguinte configuração de dedos:
Esta configuração só é possível com a mão esquerda, por isso a trajetória pertence a uma partícula com carga negativa.
Porque é que as partículas têm uma trajetória em espiral? No seu percurso pelo líquido, as partículas eletricamente carregadas perdem energia cinética (velocidade), devido, por exemplo, ao fato de ionizarem as moléculas de hidrogénio na sua trajetória. Uma energia cinética menor leva a uma progressiva redução do raio da trajetória num campo magnético.
Na fotografia 2, o mesmo procedimento identifica as trajetórias 1, 2 e 3 como pertencentes a partículas com carga negativa, enquanto a trajetória 4 pertence a uma partícula com carga positiva.
No que se refere às velocidades, a trajetória 2 pertence a um eletrão (com a velocidade mais elevada), seguida pela trajetória 1, e depois pela trajetória 3 (com a menor velocidade). Isto porque quanto menor a velocidade da partícula, menor é o raio de curvatura da sua trajetória. Esta relação para partículas pode ser derivada da seguinte forma:
A força que atua na partícula eletricamente carregada (carga q) movendo-se perpendicularmente a um campo magnético B, com uma velocidade v é descrita por:
FL = q x v x B
Esta força atua como uma força centrípeta, Fc, e origina uma trajetória circular com um raio r. A força centrípeta necessária para manter um objeto numa trajetória circular com raio r depende da massa m do corpo, e do quadrado da velocidade v, dessa forma:
Fc = m x v2/r
Logo FL = Fc
Assim sendo: q x v x B = m x v2/r
Logo r = (m x v)/(q x B)
O raio de curvatura da trajetória é diretamente proporcional à velocidade da partícula.
Note que estamos a assumir que as partículas são não relativistas, isto é, movem-se com uma velocidade muito menor do que a velocidade da luz. Contudo, as trajetórias em câmara de bolhas são tipicamente produzidas por partículas relativistas movendo-se a velocidades próximas da velocidade da luz. Nesse caso existe um fator relativístico que altera esta relação.
Na atividade seguinte, os alunos utilizam o seu conhecimento sobre as características da trajetória para identificar os “rastos” (tipos de trajetórias) em fotos de câmara de bolhas.
Na tabela, são mostrados três tipos diferentes de trajetórias, juntamente com a identificação da partícula, descrição do rasto e explicações sobre o processo de produção da trajetória. Esta informação permite aos alunos identificar partículas nas imagens de câmara de bolhas que se seguem.
Para esta atividade, os únicos materiais necessários são as imagens e informação da tabela 1 e figura 4. Em todas estas imagens, as partículas entram pelo lado esquerdo da câmara e o campo magnético aponta para fora da página.
| Eletrão | Par eletrão-positrão | Protão | |
|---|---|---|---|
| Trajetória do rasto |  |
 |
 |
| Descrição | Trajetória curvilínea ascendente que começa na trajetória visível de outra partícula | Trajetória curvilínea descendente (positrão) que começa “repentinamente”, juntamente com outra trajetória ascendente (eletrão) | Trajetória curvilínea descendente que começa na trajetória visível de outra partícula |
| Processo de produção | Uma partícula eletricamente carregada entra na câmara e interage, no líquido, com um eletrão. | Um fotão transforma-se num par eletrão-positrão. (O fotão não deixa rastro) | Uma partícula eletricamente carregada entra na câmara e interage, no líquido, com um protão. |
Peça aos alunos para realizar as seguintes tarefas utilizando os materiais fornecidos.
| Eletrão? | Positrão? | Protão? | Justificação | |
|---|---|---|---|---|
| Trajetória verde | ||||
| Trajetória azul superior | ||||
| Trajetória azul inferior | ||||
| Trajetória roxa |
A tabela completa é mostrada na tabela 3.
| Eletrão? | Positrão? | Protão? | Justificação | |
|---|---|---|---|---|
| Trajetória verde | ✓ | A trajetória curva-se para cima. | ||
| Trajetória azul superior | ✓ | A trajetória curva-se para cima. | ||
| Trajetória azul inferior | ✓ | A trajetória curva-se para baixo e aparece juntamente com a trajetória de um eletrão. | ||
| Trajetória roxa | ✓ | A trajetória curva-se para baixo e depois começa outra trajetória. |
A interpretação das transformações das partículas tornou famosas as câmaras de bolhas: muitas das partículas produzidas numa câmara de bolhas não são estáveis transformando-se ao longo do tempo noutras partículas. Contudo, trabalhos sobre as transformações são geralmente mais difíceis para os estudantes, porque requerem conhecimento adicional sobre as interações descritas pelo Modelo Padrão da física de partículas. Nós sugerimos um exemplo simples (figura 5) e fornecemos instruções passo-a-passo para trabalhá-lo.
Os únicos materiais necessários são a imagem na figura 5 e a informação fornecida anteriormente. Como habitual, as partículas entram na câmara pelo lado esquerdo, e o campo magnético aponta para fora de página.
Faça as seguintes questões aos alunos, utilizando o material fornecido.
Que tipo de pião tem a trajetória a verde? Justifique a sua resposta.
As respostas são as seguintes:
Mais informação sobre esta transformação e diagramas de Feynmamn que podem ajudar a entender este processo podem ser encontrados nos planos de atividades do CERN para estudantesw2.
Tal como demonstrado nesta atividade, as imagens de câmara de bolhas são uma forma de tornar a física de partículas acessível a alunos do secundário. Utilizando esta imagens, os alunos podem descobrir e identificar partículas, estudando as suas características.
Entretanto, o esforço para entender as peças que faltam no puzzle do nosso conhecimento sobre o Universo continua. Além de ajudarem ao ensino dos futuros físico de partículas, as câmaras de bolhas tiveram recentemente um novo papel na deteção de matéria escura, por exemplo no projeto PICO no Canadáw3. Aqui, a taxa de resposta relativamente lenta da câmara de bolhas (em comparação com as novas tecnologias digitais) não é um problema, porque – contrariamente às cascatas de partículas produzidas a cada segundo no CERN – ainda não foram detetados sinais da matéria escura.
Por fim, para uma abordagem completamente diferente da física de partículas, os padrões em espiral únicos encontrados nas imagens de câmara de bolhas podem ser inspiradores, desde ideias artísticas, de decorações de Natal feitas usando a técnica da dobragem de papel até ao design de tecidos. Que outras ideias divertidas terão os seus alunos mais criativos?
Este artigo dá a oportunidade de utilizar fotografias produzidas, em 1972 no CERN, por uma câmara de bolhas, para analisar trajetórias de partículas e obter informação sobre as características típicas desse tipo de partículas subatómica
As atividades são inspiradoras e pormenorizadas, permitindo uma autoavaliação ou uma avaliação por pares. Os aspetos históricos do tema assim como as imagens são apelativas para professores de clubes de ciências. As atividades também são muito adequadas para uso na sala de aulas, como uma continuação de aulas teóricas sobre o tema, como por exemplo quando se discute as provas da existência de partículas subatómicas. Para os mais criativos, o artigo pode fornecer a base para projetos transversais, utilizando por exemplo, as imagens de trajetórias numa aula de arte ou artesanato.
Exercícios de compreensão poderão basear-se na parte introdutória do artigo. Algumas questões sugeridas:
Stephanie Maggi-Pulis é líder do departamento de física do Secretariat for Catholic Education, Malta