Perguntas e respostas sobre o Bóson de Higgs

Entenda o que é a “partícula de Deus” e sua importância para a ciência

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Gráfico mostra colisão de partículas no experimento CMS no Grande Colisor de Hádrons, na Suíça

O que é o Bóson de Higgs?Segundo teorias da Física que aguardam comprovação definitiva, Higgs é uma partícula subatômica considerada uma das matérias-primas básicas da criação do Universo.

Existe uma teoria quase completa sobre o funcionamento do Universo, com todas as partículas que formam os átomos e moléculas e toda a matéria que vemos, além de partículas mais exóticas. Esse é o chamado Modelo Padrão.

Cientistas anunciam descoberta de possível Bóson de Higgs
Mas há um "buraco" na teoria: ela não explica como todas essas partículas obtiveram massa. A partícula de Higgs, cuja teoria foi proposta inicialmente em 1964, é uma explicação para tentar preencher esse vácuo.

Segundo o Modelo Padrão, o Universo foi resfriado após o Big Bang, quando uma força invisível, conhecida como Campo de Higgs, formou-se junto de partículas associadas, os Bósons de Higgs, transferindo massa para outras partículas fundamentais.

Por que a massa é importante?
A massa é simplesmente uma medida de quanto qualquer objeto - uma partícula, uma molécula, um animal - contém em si mesmo. Se não fosse pela massa, todas as partículas fundamentais que compõem os átomos e os animais viajariam pelo cosmos na velocidade da luz, e o Universo como o conhecemos não seria agrupado em matéria. A existência dos átomos e por consequência, da vida, não seria possível.

A teoria em questão propõe que o Campo de Higgs, permeando o Universo, permite que as partículas obtenham massa. Esse processo pode ser ilustrado com a resistência que um corpo encontra quando tenta nadar em uma piscina. O Campo de Higgs permeia o Universo como a água enche uma piscina.

Há quanto tempo os cientistas estão procurando o Bóson de Higgs?
Há mais de duas décadas. O trabalho já envolveu milhares de cientistas que trabalharam no chamado LEP, o antigo acelerador de partículas do laboratório Cern, na Suíça e no Tevatron, do laboratório Fermilab, nos Estados Unidos, que foi fechado recentemente. Atualmente a busca acontece no LHC (sigla em inglês para Grande Colisor de Hádrons), do Cern.

Como os cientistas estão procurando o Bóson de Higgs?
Literalmente arremessando partículas subatômicas umas contra as outras a velocidades altíssimas, perto da velocidade da luz. Ao fazer isso, recriam a energia que existia no início do universo e produzem diversas novas partículas, entre elas, em teoria, o Bóson de Higgs.

A caça ao Higgs é uma das razões que levaram à construção do imenso acelerador de partículas Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês), do Cern (Centro Europeu para a Pesquisa Nuclear), na Suíça.

O LHC esmaga dois feixes de prótons próximos à velocidade da luz, gerando uma série de outras partículas. É possível que o Higgs nunca seja observado diretamente, mas os cientistas esperam que ele exista momentaneamente nessa "sopa" de partículas. Se ele se comportar como os pesquisadores esperam que ele se comporte, pode se decompor em novas partículas, deixando um rastro de provas de sua existência.

Caso seja produzido a partir das bilhões de colisões no LHC, o Bóson rapidamente se transformará em partículas de massa menor e mais estáveis. Serão essas partículas os indícios que os físicos poderão usar para comprovar a existência do Bóson, que aparecerão como ligeiras variações - como a anunciada na quarta (4) - em gráficos usados pelos cientistas. Portanto, a confirmação definitiva se dará a partir de uma certeza estatística.

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E o que o Bóson de Higgs tem a ver com o Big Bang?
Tudo. Há 13, 7 bilhões de anos, o Big Bang criou o universo com partículas sem energia e radiação. A teoria diz que uma fração de segundo após a grande explosão, parte dessa radiação se congelou em um campo chamado de campo de Higgs. Com mais alguns segundos o universo começou a esfriar e as partículas começaram a adquirir massa a partir de sua interação com o campo de Higgs.
Por que ela é chamada “a partícula de Deus”?
É o título de um livro do prêmio Nobel de Física Leon Lederman que conta a busca pelo bóson de Higgs. No livro, Lederman conta que o editor do livro não deixaria ele colocar o nome de esta “maldita” (em inglês, goddamn) partícula, o que seria mais apropriado dado o tamanho da despesa e sua natureza, digamos, difícil de ser constatada.

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O professor da Universidade de Edimburgo Peter Higgs é o responsável pela teoria do campo e bóson que levam seu nome

Por que a partícula se chama Higgs?
Peter Higgs (1929-?) é um físico inglês. Professor emérito da Universidade de Edimburgo, na Escócia, é um dos pais do bóson de Higgs, embora não goste de ser chamado assim. Ele foi um dos cientistas que propôs em 1964 o que ficou conhecido como mecanismo de Higgs que prevê a existência do campo (e do Bóson) de Higgs que por sua vez é a responsável pela massa de todas as partículas existentes atualmente no universo. O Bóson de Higgs é uma peça fundamental do chamado Modelo Padrão da Física.
O que é o Modelo Padrão?
É o modelo criado pelos físicos de partículas para explicar a dinâmica das partículas subatômicas. Os físicos assumem que ele está correto pois suas previsões teóricas ao longo dos últimos 40 anos de resultados experimentais tem sido acertadas. Ele, no entanto, não explica tudo, deixando de fora, por exemplo, a força da gravidade.

Quanto esta pesquisa custou até agora?
O LHC sozinho custou cerca de 10 bilhões de dólares para ser construído e gerenciado. Isso inclui os salários de milhares de cientistas e técnicos ao redor do mundo, que colabaram nos dois experimentos que buscam o Higgs independentemente um do outro.
Todos estes estudos tiveram algum resultado prático?
Não diretamente. Mas o esforço científico que chegou à descoberta compensou de outras maneiras, como a criação da Internet em seu uso mais corriqueiro. Os cientistas do Cern desenvolveram a World Wide Web para facilitar a troca de informações entre eles. O vasto poder computacional necessário para analisar todos os dados produzidos pelo LHC também acelerou o desenvolvimento da computação em nuvem, que hoje é usada em serviços disponíveis a todos.

Avanços na captação de energia solar, diagnóstico por imagem e terapia por prótons, usada no combate a câncer -- também foram produtos do trabalho de físicos do Cern e outras instituições parceiras.
O que vem por aí?
"Isto é só o começo," disse James Gillies, porta-voz do Cern. Os pesquisadores continuarão a examinar a nova partícula até compreender completamente como ela se comporta. Com isso, eles pretendem entender os 96% do Universo que ainda estão escondidos da nossa visão. Isso pode resultar no descobrimento de novas partículas e até mesmo em forças da natureza desconhecidas.

E se a partícula que foi encontrada não for o Bóson de Higgs?
Caso se comprove que o Bóson de Higgs não existe, a teoria do Modelo Padrão teria de ser reescrita. Isso poderia abrir caminho para novas linhas de pesquisa, que podem se tornar revolucionárias na compreensão do Universo, da mesma forma que uma lacuna nas teorias da Física acabou levando ao desenvolvimento das teses da mecânica quântica, há um século.

CADEIAS CARBÔNICA

Cadeia	Característica	Exemplo
Aberta ou Acílica ou Alifática	Apresenta extremos livres
Fechada ou Cíclica	Não apresenta extremos livres e forma um ciclo
Normal (aberta)	Apenas dois extremos livres
Ramificada (aberta)	Mais de dois extremos livres
Saturada (aberta ou fechada)	Somente ligação simples entre átomos de carbono
Insaturada ou não saturada (aberta ou fechada)	Pelo menos uma ligação dupla ou tripla entre átomos de carbono
Heterogenia (aberta ou fechada)	Apresenta heteroátomo (S, O, N, P entre átomos de carbono)
Homogenia	Não apresenta heteroátomo
Aromática	Possui anel benzênico ou aromático
Alicíclica (fechada)	Não possui anel benzênico ou aromático
Mista	Ciclo e extremo livre

Obs: O Anel benzênico ou Aromático; cada anel tem seis átomos de carbono que formam um hexágono regular com ligações simples e duplas alternadas.

INTRODUÇÃO A QUÍMICA ORGÂNICA

INTRODUÇÃO
Função Orgânica: é um conjunto de substâncias com propriedades químicas semelhantes (propriedades funcionais)
Grupo funcional: é o átomo ou grupo de átomos responsável(eis) pelas propriedades químicas dos compostos pertencentes a uma determinada função química.
A nomenclatura orgânica oficial começou a ser criada em 1892 em um congresso internacional eUm Genebra, após várias reuniões surgiu a nomenclatura IUPAC (União Internacional de Química Pura e Aplicada).
A nomenclatura IUPAC obedece aos seguintes princípios:
I. Cada composto tenha um único nome que o distinga dos demais;
II. Dada a fórmula estrutural de um composto, seja possível elaborar seu nome, e vice-versa.
Obs.: Apesar de a nomenclatura IUPAC ser a oficial, existem outros tipos de nomenclatura como por exemplo a nomenclatura usual.

II. FUNÇÃO HIDROCARBONETO (CxHy

Os compostos pertencentes a esta função são constituídos exclusivamente por carbono e hidrogênio, portanto possuem fórmula geral: CxHy.
Os hidrocarbonetos são muito importantes porque formam o "esqueleto" das demais funções orgânicas.

Os Hidrocarbonetos estão divididos em várias classes, dentre as quais merecem destaque os alcanos, alcenos (alquenos), alcinos (alquinos), alcadienos, cicloalcanos, cicloalcenos e os hidrocarbonetos aromáticos.

A. ALCANOS OU PARAFINAS

São hidrocarbonetos saturados de cadeia aberta (acíclica). Possuem fórmula geral: CnH2n+2.
I. Fundamentos da Nomenclatura Orgânica:

PREFIXO + AFIXO + SUFIXO

Sufixo: indica a função química do composto orgânico:
hidrocarboneto= no
álcool= ol
aldeído= al
cetona= ona
ácido carboxílico= óico
amina= amina
éter= óxi



Prefixo: indica o número de átomos de carbono pertencentes a cadeia principal.

1C = met	6C = hex	11C = undec
2C = et	7C = hept	12C = dodec
3C = prop	8C = oct	13C = tridec
4C = but	9C = non	15C = pentadec
5C = pent	10C = dec	20C = eicos

Afixo ou infixo: indica o tipo de ligação entre os carbonos:

todas simples = an	duas duplas = dien
uma dupla = en	três duplas = trien
uma tripla = in	duas triplas = diin

QUANTIDADE DE MATÉRIA

Quantidade de matéria

A quantidade de matéria está relacionada ao número de partículas que compõe um sistema, ou seja, se o número de partículas é alto, a quantidade de matéria também será.

O mol é considerado a quantidade de matéria que um sistema com entidades elementares pode ter.

Vejamos os exemplos:

Sendo m unidade de massa, n a quantidade de matéria, N número de partículas. Teremos:

N = 6,02 .10²³ moléculas
n = 1 mol
m = 2g

N = 12,04. 10²³ Moléculas
n = 2 mol
m = 4g

Suponhamos que exista uma quantidade de recipientes iguais contendo 32g de enxofre, logo, formamos 1 mol.
Se constituirmos 20 recipientes, o total será de 640g de enxofre, ou seja, 20 mols de enxofre, pois:




O fato de existir quantidades menores que o mol, a partir daí vem a fração de mol, que é 0,1 mol: 0,05 mol etc...

Agora, vamos supor que colocamos 3600g de glicose distribuídos em recipientes, com 180g cada um. Lembrando que a massa molecular da glicose é de 180u e a massa molar da é também de 180u. Logo temos:

Massa molecular = 180u
Massa molar = 180g/mol

3600 = 20 mol x 180 g/mol
m = n. massa molar

Lembrando que NA é a Constante de Avogrado, que é igual a 6,02. 10²³ mol^-1.
É importante sabermos também que a quantidade de partículas N, é totalmente proporcional à quantidade de matéria n. Logo:

N = N_A. n

Observe a resolução do número de moléculas de hidrogênio (H₂), em um sistema contendo 1,5 mol desse gás, onde a constante de Avogrado é o número de Avogrado multiplicado por mol^-1.

N = NA. n
N = 6,02. 10²³ mol-1. 1,5 mol = 9,03. 10²³

O símbolo mol não leva plural, apenas o nome mol, no Brasil o plural de mol é mols, e o símbolo é mol, em outros países o plural é moles. Lembrando que nenhum símbolo leva plural, portanto:

3 gramas-----3g
3 mols---------3 mol

LIGAÇÃO METÁLICA

LIGAÇÃO METÁLICA

Ligação metálica é a ligação entre metais e metais. Formam as chamadas ligas metálicas que são cada vez mais importantes para o nosso dia-a-dia.
No estado sólido, os metais se agrupam de forma geometricamente ordenados formando as células, ou grades ou retículo cristalino.
Uma amostra de metal é constituída por um grande número de células unitárias formadas por cátions desse metal.
Na ligação entre átomos de um elemento metálico ocorre liberação parcial dos elétrons mais externos, com a conseqüente formação de cátions, que formam as células unitárias.
Esses cátions têm suas cargas estabilizadas pelos elétrons que foram liberados e que ficam envolvendo a estrutura como uma nuvem eletrônica. São dotados de um certo movimento e, por isso, chamados de elétrons livres. Essa movimentação dos elétrons livres explica por que os metais são bons condutores elétricos e térmicos.
A consideração de que a corrente elétrica é um fluxo de elétrons levou à criação da Teoria da Nuvem Eletrônica ou Teoria do “Mar” de elétrons.
Pode-se dizer que o metal seria um aglomerado de átomos neutros e cátions, mergulhados numa nuvem ou “mar” de elétrons livres. Esta nuvem de elétrons funcionaria como a ligação metálica, que mantém os átomos unidos.

Figura geométrica do NaCl (cloreto de sódio)

Um cristal ou retículo cristalino de NaCl aumentado 300 vezes

São estas ligações e suas estruturas que os metais apresentam uma série de propriedades bem características, como por exemplo, o brilho metálico, a condutividade elétrica, o alto ponto de fusão e ebulição, a maleabilidade, a ductilidade, a alta densidade e a resistência á tração.
As ligas metálicas são a união de dois ou mais metais. Às vezes com não-metais e metais. As ligas têm mais aplicação do que os metais puros.
Algumas ligas:
- bronze (cobre + estanho) – usado em estátuas, sinos

- aço comum (ferro + 0,1 a 0,8% de carbono) – com maior resistência à tração, é usado em construção, pontes, fogões, geladeiras.

- aço inoxidável (ferro + 0,1 de carbono + 18% de cromo + 8% de níquel) – não enferruja (diferente do ferro e do aço comum), é usado em vagões de metrô, fogões, pias e talheres.

- latão (cobre + zinco) – usado em armas e torneiras.

- ouro / em jóias (75% de ouro ou prata + 25% de cobre) – usado para fabricação de jóias. Utiliza-se 25% de cobre para o ouro 18K. E o ouro 24K é considerado ouro puro.

As substâncias metálicas são representadas graficamente pelo símbolo do elemento:
Exemplo: Fe, Cu, Na, Ag, Au, Ca, Hg, Mg, Cs, Li.

GEOMETRIA MOLECULAR

Para entender o conceito básico da geometria molecular, podemos partir de uma analogia bastante simples, com algumas observações do mundo macroscópico. Sempre que tentamos agrupar aleatoriamente objetos materiais sólidos de determinado formato, notamos que há uma relação direta entre o formato do objeto e o formato final do agrupamento.

Assim, quando jogamos esferas em uma caixa, por exemplo, elas tendem a deslizar umas sobre as outras e assumir uma configuração final organizada, adequada ao formato da caixa.

Se na mesma caixa jogarmos palitos de fósforo, teremos no final um empilhamento caótico, possivelmente uma pirâmide deformada, sem contornos definidos. Com as moléculas acontece coisa semelhante, só que acrescida de um fator que falta às esferas e fósforos do exemplo.

Elétrons e zonas de repulsão

Quando dois ou mais átomos se unem para formar uma molécula, suas eletrosferas entram em contato e o formato de seus orbitais (esféricos ou elípticos) influenciará o formato final da ligação. Só que, neste caso, o formato não é o único fator de influência, já que, ao contrário de nossas esferas e fósforos, as eletrosferas são compostas de elétrons, partículas eletricamente carregadas.

Como os elétrons têm carga negativa, se repelem entre si. Esta repulsão eletrostática influencia de modo definitivo a geometria molecular, ou seja, o formato do agrupamento de átomos que constitui a molécula. Este fator de influência das cargas elétricas negativas dos elétrons na disposição geométrica da molécula é chamado de zonas de repulsão.

Uma zona de repulsão se cria em torno de uma ligação molecular, ou seja, nas vizinhanças dos elétrons compartilhados pelos átomos que formam a molécula.

O efeito das zonas de repulsão tende a formar três disposições geométricas básicas em um molécula apolar (aquela na qual os elétrons não se concentram em pólos): a linear, a triangular plana e a tetraédrica, conforme as três figuras a seguir:

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Disposição geométrica linear. Os átomos se posicionam em linha.

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Disposição geométrica triangular plana. Os átomos formam um triângulo eqüilátero.

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Disposição geométrica tetraédrica. Formato de tetraedro (pirâmide triangular).

Para se determinar a disposição geométrica de uma molécula, basta seguir duas regras simples:

1) Escrever a fórmula estrutural;
2) Identificar o número de ligações atômicas, que é o mesmo número de zonas de repulsão;

Se a molécula tiver até duas zonas de repulsão, a geometria será linear. Se tiver três, será triangular plana e se tiver quatro será tetraédrica.

Vejamos alguns exemplos:

1) Molécula de Dióxido de Carbono (CO₂)

Fórmula estrutural:

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Note que o átomo de carbono estabelece duas duplas ligações, uma dupla ligação com cada átomo de oxigênio. A molécula de CO₂ também pode ser representada conforme abaixo:

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Se a molécula possui duas duplas ligações, possui também duas zonas de repulsão, que tendem a se afastar uma da outra, fazendo com que a molécula assuma a disposição geométrica linear, conforme a seguinte figura:

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Representação esquemática da molécula de dióxido de carbono, que apresenta geometria linear.

2) Molécula de Trifluoreto de Boro (BF₃)

Fórmula estrutural:

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Como vemos, o átomo de boro forma três ligações simples, uma com cada átomo de flúor. Assim temos três zonas de repulsão e a geometria molecular é triangular plana, conforme a figura:

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Representação esquemática da geometria triangular plana do Trifluoreto de Boro (BF3)

3): Molécula de Metano (CH₄)

Fórmula estrutural:

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O carbono estabelece quatro ligações simples, uma com cada átomo de hidrogênio, logo temos quatro zonas de repulsão e a geometria molecular é tetraédrica, conforme figura abaixo:

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Representação esquemática da molécula de Metano, de geometria tetraédrica.

A geometria é uma ferramenta preciosa para entendermos o universo. Ela nos ajuda tanto a descrever a grandeza cósmica das órbitas planetárias quanto nos auxilia na visão do inimaginavelmente pequeno das formas das moléculas.

Um excelente lembrete de que as disciplinas do conhecimento podem ser separadas para melhor administração de currículos escolares, mas que todas devem ser integradas na construção individual do conhecimento

MOLÉCULA POLAR E APOLAR

É fácil notar, numa festa ou num ambiente de trabalho, que não somos totalmente iguais aos outros. Mas, se deixarmos de procurar somente as diferenças, a festa ficará menos estranha, e o trabalho, mais solidário.
Na química, observa-se uma generalização: a tendência de as substâncias semelhantes dissolverem as semelhantes.

As moléculas da água (H2O) são diferentes das do álcool comum (C2H5OH), mas, por serem semelhantes quanto à polaridade, formam misturas homogêneas. Através da forma geométrica das moléculas e utilizando vetores, é possível saber se elas são polares ou apolares.

Experimentalmente também é. Isso foi tema de uma questão da Unicamp/2001, que pedia ao candidato que considerasse duas buretas lado a lado. Numa se colocava água e na outra n-hexano. Utilizando um bastão de plástico atritado em uma flanela e abrindo as torneiras, os líquidos escorriam formando fios. Posicionando o bastão entre os fios, indagava-se se era possível identificar qual das duas buretas continha o n-hexano. Sim, era. Veja:




Como as moléculas de água são polares e as de n-hexano são apolares, a aproximação do bastão eletricamente carregado causa desvio apenas no fio de água.

Veja uma questão da Fuvest/ 2001: "Azeite e vinagre, quando misturados, separam-se logo em duas camadas. Porém, adicionando-se gema de ovo e agitando-se a mistura, obtém-se a maionese, que é uma dispersão coloidal. Nesse caso, qual foi o papel representado pela gema de ovo?".

O vinagre (ácido acético) é uma substância polar, e o óleo, apolar, com tendência de não se misturarem. Mas a gema age como um emulsificador, estabilizando a mistura coloidal.

De forma diferente, o sabão e o detergente, por possuírem em suas estruturas uma extremidade polar e outra apolar, agem como uma ponte entre a água (polar) e o óleo (apolar), possibilitando, por exemplo, a remoção da oleosidade de uma panela.