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Bóson de Higgs e a origem do Universo

Publicado por 
novaescola
Objetivo(s) 
  • Compreender a física por trás do bóson de Higgs, uma partícula subatômica estudada pelo Centro Europeu de Física de Partículas (CERN)
  • Entender qual a função do LHC (sigla em inglês para grande colisor de hádrons, a estrutura montada para realizar os experimentos que poderão comprovar a existência do bóson de Higgs)
  • Analisar e discutir o Modelo Padrão
Conteúdo(s) 
  • Física Moderna
  • Modelo Padrão
  • Colisões de Partículas Elementares
Ano(s) 
Tempo estimado 
1 aula
Material necessário 
  • Cópias da entrevista "Falta explicar 95% do Universo" (Veja, 2316, 10 de abril de 2013, disponível no Acervo digital de Veja a partir de 12 de abril de 2013)
  • Cópias das fotos do colisor de hádrons em tamanho grande para mostrar aos alunos. Você também pode usar um projetor de imagens, conforme a estrutura da sua escola. A foto presente na segunda etapa deste plano pode ser uma opção. Se preferir, busque outras imagens na internet
  • TV e DVD para passar o vídeo "Como funciona o bóson de Higgs" (disponível neste link ) ou projetor de imagens ligado a um computador com acesso à internet

Este plano de aula está ligado à seguinte reportagem de VEJA:

Desenvolvimento 
1ª etapa 

Há aproximadamente 13,7 bilhões de anos, o Universo nascia a partir de uma grande explosão que ficou conhecida pelo seu nome em inglês: Big Bang. Evidentemente há uma série de dúvidas e mistérios sobre como essa explosão pôde evoluir até as fronteiras do Universo atualmente conhecido. Nesse contexto de paradoxos e passagens obscuras, uma luz brilhou no horizonte do intrigante mundo das partículas elementares. Trata-se de uma pequena porção de massa, a partícula base de toda a matéria existente: o bóson de Higgs, estudado por pesquisadores do Centro Europeu de Física de Partículas, o CERN. O tema já vem sendo tratado em veículos de mídia há um tempo e pode ser motivo da curiosidade dos seus alunos. Aproveite este plano para explicar o que é o bóson de Higgs, os conceitos físicos envolvidos em sua descoberta e os impactos da empreitada para o conhecimento humano. Boa aula!

Inicie a aula discursando sobre o magnífico e esplendoroso Universo. Procure usar adjetivos absolutos para ser fiel a sua significância e grandiosidade. Faça dessa breve introdução uma forma de os estudantes enxergarem algo além das estrelas que enfeitam o céu noturno de cada dia. Grande parte dessa geração de alunos tem uma visão limitada quando se trata de questões sobre os astros. Porém quando você começar a falar sobre espaço, planetas, estrelas, Via Láctea, Universo e seus mistérios longínquos, com certeza a garotada vai ficar bem curiosa!

Só não se esqueça de tomar cuidado para não perder o foco. Comece  abordando o marco zero de todos os tempos e espaços: o Big Bang. Esse evento, segundo teorias, foi o resultado de uma manifestação incalculável de energia que um único corpo emanou há 13,7 bilhões de anos. Você pode conhecer melhor o fenômeno no plano de aula "A expansão do Universo", disponível aqui.

Passada essa introdução, pergunte aos alunos como eles acham que tudo isso foi possível. Qual foi a causa do Big Bang? Como é possível que tudo o que conhecemos tenha se originado de uma explosão? Essas questões vão elevar ainda mais a curiosidade do grupo. Então, não como um balde de água fria, mas como uma motivação para seguirem curiosos  e, quem sabe, continuarem estudando, diga que nem todas as respostas estão prontas ainda. Mas um grande passo foi dado no ano passado: a descoberta do bóson de Higgs.

Neste momento da aula, distribua cópias da entrevista "Falta explicar 95% do Universo" (Veja, 2316, 10 de abril de 2013, disponível no Acervo digital de Veja a partir de 12 de abril de 2013) para todos os estudantes. Muitas perguntas poderão surgir após a leitura. Então, diga aos alunos que ao final da aula eles terão uma breve ideia sobre o bóson de Higgs e sua importância para a Física.

2ª etapa 

Agora, explique brevemente o que é a física das partículas elementares (aquelas que compõem os constituintes dos átomos). Vale destacar que os alunos podem achar que isso é algo inútil e que o investimento para descobrir essa partícula é uma perda de dinheiro e tempo, pois não afeta diretamente a vida deles. Mas lembre que todas as descobertas físicas colaboraram para que eles pudessem, hoje, carregar o mundo inteiro no bolso, como no cado do celular. Não precisa citar todas as descobertas, basta falar de uma: o criador do protocolo WWW na qual se baseia a internet é um dos cientistas que faz parte da equipe do LHC.

Comente que a física das partículas elementares é baseada em um modelo de pequeníssimos fragmentos de matéria ou apenas manifestações energéticas que formam todos os outros elementos do Universo. Seria como se houvesse uma classe de subpartículas organizadas de forma racional segundo os moldes da mecânica quântica. Junto a esses fragmentos de matéria, há também os transportadores de energia. Esse conjunto de partículas e de energias forma o que chamamos de Modelo Padrão, a melhor descrição do universo subatômico que temos até então.

Se quiser conhecer melhor o Modelo Padrão, veja o plano de aula "Em busca das origens", disponível aqui.

Para que os adolescentes entendam o nível de grandeza das subpartículas que será abordado, peça que imaginem uma maçã. Para sabermos do que ela é feita, basta pegar uma faca e cortá-la ao meio. Em uma investigação mais apurada, com a mesma faca vamos fazer cortes até não conseguirmos mais, pois os fragmentos da maçã ficarão menores do que o fio de corte. Então, para continuarmos a observação, pegamos um desses fragmentos e colocamos em um microscópio. A partir dele é possível observar células e algumas estruturas moleculares. Se pegarmos o microscópio mais poderoso, é possível chegar até aglomerados de átomos. Indo além na busca da compreensão da estrutura da matéria, entram em cena os aceleradores de partículas, que são nada menos que aparelhos que promovem a colisão de prótons. Em vez de cortar a partícula para saber do que ela é feita, pois não haveria lâmina menor do que ela, os cientistas descobriram que o choque de dois prótons a altíssimas velocidades revela sua estrutura por meio dos fragmentos emitidos.

Basicamente, esses aparelhos funcionam através da circulação de prótons em sentidos opostos e em planos diferentes de modo a não ter possibilidade de encontro até ganharem energia suficiente para realizar o experimento. Em um dado momento, são promovidos desvios calculados para que haja o encontro dos prótons e, como consequência, são emitidas séries de fragmentos observadas por detectores específicos.

Conte aos estudantes que quanto maior o acelerador, maior a energia de colisão e, portanto, maior a quantidade de fragmentos espalhada. O LHC (sigla em inglês que significa grande colisor de hádrons) é o maior acelerador de partículas já construído. Ele é capaz de realizar choques de altas energias entre prótons, possibilitando a observação de partículas que surgiram apenas na eclosão do Universo, nos momentos iniciais pós Big Bang. Neste momento, mostre uma foto do colisor para a turma. Você pode procurar imagens na internet ou utilizar a foto abaixo na aula.

 

 LHC (sigla em inglês para grande colisor de hádrons). Um colisor de partículas que pemite identificar o que compõe a matéria. Imagem: divulgação do Centro Europeu de Física de Partículas (CERN)


Todas as partículas até então observadas pelos aceleradores se encaixam no Modelo Padrão. Mas tudo isso só faria sentido se houvesse uma conexão entre energia e matéria.

Explique que, em outras palavras, a questão central gira em torno do Big Bang: "Como ele teria dado origem a tudo o que existente?". Essa pergunta é muito pertinente, visto que o corpúsculo que deu origem ao Universo tinha um tamanho infinitamente menor que a própria Terra, algo da ordem da cabeça de um alfinete. Da mesma maneira, era infinitamente grande e concentrada sua energia. Pois é essa energia que se desprendeu e formou todo o Universo. A chave para essa transformação está na transição da energia em matéria. Seu processo inverso já é bem conhecido pelos humanos desde os estudos de Einstein sobre a relação E= m.c2 (a energia é o produto da massa pela velocidade da luz ao quadrado). De acordo com essa teoria, a massa pode se transformar em energia.

O elemento que faltava para certificar o Modelo Padrão era exatamente a partícula que fizesse a ligação entre energia e matéria. Em uma analogia, você pode simplificar a explicação de matéria como sendo a parte condensada de energia, e o bóson de Higgs como o aglomerado inicial que permitiu o condensado se estabilizar e ganhar forma. Se antes o átomo era visto como o elemento base das substâncias, hoje temos indícios indiscutíveis de que o bóson de Higgs é o merecedor desse posto. Como a Física evolui de acordo com a tecnologia disponível, pode ser que futuramente descubram algo menor e, assim, seja possível explicar outros mistérios que circundam o Universo. Mas até esse momento chegar, essa descoberta passa a ser uma das maiores da humanidade.

A discussão sobre o bóson de Higgs é um pouco mais profunda se levarmos em conta o campo de Higgs. Tal campo foi descrito como sendo a única maneira de dar sustentação para que a matéria do Universo fosse estabilizada. Caso não houvesse esse meio que permeia tudo o que nos envolve, os fragmentos – se assim podemos chamá-los – seriam todos ejetados do Big Bang a velocidades próximas a da luz e talvez não formariam conglomerados cósmicos e vagariam sem rumo e sem forma definida até hoje. O bóson de Higgs seria o elemento base dessa malha cósmica conhecida como campo de Higgs.

Para ampliar o entendimento dos adolescentes, apresente o vídeo "Como funciona o bóson de Higgs", disponível abaixo.

 



Diga aos alunos que, por ora, o que os estudos revelam é uma espécie de assinatura do bóson de Higgs. Como tal partícula é extremamente instável e decai rapidamente, os detectores do LHC captaram os elementos esperados para o decaimento do bóson. Foi a partir dessa observação, das partículas que teoricamente fazem parte do bóson, que os cientistas chegaram a conclusão de terem descoberto o bóson de Higgs. Há também a possibilidade de ser uma nova partícula exótica, mas todo o modelo padrão responde a essa descoberta como sendo o desfecho para a grande busca do LHC.

Mas, agora o LHC perde a utilidade? Como a cientista Fabiola disse na entrevista à Veja, apenas 5% do mistério do Universo está revelado. O resto aguarda novos avanços ou novas mentes revolucionárias.

Avaliação 

Verifique se a turma compreendeu os principais conceitos de física moderna abordados. A participação do aluno com perguntas, observações e comentários também compõe um elemento essencial na composição da avaliação.

Uma outra forma de verificar se os estudantes alcançaram os objetivos listados no início deste plano de aula é pedir que pesquisem em casa a física das subpartículas e suas consequências para o futuro da humanidade. Se propuser essa atividade, não se esqueça de reservar um tempo da próxima aula para que os alunos compartilhem os resultados das suas pesquisas com os colegas.

Créditos:
Ilton Miyazato
Formação:
professor de Física do Colégio São Francisco de Assis em São Paulo (SP)
Autor Nova Escola

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