Da descoberta do núcleo ao Bóson de Higgs: uma introdução ao modelo padrão de partículas elementares com atividades virtuais

Abstract

Nesse trabalho de dissertação apresentamos uma proposta para o ensino da Física de Partículas Elementares (FPE), sobretudo do Modelo Padrão (MP), voltada ao 3º ano do ensino médio, a partir de uma sequência didática que combina elementos da teoria de gamificação aplicada ao ensino, o uso de simulações com roteiros exploratórios e uma visita virtual guiada (por membros da colaboração) ao Detetor Compact Muon Solenoid (CMS) do Large Hadron Collider (LHC). Nela adotamos uma perspectiva de abordagem do MP a partir da contextualização com as bases teórico-experimentais da Física Atômica, Nuclear, e da própria FPE, tais como: (1) os experimentos de Geiger-Marsden-Rutherford e a descoberta do núcleo (base teórica para compreensão sobre o desenvolvimento de experimentos de espalhamento, nos sistemas de laboratório e centro de momento); (2) da hipótese do neutrino formulada por Pauli (que levou à descoberta do neutrino eletrônico em 1956 por Cowan e Reines) para explicar os resultados do decaimento beta nuclear. Para tanto, elaboramos uma sequência didática composta por questionário de conhecimento prévio, aula expositiva dialogada, roteiros exploratórios de duas simulações do site Phet ("Espalhamento Rutherford" e "Decaimento Beta") para aplicação em sala e, por fim, a visita virtual ao CMS. Além disso, fornecemos e aplicamos, enquanto produto didático atrelado a essa dissertação, alguns procedimentos avaliativos, os quais visam averiguar a assimilação efetiva dos conteúdos abordados na sequência. Em síntese, a proposta aqui formulada tem como principal objetivo fornecer uma estratégia de ensino eficaz, atual e contextualizada com uso de tecnologias da informação e comunicação aplicadas ao ensino de Física. O texto aqui apresentado constitui, em nosso entendimento, material complementar em relação a outras importantes contribuições já feitas sobre o ensino da Física de Partículas no Ensino Médio, também no âmbito do Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física. Esperamos que este possa ser útil para a promoção de novas metodologias de ensino de Física e fomente novas práticas pedagógicas, no contexto do ensino da Física Moderna e Contemporânea nas escolas.

Abstract : This dissertation comprises a new proposal for teaching Elementary Particle Physics (EPP), specially the Standard Model (SM), at high-school level. To do so we develop a didactic sequence combining elements from gamification theory applied to teaching, the use of interactive simulations from Phet (namely, Rutherford Scattering and Beta Decay ) together with exploratory activities and, as a complementary activity, a guided Virtual Visit to the Compact Muon Solenoid (CMS) detector of the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. With it we propose a new perspective to approach the SM based on contextualizing some of the important scientific discoveries of the last century that led to its present status. In specific, we explore two milestones in the development of Atomic and Nuclear Physics, and ultimately to Particle Physics itself: (1) the Geiger-Marsden-Rutherford experiment and the nucleus discovery and (2) Pauli s hypothesis of the neutrino (which subsequently led to the discovery of the electron neutrino by Cowan and Reines in 1956) in nuclear beta decay. Such strategy aims at providing to the students a general perspective on how a particle physicist, nowadays, investigate the most fundamental building blocks of matter. We also report on the methods used to evaluate students learning improvements with the sequence application, which is based on the use of Information and Communication Technology (ICT) tools. We argue, on statistical grounds, that using gamification as teaching strategy provided good results in comparison to the prior knowledge the students had about the SM and accelerator physics. In this context, we understand our proposal as complementary material to other good methods already discussed in the recent literature. At last, we hope it can be useful in order to promote new teaching strategies to approach Modern and Contemporary Physics at high school.