Universidade do Estado de Mato Grosso – UNEMATFaculdade de Ciências Exatas e Tecnologia - FACETSinop - MT

Física Geral e Experimental IV

Aula 01Quarks, léptons e o Big-bang

Prof. Dr. Daniel Valin dos Reis Junior

Sumário

● Introdução;● O que é o universo;● O sistema solar;● A via Láctea – nossa galáxia;● Estrelas e galáxias mais

próximas;● O pálido ponto azul;

● História do Big Bang;● A lei de Hobble;● Radiação Cósmica de Fundo;● A “quatro forças”

fundamentais da natureza;● Breve histórico da expansão;● Fundamentação da proposta.

Big Bang Theory

Teoria da expansão do Universo

O Universo tal com o conhecemos teve origem em uma concentração de matéria de densidade infinita.

O que é o Universo?

Não é a Terra

Mer

cury

Venu

s

Earth

Mar

s

Jupi

ter

Satu

rn

Uranu

s

Neptu

ne

Não é o nosso Sistema Solar

O sistema solar

O sistema solar

Planetas internos - Rochosos Planetas externos - Gasosos

Sentido anti-horário: Mercúrio, Vênus, Terra, Marte

Direita para esquerda: Júpiter, Saturno, Urânio, Netuno

A via Láctea – nossa galáxia

Solar System

25 000 ly 7.7 kpc

50 000 ly 15.3 kpc

75 000 ly 23.0 kpc

Galactic Longitude

180 o

(Auriga) 150 o

(Perseus)

120 o

(Cassiopeia)

90 o

(Cygnus)

60 o

(Vulpecula)

30 o

(Aquila)

0 o

(Sagittarius)

330 o

(Norma)

300 o

(Crux)

270 o

(Vela)

240 o

(Puppis)

210 o

(Monoceros)

2.

Scu

tu

m-

Sun's orbit

observation shadow of galactic core

Pálido ponto azul

Considere… ...esse ponto. É aqui. É nosso lar. Somos nós. Nele, todos que você ama, todos que você conhece, todos de quem você já ouviu falar, todo ser humano que já existiu, viveram suas vidas. A totalidade de nossas alegrias e sofrimentos, milhares de religiões, ideologias e doutrinas econômicas, cada caçador e saqueador, cada herói e covarde, cada criador e destruidor da civilização, cada rei e plebeu, cada casal apaixonado, cada mãe e pai, cada crianças esperançosas, inventores e exploradores, cada educador, cada político corrupto, cada “superstar”, cada “lidere supremo”, cada santo e pecador na história da nossa espécie viveu ali, em um grão de poeira suspenso em um raio de sol.

Carl Sagan

História do Big Bang

● George Lemantrie propôs que o Universo está em expansão;

● Einstein propôs a constante cosmológica;

● Depois Einstein disse: “ Cometi o pior erro da minha vida”;

Einstein e o Universo estático

Universo em expansão

● Edwin P. Hubble(1929) → deslocamento para vermelho(Efeito Doppler) → Universo em expansão;

● George Gamow (1946) → Teoria do Universo em expansão;

● Gamow previu, → modelo → a radiação isotrópica de fundo – origem do Universo.

Radiação Cósmica de Fundo

Robert Wilson e Arno Penzias 0

50

100

150

200

250

300

350

400

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Inte

nsity

[M

Jy/s

r]

Frequency [1/cm]

Cosmic Microwave Background Spectrum from COBE

COBE DataBlack Body Spectrum

Radição cósmica de Fundo

● Radiação da faixa de frequências de micro-ondas, espalhada em todas as direções;

● Descoberta por Arno Penzias e Robert Wilson em 1965, New Jersey;

● A temperatura corresponde aquela da lei da radiação de Planck T = 2,735 K;

● Uma das evidências da expansão do Universo.

Cosmologia

Lei de Hubble (1929): v = H r– V: velocidade de recessão (ou

expansão);– r: distância do corpo celeste a

Terra;– H= 71,0 km/s(Mpc) ≈ 21,8 x

10⁻⁶ km/s(ano-luz) : Cte de Hubble;

– (1 Mpc ≈ 3,084 x 10¹ km 3,260⁹

x 10⁶ anos-luz)

● Estudo da história do Universo● O Universo teve um início: Big

Bang● Radiação de fundo: T= 2,7 K● O universo está em

expansão :

Lei de Hubble (Edwin P. Hubble - 1929)

As forças fundamentais da natureza

● Força gravitacional(FG) → Interações em corpos de grande massa;

● Força eletromagnética(FE) → Interações atômicas, moleculares e outras(atrito);

● Força nuclear forte(FNF) → coesão dos núcleos atômicos;

● Força nuclear fraca (FF)→ interações de decaimento Beta;

● FG →

G muito pequeno;

● Próton – próton → repulsão eletromagnética (FE);

● FNF → prevalece sobre eletromagnética r < 10-15 m.

F=Gm1m2

r2

Partículas elementares

● Década de 30,

Átomo

● Novas partículas– Múon µ píon π káon π

sigma σ…● Partículas instáveis com vidas médias muito

pequenas

PrótonsNeutronsElétrons

10-3 a 10-23 s

Problema quase Resolvido?

‘

Prótons e nêutrons tem estrutura interna (quarks)

E como se “quebram” as partículas?

Aceleradores de partículasResultados – câmaras de bolhas ou câmaras de nuvens

Modelo PadrãoPARTÍCULAS ELEMENTARES

● Matéria (férmions):

● Portadores de força (bósons):– Eletromagnetismo: (fóton)– Fraca: W+ , W- , Z0

– Forte: g (glúons)

QUARKSLÉPTONS

Classificação das partículas

Quarks e Léptons parecem ser partículas fundamentais sem nenhuma estrutura interna (hoje!)

Léptons: elétron, neutrino-e- ; múon, neutrino-μ; tau, neutrino-τ– Não sofrem “interação forte”

Quarks: up (u), down (d), charme(c), estranho (s), top (t), bottom (b).– Sofrem a “interação forte”

Hádrons ● Bárions (fermions; formados por 3 Quarks); (ex. Spin ½): próton, nêutron,

lambda, sigma+, sigma-, sigma0, csi+, csi0.● Mésons (bósons; formados por 1 Quark e 1 anti-Quark): (ex. de spin 0):

píon( ), káon( ), eta;⁰ ⁺ ⁻ ⁰ ⁺ ⁻– Sofrem a “interação forte”

Férmions e BósonsFérmions

● Partículas com spin semi-inteiro; nome em homenagem a Fermi (que junto com Dirac) discutiu suas propriedades estatísticas.

● Satisfazem ao Princípio de Exclusão de Pauli, que impede dois férmions de terem os mesmos números quânticos.

S z=±12ℏ

Férmions e BósonsBósons

● Partículas com spin inteiro em homenagem a Bose (que junto com Einstein) discutiu suas propriedades estatísticas.

● Podem ocupar o mesmo estado quântico!

Baixando atemperatura

Podem ocupar o mesmo estado quântico!

S z=m ℏ , m=0, 1,2, .. .

Partículas mediadoras

Há uma partícula mediadora correspondente

Força Partícula mediadora

Onde atuam

gravitacional grávitron massa(todas)

eletromagnética fóton Partículas c/ carga

forte glúons hádrons(c/ cor - residual)

fraca W+, W-,Z0 léptons(c/ sabor)

Partículas e antipartículas

● Em 1928 Dirac previu a existência do pósitron, que é a antipartícula do elétron.● Carl Anderson, em 1932, descobriu o pósitron em experiências com raios cósmicos.

● Para cada tipo de partícula existe uma correspondente antipartícula;● Antipartículas têm as mesmas propriedades que as partículas, porém possuem

cargas opostas:

Elétron e- => pósitron e+; quark u => anti-quark ū● Por quê a assimetria entre o número de partículas e anti – partículas na Natureza?

e++e-

=γ+γ

Linha do tempo do Universo

Linha do tempo do Universo

T=1,5 x1010 s1/2 . K

t1 /2

* onde k = 1,38 x 10-23 J/K – constante Boltzmann

Usando o modelo

E = kT *

1. t=10-43 s – T = 10³² K – futuações quânticas;

2. t=10⁻³⁴ s – T= 10²⁷ K – mistura de fótons, quarks e léptons – impossível formar prótons e nêutrons;

3. t=10⁻⁴ s – Universo sufcientemente resfriado a ponto que partículas e antipartículas aniquilam, sobrando somente um pequena quantidade de partículas elementares – fase escura;

4. t= 1 min – Universo resfria sufciente formação de nuclídeos leves (²H, ³He, ⁷Li);

5. t= 379000 anos – T= 2970 K Elétrons se combinam com íons para formar átomos. A radiação produzida nesse período irá formar a radiação cósmica de fundo. Há também a formação de estrelas e galáxias.

Linha do tempo do Universo II

Em 1998, avanços na tecnologia astronômica permitu aos astrônomos detectar um certo tipo de supernova a distancias muito grandes. As medidas de redshift da luz destas supernovas foram usadas para calculo da taxa de expansão do Universo. O resultado: A expansão está acelerando. Isto está de acordo com as teorias da energia escura.

Rotação das Galáxias e Matéria Escura

Para discussões filosóficas e religiosas

●God and the Big Bang; ●Big Bang Theory and Religion, by Ron Kurtis, Physicist

●Creation and Science;●Big-Bang não precisou de Deus- Hiperscience

Fundamentação da Proposta

Organização do curso● Uso de videoaulas como estratégia de sala de aula invertida● Perguntas chave para cada módulo;● Questionários;● Testes;● Provas;

Questionário

A) Qual é a relação das partículas fundamentais com o Big Bang?

B) Quais são as forças fundamentais da natureza e sua relação com a formação com os corpos pequenos, e os supermassivos(planetas, estrelas e etc)?

C) O que é matéria escura? Qual é a evidência experimental da existência da matéria escura?

D) O que seria e qual é a evidência experimental da existência da energia escura?

E) Como a ciência explica o fato de existir mais matéria que anti-matéria?