Gênese das Partículas Elementares e dos NúcleosAtômicos

••Constituintes Fundamentais da Matéria.Constituintes Fundamentais da Matéria.Física Nuclear e de PartículasCesar Augusto Zen Vasconcellos

Gênese das Partículas Elementares e dos NúcleosAtômicos

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1. Relatividade Geral ⇔ Nova Cosmologia

Gênese do Universo: estudo do início do Universo.

Com base nos dados coletados nas últimas décadas :: formulação de teorias sobre o início e o fim do Universo.

Constituição do Universo? Matéria Identificável do Universo:

< 1% - Radiação>99% - Núcleos

Núcleos (~ 3/4 prótons ; 1/4 He , D , C , ...)

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Constituição do Universo:

< 1% - Radiação>99% - Núcleos

Núcleos (~ 3/4 prótons ; 1/4 He , D , C , ...)

Para cada próton existem:

~108 fótons e ~108 neutrino

Universo: espaço vazio + núcleos

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Interação entre átomos ⇒ Formação de aglomerados de matéria.Exs.: terra, planetas e galáxias...

Constatações: para escalas de distâncias da ordem de super-aglomerados Universo é isotrópico e uniforme.

Nesta escala:

1. Distribuição de matéria no Universo é uniforme:

ρ ≈ 2,7 × 10-31 gramas/cm3 (3 átomos/cm3)

2. Distribuição de matéria no Universo é isotrópica: é a mesma qualquer que seja a direção observada. (Não há direção privilegiada no espaço.)

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Estas constatações são suficientes para balizar o problema do princípio e do fim (?) do universo?⇒ NÃO!

Resta outra importante questão...

Há pelo menos outra questão importante a natureza a natureza dinâmica da distribuição de matériadinâmica da distribuição de matéria

É o Universo estático ou não?É o Universo estático ou não?

Universo uniforme, isotrópico e estático: é o mesmo para qualquer observador, independentemente de sua posição no espaço-tempo. Modelo estacionário: negação do problema do princípio e do fim.

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2. O Big-Bang

EdwinEdwin Hubble (1889Hubble (1889--1953):1953): O Universo nO Universo nãão o éé estestáático!tico!

Usando técnicas espectroscópicas de separação da luz em cores constituintes e do efeito Doppler, Hubble determinou que os grandes aglomerados de corpos celestes se afastam um dos outros obedecendo a então denominada lei de Hubble:

V = H r velocidade relativa proporcional V = H r velocidade relativa proporcional àà distdistâância ncia relativarelativa. .

Onde V: velocidade relativa de afastamento.

H: constante de Hubble.r: distância relativa.

H = 15 km/s por milhH = 15 km/s por milhãão de anoso de anos--luz.luz.

Um aglomerado, um super aglomerado de galáxias ou uma galáxia afastados duas vezes mais distantes da nossa galáxia comparativamente a outros afastam-se da nossa com uma velocidade duas vezes maior.

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2. O Big-Bang

•O que ocorre com uma distribuição de matéria cujas porções de afastam obedecendo à Lei de Hubble?

•Consideremos um “observador muito especial” = Ele, situado em um referencial “exterior” ao Universo:

•O QUE ELE VERIA SE CONSIDERASSEMOS UMA PORÇÃO DO UNIVERSO CONTIDA NO INTERIOR DE UMA ESFERA IMAGINÁRIA DE RAIO R?

A matéria, como um todo, estaria em expansão com uma dinâmica semelhante à de um balão esférico, contendo pontos em sua superfície que representariam aglomerados celestes, e que é inflado ocasionado o aumento de seu raio.

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Os aglomerados celestes se afastariam seguindo a lei de Hubble na superfície do “Universo”; mas evidentemente o afastamento se restringe à superfície do “Universo” que está imersa em um espaço de maior dimensão, fictício, pois representa o espaço “exterior” ao Universo, associado a um observador também fictício. Esta é por isto apenas uma imagem representativa do processo evolutivodo Universo e não pode ser considerada como uma imagem real. Serve apenas para “visualizar” o processo de evolução dinâmica do Universo real.

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GG

GG’ ’

Se considerarmos como referência por exemplo uma galáxia G, todas as demais (setas) afastam-se de G com velocidades proporcionais às distâncias relativas de afastamento. Os dois desenhos representam o afastamento relativo de galáxias de uma galáxia de referência G (à esquerda) e de outra qualquer tomada como referência (por exemplo, G’ à direita). Os desenhos demonstram sem qualquer dúvida que não importa que galáxia é tomada como referência: a simetria do desenho se repete para qualquer galáxia de referência. Neste contexto, o raio do Universo estaria no centro fictício desta esfera mas não suscetível à observação de um observado situado na superfície da esfera.

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Conclusão:

Universo em expansão

resultado de uma explosão:

O BIG-BANG

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3. O Modelo Cosmológico Padrão :: modelo de Friedmann

Einstein acreditava em um Universo estático e imutável. Por isto ele “corrigiu” suas equações da Relatividade Geral introduzindo uma constante

cosmológica que anulava, na teoria, o processo de expansão do Universo...

Modelo de Friedmann:Hipóteses básicas:

•Universo homogêneo.•Universo isotrópico.

•Universo que evoluiu segundo a Lei de Hubble.•Universo esfria à medida em que ocorre a sua expansão, semelhantemente

ao que ocorre na expansão de um gás (T ⇒ 0; ρ ⇒ 0).•Expansão adiabática (processo de transformação da energia interna de um

sistema sem que ocorram trocas térmicas com o “exterior”) e o Universo esfria através de estágios de equilíbrio térmico.

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3. O Modelo Cosmológico Padrão

1922 – Friedmann obteve soluções para as equações de Einstein, mas ao contrário deste partiu apenas da suposição que o Universo é homogêneo e isotrópico eliminando o vínculo estático.

Como o Universo primordial era extremamente quente, T⇒∞ , tUniverso ⇒0, os constituintes do Universo não poderiam ser os mesmo de hoje, átomos e moléculas.

Aplicando noções da mecânica estatística de equilíbrio foi possível estabelecer relações que envolvem a temperatura, a densidade e otempo de vida do Universo.

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3. O Modelo Cosmológico Padrão

Parâmetros do Universo:

•Tempo característico de expansão:

texpansão = H(t)-1 =3/8πρ(t)G

•Temperatura:

T2 = f(G)/texpansão

•Raio do Universo:

R(t)-n/2 ~ H(t)

R(t) ~ t2/n n=4 (era dominada pela radiação)

n=3 (era dominada pela matéria)Gênese das Partículas Elementares e dos NúcleosAtômicos

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3. O Modelo Cosmológico Padrão

E como seria a distribuição de matéria nos primeiros instantes do Universo?

t ⇒ 0 ; ρ ⇒ ∞ ; V = Hr = r/tUniverso ; t ⇒ ∞ ; ρ ⇒ 0tUniverso = 1/H ≈ 20 bilhões de anos

ET = kBT :::: kB = 0,86×10-4 eV/K

L:Ligação ; A:Átomos ; M:Moléculas ; N:Núcleos ; H:Hádrons

ET > ELM ⇒ Moléculas dissociam-se :: ELM > 1 eV , T > 104 K

ET > ELA ⇒ Átomos dissociam-se :: ELA > 103 eV , T > 107K

ET > ELN ⇒ Núcleos dissociam-se :: ELN > 1 MeV , T > 1010 K

ET > ELH ⇒ Hádrons dissociam-se :: ELH > 1 GeV , T > 1015 KFísica Nuclear e de PartículasCesar Augusto Zen Vasconcellos Gênese das Partículas Elementares e dos NúcleosAtômicos

4. O Primeiro Bilhão de Anos do Universo

a) O Primeiro Nano-segundo

T~ 1015 K :::: ρ ~1021g/cm3 ::::ET ~ 102 GeV > ELH > ELN > ELA >ELMComposição do Universo: léptons, quarks, quanta de calibre (gauge).

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4. O Primeiro Bilhão de Anos do Universo

b) O Primeiro Micro-segundo

T~ 1013 K :::: ρ ~1018g/cm3 :::: ET ~ 109 eV <ELH mas > ELN > ELA > ELM Composição do Universo: no fim do 1o. micro-segundo o Universo estava frio o suficiente para que as forças entre os quarks e anti-quarks pudesse agregá-los formando hádrons. Neste estágio havia bárions, mésons, bósons eletrofracos, elétrons, neutrinos, fótons, núcleons...

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4. O Primeiro Bilhão de Anos do Universo

c) O Primeiro Quarto de Hora

ET < ELN :: núcleos são então formados. Á medida em que T decresce, os núcleons seriam encontrados preferencialmente em partículas alfa, cuja energia de ligação é de 20 MeV, não fosse o fato de que...

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4. O Primeiro Bilhão de Anos do Universo

Não fosse o fato que a energia de repouso de um nêutron é maior do que a de um próton (t ~ 103s)

A conversão de nêutrons em prótons causou uma sobra de prótons que sobreviveram como núcleos de H. Somente nêutrons ligados em deutérios e partículas alfa primordiais sobreviveram.

νepn ++⇒ −

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4. O Primeiro Bilhão de Anos do Universo

d) O Primeiro Milhão de Anos

Gradualmente, elétrons e núcleons foram formando átomos e moléculas. Á medida em que átomos e moléculas começaram a predominar, o Universo foi ficando transparente à luz. Fótons presentes no Universo e não absorvidos originam então a radiação de fundo de micro-ondas (fótons fósseis, λ~0,1-10cm, T~2,7K [A Penzias e R Wilson (1965)]). Isto porque fótons são muito menos perturbados pela presença de átomos nêutrons do que pela presença de elétrons.

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4. O Primeiro Bilhão de Anos do Universo

e) O Primeiro Bilhão de Anos

De forma também gradual, átomos e moléculas uniram-se formando estrelas. Atração gravitacional faz com que uma estrela sofra compressão e aquecimento. Á medida em que a estrela aquece, reações nucleares internas de núcleo-síntese estelar produzem combinações de elementos e a síntese para elementos mais pesados, dando-se assim o processo de evolução estelar.

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Formação de Núcleo LevesT~109 K; tU~3 min

Formação de Átomos Nêutros T~4000 KtU~400.000 a

Formação de EstrelasT~[20-3] KtU ~109 a

Dispersão de Elementos Massivos T~[20-3] K ; tU >109 a

tU: tempo de vida do UniversoT: temperatura

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BigBang

Plasma Quark-GlúonT>1012 K; tU~10-6 s

Formação de Prótons e NêutronsT~1012 K; tU~10-4s

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Referências: 1. Steven Weinberg, The Fisrt Three Minutes, A Modern View of the Origin of the Universe, Basic BooksInc. Publishers, New

York,1988.2. Stephen Hawking, O Universo numa Casca de Noz, Editora Mandarim, São Paulo, 2001.

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