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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?