Universidade do Estado de Mato Grosso UNEMAT Faculdade

Universidade do Estado de Mato Grosso – UNEMAT Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia - FACET Sinop - MT Física Geral e Experimental IV Aula 01 Quarks, léptons e o Big-bang Prof. Dr. Daniel Valin dos Reis Junior

Sumário Introdução; História do Big Bang; O que é o universo; A lei de Hobble; O sistema solar; Radiação Cósmica de Fundo; A via Láctea – nossa galáxia; Estrelas e galáxias mais próximas; Breve histórico da expansão; O pálido ponto azul; Fundamentação da proposta. A “quatro forças” fundamentais da natureza;

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 Não é o nosso Sistema Solar

O sistema solar

O sistema solar Planetas internos - Rochosos Sentido anti-horário: Mercúrio, Vênus, Terra, Marte Planetas externos - Gasosos Direita para esquerda: Júpiter, Saturno, Urânio, Netuno

A via Láctea – nossa galáxia

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 Einstein e o Universo estático George Lemantrie propôs que o Universo está em expansão; Einstein propôs a constante cosmológica; Depois Einstein disse: “ Cometi o pior erro da minha vida”;

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

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;

Cosmologia Estudo da história do Universo Lei de Hubble (1929): v = H r O Universo teve um início: Big Bang V: velocidade de recessão (ou expansão); Radiação de fundo: T= 2, 7 K r: distância do corpo celeste a Terra; O universo está em expansão : H= 71, 0 km/s(Mpc) ≈ 21, 8 x 10⁻⁶ km/s(ano-luz) : Cte de Hubble; (1 Mpc ≈ 3, 084 x 10¹⁹ km 3, 260 x 10⁶ anos-luz) 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)→ FG → G muito pequeno; Próton – próton → repulsão eletromagnética (FE); FNF → prevalece sobre eletromagnética r < 10 -15 m.

Partículas elementares ‘ Década de 30, Prótons Neutrons Elétrons Átomo Novas partículas Múon µ sigma σ… píon π Problema quase Resolvido? káon π -23 s Partículas instáveis com vidas médias 10 -3 a 10 muito pequenas Prótons e nêutrons tem estrutura interna (quarks)

E como se “quebram” as partículas? Aceleradores de partículas Resultados – câmaras de bolhas ou câmaras de nuvens

Modelo Padrão PARTÍCULAS ELEMENTARES Matéria (férmions): QUARKS LÉPTONS Portadores de força (bósons): Eletromagnetismo: (fóton) Fraca: W+ , W- , Z 0 Forte: g (glúons)

Classificação das partículas Léptons: elétron, neutrino-e- ; múon, neutrino-μ; tau, neutrino-τ Quarks: up (u), down (d), charme(c), estranho (s), top (t), bottom (b). Não sofrem “interação forte” Sofrem a “interação forte” Hádrons Bárions (fermions; formados por 3 Quarks); (ex. Spin ½): próton, nêutron, lambda, sigma+, sigma-, sigma 0, csi+, csi 0. Mésons (bósons; 1 Quarksem e 1 nenhuma anti-Quark): de Quarks e Léptons parecemformados ser partículaspor fundamentais estrutura(ex. interna (hoje!) spin 0): píon(⁰ ⁺ ⁻), káon(⁰ ⁺ ⁻), eta;

Férmions e Bósons Férmions 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.

Férmions e Bósons Partículas com spin inteiro em homenagem a Bose (que junto com Einstein) discutiu suas propriedades estatísticas. Podem ocupar o mesmo estado quântico! Baixando a temperatura Podem ocupar o mesmo estado quântico!

Partículas mediadoras Há uma partícula mediadora correspondente Força Partícula mediadora Onde atuam grávitron massa(todas) fóton Partículas c/ carga forte glúons hádrons(c/ cor - residual) fraca W+, W-, Z 0 léptons(c/ sabor) gravitacional eletromagnética

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:

Linha do tempo do Universo

Linha do tempo do Universo 1. Usando o modelo 2. E = k. T * 3. t=10 -43 s – T = 10³² K – flutuações quânticas; 4. t=10⁻³⁴ s –T= 10²⁷ K – mistura de fótons, quarks e léptons – impossível formar prótons e nêutrons; 5. t=10⁻⁴ s –Universo suficientemente resfriado a ponto que partículas e antipartículas aniquilam, sobrando somente um pequena quantidade de partículas elementares – fase escura; 6. t= 1 min – Universo resfria suficiente formação de nuclídeos leves (²H, ³He, ⁷Li); 7. 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. * onde k = 1, 38 x 10 -23 J/K – constante Boltzmann

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 antimatéria?