Aula 01 Quarks, léptons e o Big-bang

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1 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

2 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; O pálido ponto azul; A quatro forças fundamentais da natureza; Breve histórico da expansão; Fundamentação da proposta.

3 Big Bang Theory Teoria da expansão do Universo O Universo tal com o conhecemos teve origem em uma concentração de matéria de densidade infinita.

4 O que é o Universo? ne Ne pt u Ur an us Sa tu rn Ju pi te r M ar s Ea rt h Não é o nosso Sistema Solar M er cu ry Ve nu s Não é a Terra

5 O sistema solar

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

7 A via Láctea nossa galáxia Galactic Longitude o 210 (Monoceros) 240 (Puppis) 300 (Crux) o o 150 (Perseus) o o ly 7.7 kpc 120 (Cassiopeia) o o 90 (Cygnus) Solar System 2. Scutum- 270 (Vela) 180 (Auriga) o 330 (Norma) o 60 (Vulpecula) ly Sun's 15.3 orbit kpc o o ly 23.0 kpc o 0 (Sagittarius) observation shadow of galactic core 30 (Aquila)

8 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

9 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 ;

10 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.

11 Radiação Cósmica de Fundo Cosmic Microwave Background Spectrum from COBE COBE Data Black Body Spectrum Intensity [MJy/sr] Robert Wilson e Arno Penzias Frequency [1/cm]

12 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.

13 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; 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) O universo está em expansão : Lei de Hubble (Edwin P. Hubble )

14 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 F=G m1 m2 r 2 G muito pequeno; Próton próton repulsão eletromagnética (FE); FNF prevalece sobre eletromagnética r < m.

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

16 E como se quebram as partículas? Aceleradores de partículas Resultados câmaras de bolhas ou câmaras de nuvens

17 Modelo Padrão PARTÍCULAS ELEMENTARES Matéria (férmions): Portadores de força (bósons): Eletromagnetismo: (fóton) Fraca: W+, W-, Z0 Forte: g (glúons) QUARKS LÉPTONS

18 Classificação das partículas 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(⁰ ), káon(⁰ ), eta; Sofrem a interação forte Quarks e Léptons parecem ser partículas fundamentais sem nenhuma estrutura interna (hoje!)

19 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. 1 S z=± ℏ 2

20 Férmions e Bósons Bósons Partículas com spin inteiro em homenagem a Bose (que junto com Einstein) discutiu suas propriedades estatísticas. S z=m ℏ, m=0, 1,2,... Podem ocupar o mesmo estado quântico! Baixando a temperatura Podem ocupar o mesmo estado quântico!

21 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-,Z0 léptons(c/ sabor) gravitacional eletromagnética

22 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. e + +e -= γ + γ 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?

23 Linha do tempo do Universo

24 Linha do tempo do Universo Usando o modelo 10 1/ 2 1,5 x 10 s. K T= 1 /2 t 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= 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 J/K constante Boltzmann

25 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.

26 Rotação das Galáxias e Matéria Escura

27 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

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

29 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?