11: Física de partículas e cosmologia
- Page ID
- 182770
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
Logo no início deste texto, discutimos a grande variedade de escalas que a física engloba, desde as menores partículas até a maior escala possível — o próprio universo. Neste capítulo final, examinamos algumas das fronteiras da pesquisa nessas escalas extremas. A física de partículas lida com os blocos de construção mais básicos da matéria e as forças que os mantêm unidos. Cosmologia é o estudo das estrelas, galáxias e estruturas galácticas que povoam nosso universo, bem como sua história passada e evolução futura.
- 11.1: Prelúdio da Física e Cosmologia de Partículas
- O estudo de partículas elementares requer enormes energias para produzir partículas isoladas, envolvendo algumas das maiores máquinas que os humanos já construíram. Mas essas altas energias estavam presentes nos estágios iniciais do universo e o universo que vemos ao nosso redor hoje foi moldado em parte pela natureza e pelas interações das partículas elementares criadas então. Lembre-se de que a física de partículas e a cosmologia são ambas áreas de intensa pesquisa atual, sujeitas a muita especulação.
- 11.2: Introdução à Física de Partículas
- As quatro forças fundamentais da natureza são, em ordem de força: nuclear forte, eletromagnética, nuclear fraca e gravitacional. Os quarks interagem por meio da força forte, mas os léptons não. Tanto os quarks quanto os léptons interagem por meio das forças eletromagnéticas, fracas e gravitacionais. As partículas elementares são classificadas em férmions e bóson. Os férmions têm rotação semi-integral e obedecem ao princípio de exclusão. Os bósons têm rotação integral e não obedecem a esse princípio.
- 11.3: Leis de conservação de partículas
- As interações elementares de partículas são regidas pelas leis de conservação de partículas, que podem ser usadas para determinar quais reações e decaimentos de partículas são possíveis (ou proibidos). A lei de conservação do número bariônico e a lei de conversação dos números de três léptons são válidas para todos os processos físicos. No entanto, a conservação da estranheza é válida apenas para interações nucleares fortes e interações eletromagnéticas.
- 11.4: Quarks
- Existem seis quarks conhecidos: para cima (u), para baixo (d), charme (c), estranho (s), superior (t) e inferior (b). Essas partículas são férmions com spin semi-integral e carga fracionária. Os bárions consistem em três quarks e os mésons consistem em um par quark-antiquark. Devido à força forte, os quarks não podem existir isoladamente. Evidências de quarks são encontradas em experimentos de dispersão.
- 11.5: Aceleradores e detectores de partículas
- Muitos tipos de aceleradores de partículas foram desenvolvidos para estudar partículas e suas interações. Isso inclui aceleradores lineares, ciclotrons, síncrotrons e feixes de colisão. As máquinas de feixe de colisão são usadas para criar partículas massivas que se decompõem rapidamente para partículas mais leves. Detectores multiuso são usados para projetar todos os aspectos de colisões de alta energia. Isso inclui detectores para medir o momento e as energias de partículas de carga e fótons.
- 11.6: O modelo padrão
- O Modelo Padrão descreve as interações entre partículas por meio de forças nucleares fortes, eletromagnéticas e nucleares fracas. As interações entre partículas são representadas por diagramas de Feynman. Um diagrama de Feynman representa interações entre partículas em um gráfico de espaço-tempo. As forças eletromagnéticas atuam em um longo alcance, mas forças fortes e fracas atuam em um curto alcance. Essas forças são transmitidas entre partículas enviando e recebendo bósons.
- 11.7: O Big Bang
- O universo está se expandindo como um balão — cada ponto está se afastando de todos os outros pontos. Galáxias distantes se afastam de nós a uma velocidade proporcional à sua distância. Essa taxa é medida em aproximadamente 70 km/s/MPC. Assim, quanto mais distantes as galáxias estiverem de nós, maiores serão suas velocidades. Essas “velocidades recessionais” podem ser medidas usando o desvio de luz do Doppler. De acordo com os modelos cosmológicos atuais, o universo começou com o Big Bang há aproximadamente 13,7 bilhões de anos.
- 11.8: Evolução do Universo Primitivo
- O universo primitivo era quente e denso. O universo é isotrópico e está se expandindo. A radiação cósmica de fundo é uma evidência do Big Bang. A grande parte da massa e da energia do universo não é bem compreendida.
Miniatura: Um próton é composto por dois quarks ascendentes, um quark descendente e os glúons que mediam as forças “unindo-os”. A atribuição de cores de quarks individuais é arbitrária, mas todas as três cores devem estar presentes. Imagem usada com permissão (CC BY-SA 2.5; Arpad Horvath).