11.S: Física de partículas e cosmologia (resumo)
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Termos-chave
| antipartícula | partícula subatômica com a mesma massa e vida útil da partícula associada, mas carga elétrica oposta |
| número bariônico | o número de bárions tem o valor\(B=+1\) para bárions,\(–1\) para antibárions e 0 para todas as outras partículas e é conservado nas interações entre partículas |
| bárions | grupo de três quarks |
| Grande explosão | rápida expansão do espaço que marcou o início do universo |
| bóson | partículas com spin integral que são simétricas na troca |
| cor | propriedade das partículas e que desempenha o mesmo papel em interações nucleares fortes que a carga elétrica desempenha nas interações eletromagnéticas |
| radiação cósmica de fundo em microondas (CMBR) | radiação térmica produzida pelo evento Big Bang |
| cosmologia | estudo da origem, evolução e destino final do universo |
| energia escura | forma de energia que se acredita ser responsável pela aceleração observada do universo |
| matéria escura | matéria no universo que não interage com outras partículas, mas que pode ser inferida pela deflexão da distância da luz estelar |
| força eletrofraca | unificação da força eletromagnética e das interações entre forças nucleares fracas |
| simetria de troca | propriedade de um sistema de partículas indistinguíveis que requer a troca de quaisquer duas partículas para não ser observável |
| férmion | partícula com spin semi-integral que é antisimétrica na troca |
| Diagrama Feynman | diagrama de espaço-tempo que descreve como as partículas se movem e interagem |
| força fundamental | uma das quatro forças que atuam entre corpos de matéria: as fortes forças nucleares, eletromagnéticas, nucleares fracas e gravitacionais |
| glúon | partícula que carrega a forte força nuclear entre quarks dentro de um núcleo atômico |
| grande teoria unificada | teoria das interações de partículas que unifica as forças nucleares fortes, eletromagnéticas e nucleares fracas |
| hádron | um méson ou bárion |
| A constante do Hubble | constante que relaciona velocidade e distância na lei de Hubble |
| Lei do Hubble | relação entre a velocidade e a distância de estrelas e galáxias |
| lépton | um férmion que participa da força eletrofraca |
| número de lepton | o número elétron-lépton\(L_e\), o número\(L_μ\) muon-lépton e o número tau-lépton\(L_τ\) são conservados separadamente em cada interação de partículas |
| mésons | um grupo de dois quarks |
| nucleossíntese | criação de elementos pesados, ocorrendo durante o Big Bang |
| acelerador de partículas | máquina projetada para acelerar partículas carregadas; essa aceleração geralmente é alcançada com campos elétricos fortes, campos magnéticos ou ambos |
| detector de partículas | detector projetado para medir com precisão o resultado de colisões criadas por um acelerador de partículas; os detectores de partículas são herméticos e polivalentes |
| pósitron | antielétron |
| cromodinâmica quântica (QCD) | teoria que descreve fortes interações entre quarks |
| eletrodinâmica quântica (QED) | teoria que descreve a interação de elétrons com fótons |
| quark | um férmion que participa da força nuclear eletrofraca e forte |
| redshift | alongamento do comprimento de onda da luz (ou vermelhidão) devido à expansão cosmológica |
| Modelo padrão | modelo de interações de partículas que contém a teoria eletrofraca e a cromodinâmica quântica (QCD) |
| estranheza | propriedade de partícula associada à presença de um quark estranho |
| força nuclear forte | força atrativa relativamente forte que atua em distâncias curtas (cerca de\ (10^ {−15}) m) responsável por unir prótons e nêutrons em núcleos atômicos |
| síncrotron | acelerador circular que usa tensão alternada e aumento da intensidade do campo magnético para acelerar as partículas para energias cada vez mais altas |
| radiação síncrotron | radiação de alta energia produzida em um acelerador síncrotron pelo movimento circular de um feixe carregado |
| teoria de tudo | uma teoria das interações de partículas que unifica todas as quatro forças fundamentais |
| partícula virtual | partícula que existe por muito pouco tempo para ser observável |
| Bóson W e Z | partícula com uma massa relativamente grande que carrega a fraca força nuclear entre léptons e quarks |
| força nuclear fraca | força relativa fraca (sobre\(10^{−6}\) a força da força nuclear forte) responsável pela decomposição de partículas elementares e interações de neutrinos |
Equações-chave
| Momento de uma partícula carregada em um cíclotron | \(p=0.3Br\) |
| Energia do centro de massa de uma máquina de feixe de colisão | \(W^2=2[E_1E_2+(p_1c)(p_2c)]+(m_1c^2)^2+(m_2c^2)^2\) |
| Tempo aproximado para troca de uma partícula virtual entre duas outras partículas | \(Δt=\frac{h}{E}\) |
| Lei do Hubble | \(v=H_0d\) |
| Métrica cosmológica de espaço-tempo | \(ds^2=c^2dt^2−a(t)^2d\sum^2\) |
Resumo
11.1 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. Os bósons são os portadores de força das interações entre partículas.
- Quarks e léptons pertencem a famílias de partículas compostas por três membros cada. Os membros de uma família compartilham muitas propriedades (carga, rotação, participação em forças), mas não em massa.
- Todas as partículas têm antipartículas. As partículas compartilham as mesmas propriedades de suas partículas de antimatéria, mas carregam carga oposta.
11.2 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.
11.3 Quarks
- Existem seis quarks conhecidos: up (u), down (d), charm (c), estranho (s), top (t) e bottom (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.
11.4 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.
- As partículas carregadas são medidas dobrando essas partículas em um círculo por um campo magnético.
- As partículas são medidas usando calorímetros que absorvem as partículas.
11.5 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.
- Grandes teorias unificadas buscam uma compreensão do universo em termos de apenas uma força.
11.6 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.
11.7 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.