Caros Leitores;
De que é feito o mundo?
Os blocos de construção
Os físicos identificaram 13 blocos de construção que são os constituintes fundamentais da matéria. Nosso mundo cotidiano é feito de apenas três desses blocos de construção: o quark up, o quark down e o elétron. Este conjunto de partículas é tudo o que é necessário para produzir prótons e nêutrons e formar átomos e moléculas. O neutrino de elétrons, observado no decaimento de outras partículas, completa o primeiro conjunto de quatro blocos de construção.
Por alguma razão, a natureza optou por reproduzir essa primeira geração de quarks e léptons para produzir um total de seis quarks e seis léptons, com massa crescente. Como todos os quarks, o sexto quark, chamado top, é muito menor que um próton (na verdade, ninguém sabe como os quarks são pequenos), mas o topo é tão pesado quanto um átomo de ouro!
Embora existam razões para acreditar que não existem mais conjuntos de quarks e léptons, os teóricos especulam que podem existir outros tipos de blocos de construção, que podem, em parte, explicar a matéria escura implicada pelas observações astrofísicas. Esta matéria mal entendida exerce forças gravitacionais e manipula galáxias. Serão necessários experimentos com aceleradores baseados na Terra para identificar seu tecido.
As forças
- A força forte é responsável por quarks "colarem" juntos para formar prótons, nêutrons e partículas relacionadas.
- A força eletromagnética liga elétrons a núcleos atômicos (aglomerados de prótons e nêutrons) para formar átomos.
- A força fraca facilita a decomposição de partículas pesadas em irmãos menores.
- A força gravitacional age entre objetos massivos. Embora não desempenhe nenhum papel no nível microscópico, é a força dominante em nossa vida cotidiana e em todo o universo.
Os cientistas distinguem quatro tipos elementares de forças que atuam entre as partículas: força forte, fraca, eletromagnética e gravitacional.
As partículas transmitem forças entre si trocando partículas de força, chamadas bósons. Esses mediadores de força carregam quantidades discretas de energia, chamadas quanta, de uma partícula para outra. Você poderia pensar na transferência de energia devido à troca de bóson como algo como a passagem de uma bola de basquete entre dois jogadores.
Cada força tem seus próprios bósons característicos:
- O glúon media a força forte; "cola" os quarks juntos.
- O fóton carrega a força eletromagnética; também transmite luz .
- Os bósons W e Z representam a força fraca; eles introduzem diferentes tipos de decaimentos.
Os físicos esperam que a força gravitacional também possa estar associada a uma partícula de bóson. Chamado de gravitão, esse bóson hipotético é extremamente difícil de ser observado, já que, no nível subatômico, a força gravitacional é muitas ordens de magnitude mais fraca que as outras três forças elementares.
O bóson de Higgs
O bóson de Higgs é uma partícula associada ao campo de Higgs, mecanismo pelo qual partículas elementares ganham massa. Sem o campo de Higgs, ou algo similar, os átomos não se formariam e não haveria química, nem biologia nem vida.
O campo de Higgs é como um tonel gigante de melaço espalhado por todo o universo. A maioria dos tipos conhecidos de partículas que viajam através dele aderem ao melaço, o que os torna mais lentos e mais pesados. O bóson de Higgs é uma partícula que ajuda a transmitir o campo de força de Higgs, que dá massa, semelhante à forma como uma partícula de luz, o fóton, transmite o campo eletromagnético.
Os experimentos ATLAS e CMS no Large Hadron Collider do CERN em Genebra, na Suíça, anunciaram a descoberta da partícula de Higgs em julho de 2012.
Antimatéria
Embora seja um grampo de ficção científica, a antimatéria é tão real quanto a matéria. Para cada partícula, os físicos descobriram uma antipartícula correspondente, que parece e se comporta quase da mesma maneira. As antipartículas, no entanto, têm as propriedades opostas de suas partículas correspondentes. Um antipróton, por exemplo, tem uma carga elétrica negativa enquanto um próton está carregado positivamente.
Em meados da década de 1990, os físicos do CERN ( 1995 ) e Fermilab ( 1996 ) criaram os primeiros anti-átomos. Para aprender mais sobre as propriedades do mundo da antimatéria, eles adicionaram cuidadosamente um pósitron (a antipartícula de um elétron) a um antipróton. O resultado: anti-hidrogênio.
Armazenar antimatéria é uma tarefa difícil. Assim que uma antipartícula e uma partícula se encontram, elas se aniquilam, desaparecendo em um lampejo de energia. Usando campos de força eletromagnética, os físicos são capazes de armazenar antimatéria dentro de vasos de vácuo por um período limitado de tempo.
Wimps e matéria escura
Ninguém observou diretamente a matéria escura, mas duas pistas levaram os astrônomos a suspeitar de sua existência. Primeiro, quando os pesquisadores mediram as massas de todas as estrelas e planetas que compõem as galáxias, descobriram que a gravidade desses objetos por si só não seria grande o suficiente para mantê-los juntos. Algo que eles não puderam ver deve ter contribuído em massa e, portanto, atração gravitacional. Segundo, eles observaram no espaço o tipo de distorção da luz geralmente causada por grandes massas em áreas que pareciam vazias.
A composição da matéria escura é desconhecida e sua existência mostra que o modelo padrão da física de partículas é incompleto. Várias teorias da física de partículas, como a supersimetria, prevêem que partículas massivas de interação fraca, as WIMPs, existem com propriedades adequadas para explicar a matéria escura.
Energia escura
No século 20, os astrônomos descobriram que o universo estava ficando maior. Eles descobriram isso observando algo semelhante ao efeito Doppler na luz vinda de galáxias distantes. O efeito Doppler é o que faz com que a buzina de um carro mude de alto para baixo quando se aproxima e passa. Isso acontece porque as ondas sonoras são comprimidas à medida que o carro se move em sua direção, resultando em um tom mais alto e são esticadas à medida que se afastam, resultando em um tom mais baixo. Quando um objeto se aproxima de você, as ondas de luz que vêm dele se comprimem. Os astrônomos chamam isso de blueshift. Quando as ondas de luz se esticam quando um objeto se afasta, os astrônomos o chamam de redshift.
Medindo o espectro de um objeto astronômico, os astrônomos podem dizer quanto o espaço entre o objeto e o observador se esticou quando a luz viajou através dele. Quando o astrônomo Vesto Slipher mediu a luz proveniente de outras galáxias, ele descobriu que quase todos eram desviados para o vermelho ou se afastavam. Ele descobriu que aqueles que pareciam mais e mais distantes tinham redshifts ainda maiores. O universo estava se expandindo. Isso levou os astrônomos à idéia do big bang.
Os astrônomos assumiram, no entanto, que a força da gravidade de toda a matéria no universo retardaria a expansão. Eles tiveram uma surpresa em 1998 quando descobriram que a expansão estava realmente se acelerando. Os astrônomos descobriram isso quando mediram o brilho da luz proveniente de um certo tipo de supernova que sempre explode com a mesma energia. O dimmer a luz da supernova, quanto mais longe a distância que tinha viajado para a Terra. Eles descobriram que as supernovas estavam mais distantes do que suas medições redshift previam. O universo estava se expandindo em ritmo acelerado.
Alguns astrofísicos de partículas acham que isso está acontecendo porque uma força com uma gravidade repulsiva está afastando o universo. Eles chamam essa força de energia escura.
O modelo padrão
Os físicos chamam a estrutura teórica que descreve as interações entre os blocos de construção elementares (quarks e léptons) e os portadores de força (bósons), o Modelo Padrão. A gravidade ainda não faz parte deste quadro, e uma questão central da física de partículas do século XXI é a busca por uma formulação quântica da gravidade que possa ser incluída no Modelo Padrão.
Embora ainda seja chamado de modelo, o Modelo Padrão é uma teoria física fundamental e bem testada. Os físicos usam isso para explicar e calcular uma grande variedade de interações de partículas e fenômenos quânticos. Experimentos de alta precisão verificaram repetidamente os efeitos sutis previstos pelo Modelo Padrão.
Até agora, o maior sucesso do Modelo Padrão é a unificação das forças eletromagnéticas e fracas na chamada força eletrofraca . A consolidação é um marco comparável à unificação das forças elétricas e magnéticas em uma única teoria eletromagnética de JC Maxwell no século XIX. Os físicos acham que é possível descrever todas as forças com uma Grande Teoria Unificada.
Fonte: Fermilab
http://www.fnal.gov/pub/science/particle-physics-101/science-matter-energy-space-time.html
Obrigado pela sua visita e volte sempre!
Hélio R.M. Cabral
(Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da
Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).
Membro da Society for
Science and the Public (SSP) e assinante de conteúdos científicos da NASA
(National Aeronautics and Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa
do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela
NASA. A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica
Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA
Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric
Administration (NOAA) e U.S Department of State.
e-mail: heliocabral@coseno.com.br
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