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 composto de apenas três desses elementos básicos: o quark up, o quark down e o elétron. Esse conjunto de partículas é tudo o que é necessário para produzir prótons e nêutrons e formar átomos e moléculas. O neutrino eletrônico, observado no decaimento de outras partículas, completa o primeiro conjunto de quatro blocos de construção.
Por alguma razão, a natureza optou por replicar essa primeira geração de quarks e leptons para produzir um total de seis quarks e seis leptons, com aumento da massa. Como todos os quarks, o sexto quark, chamado top, é muito menor que um próton (de fato, ninguém sabe como são pequenos quarks), mas o topo é tão pesado quanto um átomo de ouro!
Embora existam razões para acreditar que não existem mais conjuntos de quarks e leptons, os teóricos especulam que pode haver outros tipos de blocos de construção, que podem ser parcialmente responsáveis pela matéria escura implicada pelas observações astrofísicas. Essa matéria pouco compreendida exerce forças gravitacionais e manipula galáxias. Serão necessárias experiências com aceleradores baseados na Terra para identificar seu tecido
As forças
Os cientistas distinguem quatro tipos elementares de forças que atuam entre as partículas: força forte, fraca, eletromagnética e gravitacional.
- A força forte é responsável por os quarks "grudarem" juntos para formar prótons, nêutrons e partículas relacionadas.
- A força eletromagnética liga os elétrons aos 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 atua entre objetos maciços. Embora não desempenhe nenhum papel no nível microscópico, é a força dominante em nossa vida cotidiana e em todo o universo.
Partículas transmitem forças entre si trocando partículas portadoras de força chamadas bósons. Esses mediadores de força transportam quantidades discretas de energia, chamadas quanta, de uma partícula para outra. Você pode pensar na transferência de energia devido à troca de bósons como algo como a passagem de uma bola de basquete entre dois jogadores.
Cada força tem seus próprios bósons característicos:
- O glúon medeia a força forte; "cola" 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 decaimento.
Os físicos esperam que a força gravitacional também possa estar associada a uma partícula de bóson. Nomeado graviton, esse bóson hipotético é extremamente difícil de observar, pois, 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, o mecanismo pelo qual as partículas elementares ganham massa. Sem o campo de Higgs, ou algo semelhante, os átomos não se formariam, e não haveria química, nem biologia nem vida.
O campo de Higgs é como um barril gigante de melaço espalhado por todo o universo. A maioria dos tipos conhecidos de partículas que viajam através dele adere ao melaço, o que os retarda e os torna mais pesados. O bóson de Higgs é uma partícula que ajuda a transmitir o campo de força de Higgs, semelhante à maneira como uma partícula de luz, o fóton, transmite o campo eletromagnético.
As experiências ATLAS e CMS no Large Hadron Collider do CERN em Genebra, Suíça, anunciaram a descoberta da partícula Higgs em julho de 2012.
Antimatéria
Embora seja um grampo da 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, porém, têm as propriedades opostas de suas partículas correspondentes. Um antipróton, por exemplo, tem uma carga elétrica negativa enquanto um próton é carregado positivamente.
Em meados dos anos 90, 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 flash de energia. Usando campos de força eletromagnéticos, os físicos são capazes de armazenar a antimatéria dentro dos vasos de vácuo por um período limitado de tempo.
WIMPS e matéria escura
Ninguém jamais 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 suficiente para mantê-los unidos. Algo que eles não podiam ver deve ter contribuído com massa e, portanto, com força 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, preveem que partículas massivas de fraca interação, WIMPs, existem com propriedades adequadas para explicar a matéria escura.
Energia escura
No século 20, os astrônomos descobriram pela primeira vez que o universo estava ficando maior. Eles descobriram isso observando algo semelhante ao efeito Doppler na luz proveniente de galáxias distantes. O efeito Doppler é o que faz com que a buzina de um carro mude de tom de alto para baixo quando se aproxima e passa. Isso acontece porque as ondas sonoras são compactadas à medida que o carro se move em sua direção, resultando em um tom mais alto e esticadas à medida que se afasta, resultando em um tom mais baixo. À medida que um objeto se aproxima de você, as ondas de luz provenientes dele se comprimem. Os astrônomos chamam isso de mudança de direção. Quando as ondas de luz se estendem à medida que um objeto se afasta, os astrônomos chamam de desvio para o vermelho.
Medindo o espectro de um objeto astronômico, os astrônomos podem dizer quanto o espaço entre o objeto e o observador se estendeu à medida que a luz viajava através dele. Quando o astrônomo Vesto Slipher mediu a luz vinda de outras galáxias, ele descobriu que quase todas estavam com desvio para o vermelho ou se afastando. Ele descobriu que aqueles que pareciam mais sombrios e distantes tinham redshift ainda mais alto. O universo estava se expandindo. Isso levou os astrônomos à ideia do big bang.
Os astrônomos assumiram, no entanto, que a força da gravidade de toda a matéria do universo retardaria a expansão. Eles ficaram surpresos em 1998 quando descobriram que a expansão estava realmente acelerando. Os astrônomos descobriram isso quando mediram o brilho da luz proveniente de um certo tipo de supernova que sempre explode com aproximadamente a mesma energia. Quanto mais fraca a luz da supernova, maior a distância percorrida até a Terra. Eles descobriram que as supernovas estavam mais distantes do que as medidas do desvio para o vermelho previam. O universo estava se expandindo a um 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 o modelo teórico de Estrutura Padrão que descreve as interações entre os blocos de construção elementares (quarks e leptons) e os transportadores de força (bósons). A gravidade ainda não faz parte dessa estrutura, e uma questão central da física de partículas do século XXI é a busca de 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 o usam para explicar e calcular uma vasta 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 eletromagnética . A consolidação é um marco comparável à unificação das forças elétrica e magnética em uma única teoria eletromagnética por JC Maxwell no século XIX. Os físicos acham que é possível descrever todas as forças com uma Grande Teoria Unificada.
http://www.fnal.gov/pub/science/particle-physics-101/science-matter-energy-space-time.html
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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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