gluões, e quark spin mostrado. A força nuclear age como uma mola, com força negligenciável quando não esticada, mas grande, forças atraentes quando esticada para grandes distâncias. Brookhaven National Laboratory
A história da nossa história cósmica é uma história de um Universo em expansão e arrefecimento. À medida que progredimos de um estado quente, denso e uniforme para um estado frio, esparso e desajeitado, uma série de eventos importantes aconteceram ao longo da nossa história cósmica. No momento do Big Bang quente, o Universo estava cheio de todo tipo de partículas de energia ultra-alta, antipartículas e quanta de radiação, movendo-se à velocidade da luz ou perto dela.
Por outro lado, hoje, temos um Universo cheio de estrelas, galáxias, gás, poeira e muitos outros fenômenos que são muito baixos em energia para ter existido no Universo primitivo. Uma vez que as coisas esfriaram o suficiente para que os Higgs dessem massa ao Universo, você poderia pensar que prótons e nêutrons se formariam imediatamente. Mas eles não poderiam existir de imediato. Aqui está a história de como eles vieram a ser.
plasma quark-gluon livre, sem limites. A temperaturas e densidades mais baixas, temos hadrões muito mais estáveis: prótons e neutrões. BNL/RHIC
No calor do Universo primitivo, mas após as partículas fundamentais terem obtido uma massa de repouso, temos cada combinação partículo-antipartícula que é energeticamente possível estourar dentro e fora da existência. Existem:
- quarks e antiquarks,
- leptões e antileptões,
- neutrinos e antineutrinos,
- assim como os bósons calibre,
todos os quais existem desde que haja energia suficiente (E) para criar estas partículas de determinadas massas (m) via Einstein’s E = mc2. As partículas recebem massa apenas 100 picossegundos (10-10 s) após o Big Bang quente começar, mas ainda não há prótons ou nêutrons.
radiação, e foi tão quente e denso que impediu que todas as partículas compostas, como prótons e nêutrons, se formassem de forma estável durante a primeira fração de segundo. Colaboração RHIC, Brookhaven
Intead, o Universo é tão quente e denso que o que temos é conhecido como um plasma quark-gluon. A razão para isso é contra-intuitiva, se as únicas forças que você está familiarizado são a gravidade e o eletromagnetismo. Nesses casos, as forças ficam mais fortes em magnitude, quanto mais perto você traz duas partículas. Reduza pela metade a distância entre duas cargas elétricas e a força quadruplica entre elas; reduza pela metade a distância entre duas massas e a força pode até mais que quádrupla, como dita a Relatividade Geral.
Mas pegue dois quarks, antiquarks, ou uma combinação quark-antiquark, por exemplo, e reduza pela metade a distância entre eles, e a força da forte força nuclear que os une faz algo muito diferente. Não quadruplica. Nem sequer duplica. Em vez disso, a força entre eles diminui.
a força de interação da força cai a zero. A grandes distâncias, ela aumenta rapidamente. Esta é a idéia de liberdade assimptótica, que tem sido confirmada experimentalmente com grande precisão. S. Bethke; Prog.Part.Nucl.Phys.58:351-386,2007
Isso é estranho, mas é assim que os núcleos atômicos e a força nuclear forte realmente funcionam. Abaixo de uma certa distância, a força entre quaisquer duas partículas com uma carga de cor (quarks e gluons) realmente cai para zero, aumentando apenas à medida que se afastam. Nas altas temperaturas e densidades presentes nestes tempos muito precoces, a força nuclear é muito fraca para unir qualquer coisa. Como resultado, as partículas simplesmente se zipam, colidindo umas com as outras, criando novas e aniquilando-as.
Mas à medida que o Universo se expande, ele esfria e fica menos denso. E à medida que o tempo passa, torna-se mais difícil fazer as partículas mais maciças.
a partir de energia pura é uma reacção completamente reversível (direita), com a matéria/antimatéria a aniquilar de volta a energia pura. Este processo de criação-e-antimatéria, que obedece a E = mc^2, é a única forma conhecida de criar e destruir matéria ou antimatéria. Com energias baixas, a criação de partículas-antipartículas é suprimida. Dmitri Pogosyan / Universidade de Alberta
Além disso, com exceção dos quarks mais leves (para cima e para baixo, mais anti-up e antidown) e do leptão mais leve carregado (o elétron, mais o positron), todas as outras partículas são instáveis à decadência radioativa. À medida que os picossegundos se transformam em nanossegundos, e os nanossegundos se acumulam em microssegundos, as partículas mais pesadas deixam de ser criadas e desaparecem do nosso Universo. Os quarks de fundo/anti-bottom desaparecem primeiro, seguidos pelos leptões tau e anti-tau. Depois os quarks de charme/anti-charm vão, seguidos pelos quarks estranhos/anti-estranhos.
o Universo determina quando e em que condições eles podem ser criados. Quanto mais massiva for uma partícula, menos tempo ela pode ser criada espontaneamente no início do Universo. Fig. 15-04a de universe-review.ca
Como perdemos cada vez mais combinações de partículas/antipartículas, elas criam maiores números dos pares de partículas/antipartículas mais leves que ainda podem existir, mas também maiores números de fótons. Cada vez que produzimos dois fótons a partir da aniquilação de partículas/antipartículas, isso atrasa um pouco o arrefecimento do Universo. O Universo está a ficar mais frio e mais escasso, mas também está a mudar o que está nele. Nos estágios iniciais, apenas uma pequena, mas substancial porcentagem das partículas ao redor são fótons, neutrinos e antineutrinos. Mas à medida que estas partículas começam a desaparecer, estas fracções aumentam cada vez mais.
e as suas partículas de antimatéria eram extraordinariamente abundantes, mas à medida que o Universo arrefecia, a maioria aniquilou-se. Toda a matéria convencional que nos resta hoje é dos quarks e leptões, enquanto tudo o que aniquilou criou mais fótons, neutrinos e antineutrinos. E. Siegel / Beyond The Galaxy
E à medida que o Universo arrefece ainda mais, os muões e anti-muões começam a decompor-se, ao mesmo tempo que os quarks acima e abaixo (mais os quarks acima e abaixo) começam a separar-se para distâncias substanciais (femtometer: 10-15 m). Cerca de 10 a 20 microssegundos após o Big Bang, atingimos uma combinação de temperatura/densidade crítica. Agora esfriamos até uma temperatura de cerca de 2 trilhões de K (2 × 1012 K), e agora os quarks e os antiquarks estão separados o suficiente para que a força forte comece a ficar substancial.
Just como uma mola sem esticar não exerce uma força, mas uma mola esticada exerce, os quarks não sentem uma força confinante até atingirem uma certa distância. Mas quando o fazem, tornam-se presos.
o seu spin, mas também o fazem os gluões, os quarks marítimos e os antiquarks, e o momento angular orbital. A repulsão eletrostática e a atrativa força nuclear forte, em tandem, são o que dá ao próton o seu tamanho. APS/Alan Stonebraker
Gradualmente, fazemos a transição: de quarks livres para cima, para baixo, anti-up e anti-down para protões ligados, neutrões, anti-protões e anti-neutrões. O Universo ainda está quente o suficiente para fazer novas combinações partículas-antipartículas, e estava a fazer muitas combinações up/anti-up e down/anti-down quark quando as coisas estavam suficientemente densas.
Mas agora que não estão suficientemente densas, e temos protões e neutrões (e anti-protões e anti-neutrões) em vez disso, o Universo não está quente o suficiente para criar espontaneamente novos pares prótons/anti-protões ou neutrões/anti-neutrões. Isto significa que quando prótons e anti-protões (ou nêutrons e anti-neutrons) se encontram, eles se aniquilam, e nós não podemos fazer novos.
antipartícula, ele pode se aniquilar em energia pura. Isto significa que se você colidir quaisquer duas partículas com energia suficiente, você pode criar um par matéria-antimatéria. Mas se o Universo estiver abaixo de um certo limiar de energia, você só pode aniquilar, não criar. Andrew Deniszczyc, 2017
O que acontece, então, à medida que o Universo arrefece através desta fase crítica é o seguinte:
- os restantes quarks livres começam a experimentar o confinamento, tornando-se protões, neutrões, anti-protões, anti-neutrões e piões (partículas instáveis conhecidas como mésons),
- os mésons decaem, enquanto os anti-protões e anti-neutrons aniquilam com os prótons e nêutrons,
- e isto nos deixa com prótons e nêutrons sozinhos, apenas porque em algum estágio anterior, o Universo criou mais matéria do que antimatéria.
partículas e antipartículas se decompõem, enquanto os pares matéria-antimatéria aniquilam e os fótons não podem mais colidir com energias altas o suficiente para criar novas partículas. Mas sempre haverá sobras de partículas que não podem mais encontrar suas contrapartidas antipartículas. Ou elas são estáveis ou vão decair, mas ambas têm consequências para o nosso Universo. E. Siegel
Finalmente, o Universo começa a assemelhar-se a algo que reconhecemos hoje. Claro, é quente e denso. Claro, não há átomos ou mesmo núcleos atómicos. Claro, ele ainda está cheio de um monte de positrões (a contraparte antimatéria dos elétrons) e elétrons, e ainda os está criando e aniquilando espontaneamente. Mas a maior parte do que existe agora, talvez 25 microssegundos após o início do Big Bang quente, ainda existe de alguma forma hoje em dia. Os prótons e nêutrons se tornarão os blocos de construção dos átomos; os neutrinos e antineutrinos e fótons se tornarão parte do fundo cósmico; os elétrons restantes que existirão quando os pares elétrons/pósitrons aniquilarem se combinarão com os núcleos atômicos para tornar átomos, moléculas e reações bioquímicas complexas possíveis.
(amarelo), os orbitais d (azul) e os orbitais f (verde) podem conter apenas dois elétrons por peça: um giro para cima e um giro para baixo em cada um deles. O número de orbitais preenchidos é determinado pelo número de prótons no núcleo de um átomo. Sem os prótons criados no início do Universo, nada do que temos hoje no nosso Universo seria possível. Libretexts Library / NSF / UC Davis
Mas nesta fase, a maior novidade que ocorre é que as partículas não são mais individuais e livres em todas as escalas. Ao invés disso, pela primeira vez, o Universo criou um estado estável e vinculado de múltiplas partículas. Um próton é dois quarks para cima e um para baixo, presos por gluons, enquanto um nêutron é um quarks para cima e dois quarks para baixo, presos por gluons. Só porque criámos mais matéria do que antimatéria é que temos um Universo que tem protões e neutrões; só porque os Higgs deram massa de repouso às partículas fundamentais é que os ligamos, núcleos atómicos.
a existência de ‘carga de cor’ e a troca de gluões, é responsável pela força que mantém os núcleos atómicos juntos. Usuário do Wikimedia Commons Qashqaiilove
Devido à natureza da força forte, e a tremenda energia de ligação que ocorre nestas interações esticado-mola entre os quarks, as massas do próton e do nêutron são cerca de 100 vezes mais pesadas do que os quarks que os compõem. Os Higgs deram massa ao Universo, mas o confinamento é o que nos dá 99% da nossa massa. Sem prótons e nêutrons, nosso Universo nunca mais seria o mesmo.
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