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o estudo dos bósons da força fraca são úteis para a Astronomia?

Resposta

Bósons são partículas de spin inteiro. Exemplo, fótons, W, Z.

Quanto mais baixa a energia de um sistema de bósons, maior a probabilidade que as partículas estejam no mesmo estado. Bósons não seguem o Príncipio da Exclusão de Pauli. Eles se comportam seguindo a Estatística de Bose-Einstein (BE).

Sistemas de spin total inteiro também seguem a Estatística de BE, ainda que seus constituintes sejam feitos por partículas de spin semi-inteiro. Ex.: hélio líquido (o átomo de hélio é formado por férmions).

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Férmions: tem spin semi-inteiro. Exemplo: elétrons, quarks, neutrinos. Prótons e nêutrons, formados de 3 quarks, tem como spin total, valor semi-inteiro também. Seguem a Estatística de Fermi-Dirac (FD)e o Princípio da Exclusão de Pauli.

Tanto a Estatística de BE quanto a de FD tratam de partículas indistinguíveis (devido a propriedades quânticas).

Um sistema constituído de entes distinguíveis (ou clássicos) é tratado segundo a Estatística de Maxwell-Boltzmann.

O que são os bosons da força fraca?

São as partículas que intermediam a força fraça. Exemplo de processo no qual a força fraca participa: o decaimento do nêutron.

Quem intermedia a força elétromagnética entre partículas de carga elétrica? 

O fóton

Quem intermedia a força fraca entre partículas de carga de sabor? 

O Z e os W+ e W-.

Curiosidade: fóton não tem massa (a não ser massa efetiva mais isto tem a ver com outra coisa: fenômeno de blindagem, etc).

W+, W- e Z tem massa.

Qual a utilidade deles na astronomia?

No estágio conhecido como Supernova, no qual uma estrela explode ejetando imensas quantidades de matéria pelo espaço, e se transforma numa estrela de nêutrons, é a interação fraca que vai participar do processo de transformar prótons em nêutrons em tal estrela.

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por que não se observam quarks desconfinados?

Resposta

Quarks presos

De fato, esta propriedade entre os quarks é bastante intrigante, o chamado confinamento: não existem quarks livres tais como um elétron ou um próton. Quarks sempre aparecem formando pares ou triplas. Ao tentarmos separar um dos quarks de um par de quarks, de forma a isolá-lo, acabamos criando mais um par.

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Este fenômeno não é raro na natureza: o mesmo acontece com ímãs. Quando você tenta dividir um ímã ao meio, você obtém dois ímãs. Não dá para separar o pólos norte e sul de um ímã. Você sempre terá dois ímãs. Algo do cotidiano que também podemos fazer analgia é com as pontas em uma corda: quando você corta a corda, sempre surgirá 2 novas pontas. "Não existe ponta de corda isolada" seria equivalente a "não existe quark isolado".

A imagem que usamos para representar o par de quarks é a de dois quarks ligados por uma mola. (O grafo de Feynman, na QCD, para o glúon é uma "mola"). A energia gasta para expandirmos a mola até ela quebrar é usada para criar um novo par de quarks (E=mc²). Assim teremos no final do processo 2 molas e 2 pares de quarks.

Quarks com liberdade assintótica

A QCD descreve como os quarks interagem entre si: eles trocam partículas chamadas glúons, que mantém os quarks unidos nos prótons, nêutrons, etc. Essa teoria prevê que a distâncias muito pequenas e energias muito altas, os quarks se comportam como partículas livres, num processo chamado de liberdade assintótica. Essas distâncias podem ser atingidas das seguintes maneiras:

ou frações de segundo após o Big-Bang (quando a fase era de altíssimas temperatura e densidade)

ou em colisões entre núcleos atômicos a altíssimas energias. Nessas condições, formaria-se o plasma de quark-glúons.

e, hipoteticamente, em estrelas de quarks, que se situeam entre as estrelas de nêutrons e os buracos negros em termos tanto de massa como densidade. Para observar tal estrela, espera-se que o "deconfinamento" libere imensas quantidades de energia, talvez sendo as mais energéticas explosões existentes. Algumas grandes erupções de raios gama evidenciadas pela astronomia sejam "novas quark" (estágio no qual uma estrela de quarks seria formada).

Unificar é preciso!

A mecânica quântica é a teoria do microcosmo. Ela é a que melhor explica o comportamento de partículas. Já o macrocosmo, é a Relatividade Geral. Grosso modo, a mecânica newtoniana, e o eletromagnetismo de Maxwell, jaz entre estes cosmos. As teorias quânticas, como eletrodinâmica quântica, ou ainda a Relatividade Geral, foram tão testadas e seu grau de precisão foi tão grande que seria como se a teoria dissesse qual é a distância entre Rio de Janeiro e São Paulo, e ela ficasse de acordo com erro menor que a espessura de um fio de cabelo. Entretanto, existe um cenário no qual as duas não conseguem descrever bem: como seria um sistema de microescala mas com densidades, temperaturas, massas, etc, altíssimos? Teria que ser uma teoria que unifique as duas: tanto quântica quanto relatividade.

A primeira grande unificação da física ocorreu quando o inglês Isaac Newton demonstrou que a força da gravidade que faz com que uma maçã caia no solo é a mesma que faz com que os planetas girem em torno do Sol.

A segunda grande unificação veio no século 19, com James Clerk Maxwell que mostrou que a óptica e os fenômenos elétricos e magnéticos são manifestações de uma única força, a força eletromagnética.

Uma terceira grande unificação veio em 1916, com Einstein que mostrou que a força gravitacional pode ser interpretada como uma distorção no espaço (e no tempo) em torno de um objeto com massa, unificando a geometria e a gravidade. Ele passou os últimos 30 anos de sua vida procurando uma formulação de sua teoria que unificasse o eletromagnetismo de Maxwell e a força gravitacional. Einstein entretanto rejeitava a mecânica quântica na unificação.

Com o estudo cada vez mais refinado, duas outras forças foram descobertas, as forças nucleares forte e fraca.

Uma quarta grande unificação foi entre 1960 até 1980, físicos teóricos construíram uma teoria unificada das forças eletromagnética e fraca, criando a força eletrofraca.

Supercordas eliminando pontas soltas?

Os modelos que visam unificar a força forte com a eletrofraca prevêem energias da ordem milhões de bilhões de vezes maiores que as energias nucleares. E como unificar a força gravitacional? Com Einstein vimos a unificação da força gravitacional com a geometria do espaço. Com a mecânica quântica, que é a base da unificação das outras três forças, vimos que no microcosmo nada é contínuo: tudo se manifesta em pequenos pacotes, os "quanta". Para unificar a gravidade, ela também deve ser "quantizada". Já que a gravitação está ligada com a geometria do espaço e com a passagem do tempo, quantizar a gravitação significa quantizar o espaço e o tempo! Ou seja, no nível quântico os conceitos de espaço e tempo deixam de fazer sentido.

Entre as teorias candidatas a unificação, as supercordas são as mais estudadas. Segundo ela, cordas geram (em dimensões extras, além das 3 do espaço e 1 do tempo as quais estamos acostumados) geram todas as partículas e forças, vibrando com energias diferentes. Entretanto até o momento a teoria ainda não foi terminada e longe de ser testada.

O Universo então, após um início superquente e superdenso, expandiu e resfriou originando as 4 forças fundamentais da natureza. Bem como as partículas (como os quarks e glúons). Uma analogia é com um substântica mudando de fase. Estaríamos agora na fase na qual a substância está fria, cristalizada. Nesta fase surgem partículas que causam, por exemplo, a vibração da rede no cristal. Tais partículas só existem nesta fase. Podemos descrever bem a interação entre os sítios desta rede intermediado por tais partículas, mas só entenderemos a origem delas se pudermos analisar a substância também na fase quente.

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LHC: benefícios? pode destruir a Terra? Uso como arma?

1) Quais os benefícios de montar um acelerador tão caro quanto o LHC?

Resposta

Um dos benefícios serão: aumentar a compreensão do Universo, que é um dos objetivos da Ciência, sendo a Tecnologia, um subproduto do avanço na compreensão.

Mas existem outros benefícios:

Graças a um outro acelerador de partículas, o Cern, surgiu a internet (inventou o World Wide Web, www). Agora, desenvolveu o Grid, um sistema de computadores interligados no mundo inteiro, uma tecnologia impensável há apenas dez anos.

Várias tecnologias periféricas envovendo engenharia, computação, etc, surgem, muitos dos quais imprevisíveis.

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2) O LHC pode ser usado como arma de destruição de massa?

Resposta

Uso bélico? Vale lembrar que o orçamento militar é decidido pelos políticos. São os políticos, que elegemos, que votam orçamentos. E o orçamento somado pelo mundo passa dos trilhões de dólares por ano. Bem, todo este dinheiro sendo investido para criar armas de destruição em massa (ou escudo para tais armas) fatalmente chegará em descobertas neste sentido.

Se as descobertas do acelerador em particular poderão ser usadas, é que ainda não se sabe. De qualquer forma, as bombas nucleares, H, de nêutrons, etc, e ainda as armas bacteriológicas, armas químicas, já dão para acabar com a vida (dos seres humanos, pelo menos) várias vezes na Terra.

3) O LHC pode destruir a Terra?

Resposta

Colisões como as que acontecerão no LHC, acontecem milhares de vezes por dia na atmosfera da Terra e nada de terrível acontece. Então ao invés de os militares construírem aqui túneis como o LHC, talvez seja mais fácil capturar os feixes que prótons que bombardeiam nossa atmosfera milhares de vezes todos os dias.

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