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ago 21

Vamos revisitar os primeiros momentos do Universo? A nucleossíntese do Big Bang

http://phys.org/news/2016-08-peek-earliest-moments-universe.html

O experimento MuSun no Instituto Paul Scherrer mede a taxa da captura de muons no deutério com precisão melhor que 1,5%. Esse processo é a mais simples interação fraca em um núcleo que pode ser medida em alto grau de precisão. Crédito: Lawrence Berkeley National Laboratory

O Big Bang foi a expansão espontânea ocorrida há 13,8 bilhões de anos que criou o nosso Universo e, durante o processo, toda a matéria que conhecemos hoje.

Nos primeiros minutos primordiais do Big Bang, o Universo rapidamente se expandiu e arrefeceu, permitindo a formação das partículas subatômicas que se juntaram posteriormente para se tornar a matéria bariônica: os prótons e os nêutrons [e suas antipartículas].

Em sequência os bárions começaram a interagir entre si para criar os primeiros átomos simples. O tempo seguiu em frente, com mais expansão do espaço-tempo, mais resfriamento, junto com a força gravitacional onipresente. Assim, as nuvens desses elementos começaram a coalescer formando as primeiras estrelas e galáxias.

Para William Detmold, professor de física no MIT que usa lattice cromodinamic quantics (LQCD) para estudar partículas subatômicas, um dos mais interessantes aspectos da formação do Universo primitivo foi o que aconteceu justamente nos primeiros minutos, um período conhecido como a Nucleossíntese do Big Bang (“big bang nucleosynthesis“).

Conforme William Detmold explicou:

Você começa o processo com partículas de alta energia que esfriam a medida que o Universo se expande e eventualmente você se depara com uma sopa de quarks e glúons, que são partículas extremamente interativas, que agregadas geram os prótons e os nêutrons [e suas antipartículas].

Uma vez que temos prótons e nêutrons, o próximo estágio é a junção dos prótons e nêutrons para começar a formação de componentes mais complexos, primariamente o deutério, o qual por sua vez interage com outros nêutrons e prótons para formar elementos mais pesados tais como o Hélio4, a denominada partícula-alfa [o núcleo do átomo de Hélio].

https://en.wikipedia.org/wiki/Nucleosynthesis#/media/File:Primordial_nucleosynthesis2.png

O conjunto das reações ocorridas na Nucleossíntese do Big Bang

Um dos mais críticos aspectos da Nucleossíntese do Big Bang (Big Bang Nucleosynthesis) é o processo de captura radioativa, no qual um próton captura um nêutron, os quais se fundem para produzir o deutério e um fóton de raios gama através da reação:

[ p+ + n0 → 21D + γ ]

Em um artigo científico publicado em Physical Review Letters, William Detmold e seu time de coautores (membros da Colaboração NPLQCD, a qual estuda as propriedades, estruturas e interações das partículas fundamentais) descrevem como usaram os cálculos de LQCD para melhor entender esse processo e aferir com precisão a taxa de reação nuclear que ocorre quando um nêutron e um próton se fundem e criam o deutério mais um fóton. Enquanto os físicos têm sido capazes de medir experimentalmente esse fenômeno em laboratórios, eles não haviam até o momento conseguido fazer o mesmo através de apenas cálculos, com um grau aceitável de certeza.

William Detmold explicou:

Um dos aspectos mais interessantes sobre a interação forte que acontece durante o processo de captura radioativa é que você obtém estruturas muito complexas se formando, não apenas prótons e nêutrons. A interação forte tem essa capacidade de ser composta de diversas estruturas sendo geradas durante o processo e se essas reações primordiais não tivessem acontecido da forma que ocorreram o deutério não teria se formado de forma suficiente criar o Hélio4 primordial [na conhecida abundância do Universo primitivo]. Assim, sem Hélio suficiente, não teríamos posteriormente o carbono. Sem carbono não há vida…

Experimentos de Cálculo

Conforme o artigo da Physical Review Letters, o time usou o código de Chroma LQCD desenvolvido no Laboratório Jefferson para executar uma série de cálculos com quarks com massas 10 a 20 vezes maiores que os valores físicos conhecidos. Usar valores maiores das massas, ao invés dos números reais físicos, reduziu o custo da realização dos cálculos tremendamente, Detmold destacou. Assim, as estimativas foram usadas para o entendimento de como os cálculos deveriam depender da massa para se obter o valor da massa física do quark.

Quando estimamos usando os cálculos pela LQCD (lattice cromodinamic quantics), nós temos que informar ao computador quais as massas dos quarks desejamos trabalhar, e se usamos os valores efetivos encontrados na natureza, isso torna o esforço da simulação computacional extraordinariamente oneroso. Assim, para atividades mais simples tais como o cálculo da massa de um próton, nós simplesmente usamos os valores físicos reais das massas dos quarks e processamos as simulações. No entanto, essa reação de ‘formação do deutério’ é muito mais complexa, então não poderíamos usar simplesmente os valores reais físicos das massas dos quarks, pelas razões já explicadas.

Embora essa seja a primeira estimativa usando a LQCD para uma reação nucelar inelástica, Detmold está particularmente entusiasmado pelo fato de agora sermos capazes de reproduzir esse processo através de cálculos. Isso traz como consequência uma nova capacidade dos cientistas em poder calcular agora outras reações similares que jamais foram medidas com precisão de forma experimental, tais como a cadeia próton-próton responsável principal pelo geração da energia solar.

https://pt.wikipedia.org/wiki/Cadeia_pr%C3%B3ton-pr%C3%B3ton#/media/File:FusionintheSun.svg

A cadeia próton-próton domina as reações nas estrelas da massa do Sol ou menores.

William Detmold esclareceu:

A taxa da reação de captura radioativa, cujo valor é realmente o que estamos calculando aqui, se apresenta muito próxima das medidas experimentais, o que demonstra que, de fato, entendemos muito bem como executar essas estimativas, isto é, nós as realizamos e os resultados foram consistentes com o que é experimentalmente conhecido.

Tal abre toda uma gama possibilidades para tentarmos calcular as taxas de outras interações nucleares, as quais não sabemos as respostas, porque nós não temos ou não podemos atualmente medi-las experimentalmente. Até esses novos cálculos, achamos que é razoável se dizer que a maioria receava em pensar se poderíamos usar os graus de liberdade para ir de quarks e glúons para fazer reações nucleares. Esta pesquisa demonstra que sim, nós podemos.

Fonte

Phys.org: A peek inside the earliest moments of the universe

Artigo Científico

Ab initio Calculation of the npdγ Radiative Capture Process

._._.

1 menção

  1. Enigma resolvido: as NOVAS são a principal fonte de Lítio no Universo » O Universo - Eternos Aprendizes

    […] químicos têm uma origem astronômica. A primeira gênese teve lugar no que é conhecido como “Nucleossíntese Primordial”, pouco tempo depois do Big Bang (entre os 10 segundos e vinte minutos). Nesse período os […]

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