Quais são os conceitos básicos de Física das Partículas e Cosmologia?

No fim do ano de 2008, por ocasião do início da operação do LHC- Large Hadron Collider, no CERN- Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire na fronteira entre a Suíça e a França, foram divulgadas fotos de vários detectores colossais, destinados às experiências projetadas por diferentes grupos de pesquisa de físicos do mundo todo. Através de experimentos já realizados em energia menores, espera-se obter uma quantidade enorme de partículas resultantes da colisão entre os feixes de partículas e antipartículas no LHC. É necessário que se faça um estudo sistemático extenso a fim de tentar obter a compreensão da natureza.

Física das Partículas e Cosmologia

(Adaptado do capítulo 56 “Particle Physics and Cosmology” Physics 4th edition, Volume2 Extended, Halliday, Resnick and Krane, John Wiley and Sons, 1992.)

1 - Interações entre as partículas

A fim de compreender a enorme quantidade de compostos químicos existentes, cientistas dos fins do século XIX e início do século XX conseguiram classificar os elementos de uma forma bem compacta na Tabela de Mendeleev. Isótopos de um mesmo elemento químico se comportam praticamente da mesma forma, sob o ponto de vista químico. Sabe-se, entretanto, que existem diferenças quanto a sua estabilidade nuclear, por exemplo, isótopos diferentes emitem diferentes partículas e têm meias-vidas próprias. Em geral, o comportamento químico é o mesmo ou praticamente o mesmo para compostos formados por isótopos, por exemplo Sn¹⁶O² e ¹²²Sn¹⁶O₂ ou então ²H₂¹⁶O e ¹H₂¹⁶O, água pesada e água. Existem muitos isótopos dos vários elementos que se conhece, como pode ser verificado na tabela de nuclídeos, de modo que o trabalho dos cientistas foi identificar as formas de interação, as semelhanças e as diferenças em cada caso. Trata-se de um trabalho sistemático extenso, detalhado e repetitivo, a fim de se certificar da reprodutibilidade de cada processo efetuado, para obter a credibilidade necessária. Os 112 elementos químicos atualmente conhecidos são agrupados pelas suas propriedades similares em: gases nobres, halógenos, metais alcalinos, metais de transição, terras raras, etc. Cada isótopo de um elemento é identificado pelo número de prótons, de nêutrons e de elétrons. Esse trabalho de classificação feito para os átomos precisa ser feito, agora, para a enorme quantidade de partículas detectadas em experimentos de alta energia. É necessário identificar quais são as partículas efetivamente fundamentais e quais as interações existentes entre elas.

1.1 - As quatro forças básicas da natureza

As quatro forças básicas da natureza são:

• Força gravitacional
• Força fraca
• Força eletromagnética
• Força forte.

As quatro forças básicas podem ser classificadas pelo alcance, pela intensidade relativa e pelo tempo característico:

Tipo	Alcance	Intens. Relativa	Tempo Característico
Gravitacional	∞	10-38	anos
Fraca	˂˂1 fm	10-7	10-8 a 10-13s
Eletromagnética	∞	10-2	10-14 a 10-20s
Forte	1fm	1	10-23s

A força gravitacional é muito importante no cotidiano, mas não na escala subatômica, por exemplo, entre dois prótons apenas encostados, a força gravitacional é de apenas 10^-38 da força forte entre eles. A força gravitacional é cumulativa e tem alcance infinito, assim a força entre a Terra e cada um de nós é a soma da força entre cada átomo da Terra em cada átomo do nosso corpo. A força fraca é a do decaimento beta e de outras interações semelhantes, mas não afeta a ligação entre os núcleons. A força fraca entre dois prótons vizinhos é de apenas 10^-7 da força forte entre eles. Como o alcance da força fraca é de 1fm apenas, para distâncias maiores que 1fm a força é desprezível. A força eletromagnética tem alcance infinito e tem efeito cumulativo, mas em certos casos há o efeito da blindagem de modo que o seu efeito diminui para objetos em geral. Algumas forças macroscópicas têm sua origem nessas forças, como atrito, resistência do ar, “drag” arrasto e tensão. A força eletromagnética entre dois prótons vizinhos é de 10^-2 da força forte, mas dentro do núcleo as forças eletromagnéticas atuam cumulativamente porque não há efeito de blindagem. Como resultado a força eletromagnética pode competir com a força forte na estabilidade e na estrutura do núcleo. A força forte é responsável pela ligação do núcleo e é a força dominante em reações e em decaimento da maioria das partículas fundamentais. Elétrons não sentem a força forte. Uma característica da força forte é o seu alcance pequeno de 1 fm. O tempo característico está relacionado com a intensidade relativa da força. Se duas partículas são aproximadas para que haja uma interação por alguma força, para agir é necessário um tempo maior se a força for mais fraca. Isto é, não vai haver um decaimento ou uma reação de acordo com o tempo característico.

1.2 - Teorias de unificação

Ainda no século XIX foi feita a primeira unificação, a que uniu a eletricidade ao magnetismo, após os experimentos de Oersted e Faraday, mostrando que efeitos magnéticos produzem campos elétricos e que campos elétricos podem produzir campos magnéticos. Foi mostrado que essa ligação é uma parte fundamental da teoria da relatividade, segundo a qual campos elétricos e magnéticos podem ser transformados um no outro devido inteiramente ao movimento relativo do observador. A óptica também foi unificada ao eletromagnetismo. No século XX foi feito um esforço no sentido de se visualizar a unificação de outras forças, que resultou na unificação da força eletrofraca, que deu o prêmio Nobel a Weinberg, Salam e Glashow em 1979. Ainda não se conhece uma teoria de unificação de todas as forças, pois ainda não se tem uma teoria quântica da gravitação aceita universalmente. Frequentemente, assim como com os campos elétricos e magnéticos, ainda se separa a interação entre forças eletromagnéticas e forças fracas quando se quer discutir alguma particularidade.

2 - Famílias de partículas

Biólogos classificam coisas agrupando plantas ou animais por alguma semelhança atribuída a elas. Os físicos escolheram no passado uma forma de classificar as partículas pela suas massas. Assim, os elétrons, que eram considerados como as partículas mais leves entre as que se conhecia na época, foram classificadas como léptons (quer dizer pequenos em grego) uma vez que sua energia m_ec²= 0,511MeV é pequena em comparação com os bárions( pesado em grego), com energia de mpc2= 938MeV. Entre essas duas categorias ficam os mésons (médio em grego), com energias de m_πc² = 140 MeV. Hoje essas classificações baseadas em massa não são mais válidas uma vez que se conhecem um lépton e muitos mésons mais massivos que um próton. Os nomes, entretanto, ainda foram mantidos. Semelhanças para classificar as partículas:

Família	Estrutura	Interações	Spin	Exemplos
Léptons	Fundamental	fraca , eletromag	Semi inteiro	e, υ
Mésons	Composto	fraca , eletromag e forte	inteiro	π,K
Bárions	Composto	fraca , eletromag e forte	Semi inteiro	p,n

2.1- Léptons:

Os léptons são partículas fundamentais que interagem apenas através da força fraca e eletromagnética. Embora a força forte seja muito mais intensa os léptons não sentem essa força. Os léptons não têm estrutura interna e podem ser considerados como partículas puntiformes. Os léptons conhecidos estão na tabela abaixo com as respectivas características, sendo as cargas referentes às partículas, as respectivas anti-partículas tem cargas opostas: Família de léptons:

2.2 - Mésons:

Os mésons são partículas que interagem através da força forte e tem spin inteiro. Em geral os mésons são produzidos em reações pela interação forte; eles decaem, usualmente para outros mésons e léptons, pela interação forte, pela interação eletromagnética ou pela interação fraca. Enquanto neutrinos sempre indicam decaimento pela interação fraca, nem todo decaimento via interação fraca produz neutrinos. O mesmo acontece com fótons em decaimentos eletromagnéticos. Alguns mésons estão relacionados na tabela abaixo, onde as cargas e as estranhezas (strangeness) se referem às partículas. Os valores correspondentes das antipartículas têm o sinal oposto. O spin, a energia de repouso e a meia vida são os mesmos para partículas e antipartículas. Alguns mésons:

2.3 - Bárions:

Os bárions são partículas que interagem através da força forte e tem spins semi-inteiros (1/2,3/2,5/2,...) Os bárions mais conhecidos são: o próton e o nêutron. Existem também as antipartículas desses bárions. Na tabela abaixo estão mostrados alguns bárions e novamente a carga e a estranheza se referem às partículas. Também aqui, as cargas e as estranhezas das antipartículas são as opostas às das partículas. Alguns bárions:

2.4 - Partículas de campo e forças de troca (exchange forces)

Existe ainda uma pequena família de partículas que não podem ser classificadas entre os léptons, mésons ou bárions. São as partículas de campo (field particles), que são as responsáveis por carregar as forças com as quais as partículas interagem. As leis de Newton da gravitação e a de Coulomb da eletrostática eram baseadas originalmente no conceito de ação à distância. No século XIX esse conceito foi substituído pela noção de campo. Duas partículas interagem através do campo estabelecido entre elas. Uma partícula estabelece um campo e a outra interage com esse campo, no lugar de interagir com a primeira partícula em si. A teoria quântica de campo usa essa noção de forma um pouco mais avançada; nessa teoria supõe-se que os campos são carregados por quanta. Assim, no lugar de dizer que uma partícula estabelece um campo, se diz que a primeira partícula emite quanta do campo. A segunda partícula absorve esses quanta. Por exemplo, a interação eletrostática entre duas partículas pode ser visualizada em termos da emissão e da absorção de fótons, que são os quanta do campo eletrostático. As partículas de campo e suas respectivas forças ou interações estão agrupadas na tabela abaixo. {O gráviton nunca foi observado, só foi colocado, embora não haja unanimidade em classificá-lo aqui.} Partículas de campo:

O gráviton nunca foi observado

3 - Leis de conservação

Até agora, as leis de conservação que temos usado constantemente são a da conservação de energia e de quantidade de movimento. Essas leis empíricas são verificadas sistematicamente e não se conhece desrespeito em nenhum caso. Outra lei de conservação verificada sistematicamente é a da conservação de carga elétrica. Vamos introduzir algumas outras leis de conservação introduzidas e verificadas ao longo do tempo em que se estudam partículas elementares. Observando as reações e os processos de decaimento frequentemente se deparam com a ausência não esperada de algumas partículas ou de algum processo semelhante a outro já observado. Em função dessas inúmeras observações sistemáticas os modelos de interação são construídos de acordo com o que já foi e o que não foi observado. Assim surgiram novas leis de conservação, entre elas a do número leptônico, a do número bariônico e da estranheza, estes nomes já apareceram nas tabelas das partículas acima apresentadas. São novos números quânticos atribuídos às partículas os quais devem ser conservados numa interação ou num decaimento para descrever coerentemente o que é ou não é observado experimentalmente.

3.1 - Conservação dos números leptônicos:

Uma das observações feitas mostra que pode-se produzir um neutrino na interação entre um elétron e um próton:

e^- + p → n + υ_e

Isto é, um próton captura um elétron e produz um nêutron mais um neutrino do elétron. Nesse processo, sempre se encontra neutrino e não antineutrino. Além disso, se encontra sempre neutrino do elétron e não do muon ou do tau. Para dar conta dessa observação se propôs uma nova lei de conservação a do número leptônico. Para todos os léptons é atribuído um número leptônico +1 e para o anti-lepton se atribui o número leptônico -1. Todas outras partículas tem número leptônico 0 (zero). A lei da conservação do número leptônico diz: Em qualquer processo, o número leptônico (L_e) para os leptons do tipo elétron, o número leptônico (L_μ) para os léptons do tipo muon e número leptônico (L_τ) para os leptons do tipo tau, cada um permanece constante. Por exemplo no decaimento:

μ^-→ e^- +υ_{e (barrra)} + υ_μ

A conservação do número leptônico do elétron:

L_e 0→ +1 -1 + 0

Portanto no primeiro membro dá zero, e no segundo também. Agora, a do número leptônico do muon:

L_μ +1→0 + 0 +1

Portanto, nos dois membros a soma dos números dá 1. Assim, tanto o número leptônico do elétron L_e como o número leptônico do múon L_μ se conservam nesse decaimento e vemos que: tem que ser um antineutrino do elétron mais um neutrino no múon junto com um elétron como produto do decaimento do múon. Na tabela abaixo resumimos os números quânticos leptônicos dos léptons, todas as demais partículas tem número leptônico igual a zero:

Uma lei de conservação semelhante existe para os bárions. Para cada bárion, como o p e o n, se atribui o número bariônico B = +1 e a cada anti-bárion atribuímos o número B=-1.

3.2- Conservação do número bariônico

A lei da conservação do número bariônico diz: Em qualquer processo, o número total do número bariônico B deve permanecer constante. Nenhuma violação desta lei foi observada. Por exemplo, quando um feixe de prótons incide sobre um alvo de prótons:

$p+p\rightarrow p+p+p+\overline{p}$

B $1+1\rightarrow 1+1+1+(-1)$

Soma $2 \rightarrow 2$

Por exemplo, desde que haja energia suficiente, as reações abaixo podem ocorrer:

p+p → p+n+π⁺ p+p → p+p+π⁺+π^- p+p → p+n+π⁺+π⁰+π⁰

Notem que a carga é conservada nesses processos.

3.3 - Conservação da estranheza (strangeness):

No caso do número leptônico existem três números que devem ser conservados em qualquer interação, devem ser conservados L_e, L_μ e L_τ . Já no caso do número bariônico, só existe um número bariônico B, que deve ser conservado. Embora existam leis de conservação tanto para números de léptons como para números de bárions, não existe para mésons.do número de mésons π, os píons, quando se trata de káons, que são mésons K, semelhantes em muitos aspectos com os mésons π, existe um comportamento diferente. Por exemplo, na reação entre dois prótons pode haver a produção de káons aos pares:

p + p → p + p + K⁺ + K^- p + p → p + n + K+ + $\overline{K^0}$

Ou então quando apenas um káon é formado, aparece outra partícula “estranha”, por exemplo, a partícula Λ⁰:

p + p → p + K⁺ + Λ⁰

A forma coerente de caracterizar essas observações com regras de seleção exigiu a introdução de mais um número quântico: a estranheza S, que como todo número quântico deve ser conservado num processo. Aos dois Káons K⁺ e K⁰ se atribui o valor de estranheza S= +1, e aos outros dois káons K^- e $\overline{K^0}$, o valor S=-1. Todas as outras partículas não estranhas como prótons, nêutrons e elétrons tem estranheza S=0. Assim, nos processos descritos acima, há conservação da estranheza:

p + p → p + p + K⁺ + K^- S 0+0 → 0+0+1-1

E a soma de S nos dois lados é zero. Já no outro caso, p + p → p + p + K⁺ + Λ⁰, ao bárion Λ⁰ é atribuído o valor S=-1, de modo que a soma de S nos dois lados também é zero. Quando se analisa o decaimento de partículas estranhas, a conservação da estranheza quebra, isto é, não há conservação! Por exemplo, um káon decai para dois píons:

K⁺ → π⁺ + π^- S +1 → 0+0

A estranheza não se conserva, e, além disso, o tempo de vida de decaimento é de 10^-8s. Os kaons e os píons são partículas que interagem fortemente e o tempo de vida esperado para esse tipo de decaimento é de 10^-23s, portanto o processo ocorre muito mais lentamente que o esperado. O tempo de decaimento é típico de interação fraca e na interação fraca pode haver mudança na estranheza de uma unidade. Embora não haja produção de neutrinos, pode ser que o processo acima seja de interação fraca. Com interações fortes não se conhece violação de estranheza. Para verificar se a interação eletromagnética conserva a estranheza, observa-se o processo como:

Λ⁰→n + γ S -1→0+0

mas, esse decaimento aparentemente não ocorre, o que é uma evidência que nas interações eletromagnéticas a estranheza é conservada.

Em resumo:

Em processos governados por interações fortes ou por interações eletromagnéticas, a estranheza total deve permanecer constante. Em processos governados pela interação fraca, a estranheza total ou permanece constante ou muda de uma unidade.

4 - O Modelo de Quark.

As leis de conservação de carga (Q) e de estranheza (S) são observadas em decaimentos e reações envolvendo mésons e bárions. Isso sugere que possa haver alguma conexão entre carga elétrica Q e estranheza S de uma partícula. Os pesquisadores perguntavam-se sobre a possibilidade haver todas as combinações possíveis de Q e de S de num grupo de partículas semelhantes (os mésons de spin zero ou os bárions de spin ½ , por exemplo) ou se haveriam apenas alguns certos valores. Se existe um conjunto restrito de combinações, isso sugere que as partículas são construídas de acordo com um conjunto de regras a partir de unidades mais fundamentais cujas cargas e estranhezas tenham certos valores. Foram feitos gráficos em que num dos eixos aparece a carga elétrica e no outro eixo a estranheza das partículas.

Figura 1: A figura mostra os gráficos obtidos para (a) mésons de spin 0, (b) bárions de spin 1/2, e (c) bárions de spin 3/2. A regularidade dessas figuras sugerem que essas partículas são compostas de unidades mais básicas. Em 1964, independentemente, Gellmann e Zweig intuíram que essas figuras regulares poderiam ser indícios de que os bárions e os mésons são compostos de três unidades fundamentais logo denominados de quarks. Eles foram chamados de up, down e strange, abreviados por u, d e s respectivamente.

Na tabela abaixo estão mostradas as características dos quarks sendo que as cargas, os números bariônicos e as estranhezas se referem aos quarks. Os valores correspondentes para os anti-quarks tem os sinais opostos. Os spins são os mesmos para quarks e antiquarks:

De acordo com esse modelo, os mésons são compostos por um quark e um anti-quark e os bárions são compostos de três quarks.

Figura 2: A figura 2 mostra as combinações (a) de um quark e um anti-quark com spin 0, (b)combinações de três quarks com spin 1/2 e ainda (c)combinações de três quarks com spin 3/2. COMPARE COM A Figura 1.

Na tabela abaixo estão mostradas as possibilidades de combinação de um quark com um anti-quark e suas características:

Na tabela abaixo estão as possíveis combinações de três quarks e suas características.

São muitas as semelhanças entre as figuras 1 e 2 . Com apenas três quarks é possível reproduzir a carga , as estranhezas e os números bariônicos de todas essas partículas! E o modelo dos quarks não dá apenas essas figuras geométricas. Essas são as figuras que agem como a tabela periódica dos elementos. As figuras dão uma forma de classificar as partículas, organizar as partículas com propriedades semelhantes, assim como a tabela periódica. Por trás da Tabela Periódica está toda a teoria atômica, que pode ser usada para obter propriedades dos átomos além do arranjo geométrico visual da tabela. Assim também com o modelo dos quarks podem-se obter propriedades das partículas como massas, momentos de dipolo magnético, modos de decaimento, tempo de vida e produtos de reações. A concordância entre as previsões e as observações tem confirmado o sucesso do modelo. A concordância tem sido para todas as partículas observadas e são centenas delas, todas elas com a inclusão de alguns quarks. Não se observou ainda um quark livre, e, deve ser notada a carga fracionária atribuída ao quark, enquanto nunca se observou carga diferente de múltiplos da carga do elétron.

4.1- Força entre quarks:

Qual é a força que une os quarks dentro dos mésons ou dentro do nucleon (dentro de um próton ou de um nêutron). Esta força é a versão mais fundamental da força forte, que aparece através da troca de partículas denominadas glúons. Assim como a força eletrostática entre partículas carregadas pode ser interpretada como devida à troca de fótons, a força forte entre quarks é conseguida através da troca de glúons, um intercâmbio de glúons. É possível medir, por meios indiretos, a fração da quantidade de movimento da estrutura interna de um nucleon que é devida aos quarks. Essa fração é de apenas 50%. O resto deve ser atribuído aos glúons, à troca de glúons. A figura resultante para um nucleon é assim a de três quarks “nadando num mar” de gluons de troca, isto é, glúons usados no intercâmbio (exchanged). A força entre os quarks tem duas propriedades não usuais.

(1) Ela precisa de muita energia (talvez infinita) para separar dois quarks a uma distância maior que o tamanho de um nucleon ou de um méson ( da ordem de 1 fm). Essa pode ser a razão para que nunca tenha sido observado até agora um quark livre. Quando se bombeia energia para um nucleon a fim de separar um dos seus quarks, a energia na realidade cria um par quark anti-quark. O anti-quark se combina com um dos quarks e forma um méson, o que concorda com o que se observa: quando dois nucleons são estrangulados juntos em alta energia, o que obtemos são os nossos nucleons ( ou outros bárions) de volta , mais alguns mésons adicionais. Quanto mais energia é acrescida , mais mésons são produzidos, mas nenhum quark livre emerge do processo.

(2) Paradoxalmente, dentro do nucleon ou do méson, os quarks aparentemente se movem livremente. Em distâncias muito pequenas (menos que o tamanho de um nucleon) a força entre quarks é praticamente nula.

Esse comportamento não usual pode ser entendido comparando com o eletromagnetismo. Duas partículas carregadas interagem entre si pela troca de fótons. Entretanto, o próprio fóton não carrega uma carga elétrica, de modo que uma interação entre duas partículas carregadas através da troca de fóton não resulta em outros fótons adicionais durante essa troca. O quark, por outro lado, pode emitir um glúon e interagir com esse glúon. Essa força entre o quark e o glúon pode criar outros glúons adicionais. Quando um elétron interage com outro elétron, o elétron emite um fóton, mas ainda permanece sendo um elétron. Ele não sacrifica a sua propriedade, a sua “eletrineza” (natureza elétrica), isto é, a sua carga elétrica para emitir um fóton. Com um quark, entretanto é diferente. Um quark dá ao glúon emitido uma parte da sua natureza forte “strongness”, o gluon compartilha parte da sua natureza com o quark, é isso que os físicos chamam de “cor”. Na interação entre os quarks a cor tem uma parte importante no jogo, a cor para os quarks se compara com a carga do caso da interação entre partículas carregadas. Uma diferença fundamental é que o fóton não carrega carga elétrica, mas um glúon carrega cor, e assim há a mudança da cor deixada para trás quando um glúon é emitido. O quark muda de cor ao emitir um glúon. Os físicos de partículas dão nomes engraçados para descrever partículas, suas propriedades e para os processos. Por exemplo, glúon vem de glue, cola em inglês, para representar a propriedade de juntar os quarks. Os nomes têm apenas a finalidade de identificar partículas e propriedades com nomes familiares e fáceis de guardar. Vários nomes são usados diretamente em inglês, para manter as mesmas palavras internacionalmente.

4.2 Outros quarks:

Experiências efetuadas em Laboratórios dos Estados Unidos demonstraram a existência de outros quarks. Os principais laboratórios freqüentemente citados até em noticiários são o Brookhaven National Laboratory que fica em Nova Iorque, o Stanford Linear Accelerator Center que fica na Califórnia e o Fermi National Laboratory (Fermilab) que fica perto de Chicago. No ano passado foi amplamente divulgada a inauguração do LHC Large Hadron Collider localizado na fronteira entre a França e a Suíça, no CERN – Centre Européen de Recherches Nucleaires.

5. A cosmologia do Big Bang – um resumo

A origem e o futuro do universo são estudados no novo ramo da física chamada de COSMOLOGIA, embora até o século XX especulações nessa área foram feitas por filósofos e teólogos. As experiências em física de partículas e as medidas de secções de choque muito precisas em física nuclear podem elucidar pontos ainda obscuros do universo seu passado e futuro. Duas descobertas importantes contribuíram para a elaboração da teoria aceita por quase todos os cientistas. A primeira descoberta se deve a Edwin Hubble, que estudou as nebulosas e as galáxias e estabeleceu uma relação entre as velocidades e as distâncias de grupos e conjuntos de galáxias. A segunda descoberta foi feita por Arno Pensias e Robert Wilson: a radiação de fundo de micro-ondas cósmicas ( cosmic microwave background radiation). A teoria cosmológica que mais está em concordância com essas descobertas experimentais (de Hubble e de Pensias e Wilson) é a cosmologia do Big Bang. Acredita-se que o universo começou de 10 a 20 bilhões de anos atrás num estado com densidade e temperatura muito altas. Não havia nem galáxias nem aglomerados, mas apenas partículas e antipartículas e radiação, que muitos físicos chamam de sopa de glúons e quarks. Fótons de alta energia podem formar (criar) pares de partículas e antipartículas como elétron e pósitron ou ainda próton e antipróton. Essas partículas podem se recombinar aos pares resultando em fótons emitidos. Conforme há a expansão do universo, ele se esfria e vão aparecendo outras formações, mas de alguma forma sobraram mais partículas que antipartículas. Se existisse exatamente o mesmo número de partículas e antipartículas todas se recombinariam e não sobraria matéria alguma, que é feita de partículas... Não se conhece nem mesmo galáxias e estrelas feitas de antimatéria. Na idade de alguns segundos, o universo consistia de prótons, nêutrons e elétrons. O primeiro passo na construção de átomos mais complexos é a formação do dêuteron. Um próton e um nêutron se combinam para formar um dêuteron com a emissão de um fóton (raio gama). É esse o começo da nucleosíntese. Conhecem-se várias reações possíveis de ocorrer energeticamente e lenta e seqüencialmente muitos materiais até pesados se formaram por fusão ou por captura de nêutrons. Assim, ao longo do tempo foram se formando diferentes astros, galáxias e aglomerados estelares os mais diversos, que pela análise espectral podem ter a sua composição química determinada, possibilitando comparações com outras estrelas e com o nosso planeta Terra.

A COSMOLOGIA que até pouco tempo atrás era relegada à área não científica tornou-se um ramo importante da física de partículas.