Física de partículas: uma cartilha para a Teoria do (quase) Tudo

Você é um estúpido quando se trata de bósons? Os quarks te deixam intrigado? Os glúons te fazem sentir um fracassado? Cathal O'Connell tem um guia sobre o zoológico de partículas, conhecido como o Modelo Padrão da física de partículas.

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Gráfico de um corte transversal através de um detector que mostra um dos inúmeros eventos de colisão de partículas registrados durante a busca do bóson de Higgs. Créditos: ATLAS COLLABORATION/CERN.

Por Cathal O’Connell
Publicado no Cosmos Magazine

Por volta da virada do século 4 a.c., o filósofo grego Demócrito sentiu o cheiro do bicarbonato e pensou que pequenos pedaços de pão deveriam estar flutuando pelo ar e em seu nariz. Ele chamou os pedacinhos de “átomos” (que significa “indivisível”) e os imaginou como pequenas bolas esféricas.

Mas átomos não são pequenas esferas sólidas. Eles são feitos de pedaços ainda menores, chamados de partículas.

A melhor descrição dos cientistas para essas partículas e para as forças que governam o seu comportamento é chamada de Modelo Padrão da física de partículas, ou simplesmente “O Modelo Padrão”.

O Modelo Padrão categoriza todas as partículas da natureza, da mesma forma que a tabela periódica categoriza os elementos. A teoria é chamada de Modelo Padrão porque é tão bem-sucedida que se tornou “padrão”.

E não, não há nenhum Modelo Econômico, nem um Modelo de Luxo.

Ainda há, no entanto, alguns problemas a serem resolvidos (bem como um par de lacunas gritantes). É por isso que às vezes é chamada de “Teoria do Quase Tudo”.

Como tudo isso começou?

De volta ao início do século 20, os cientistas pensavam que havia apenas três partículas fundamentais na natureza: os prótons e os nêutrons, que compõem o núcleo de um átomo, e os elétrons, que “orbita” esse núcleo.

Mas na década de 1950 e 1960, os físicos começaram a colidir essas partículas e algumas delas se partiram. Descobriu-se que os prótons e os nêutrons eram compostos de partículas ainda menores.

Dezenas de novas partículas foram descobertas – e por um tempo, ninguém conseguia explicá-las. Os físicos chamaram isso de “zoológico de partículas”.

Na década de 1970, físicos, como Murray Gell-Mann, descobriram uma ordem entre o caos. O passo que deram foi semelhante ao que levou o químico russo Dmitri Mendeleev a encontrar uma ordem para os elementos químicos na sua tabela periódica.

A nova ordem das partículas explicou muitas das propriedades das partículas recém descobertas, assim como previu corretamente algumas novas.


Estas 17 partículas fundamentais compõem o Modelo Padrão da física de partículas. Créditos: MissMJ / Wikimedia Commons.

Conheça a família

As partículas do Modelo Padrão formam uma grande família. O primeiro contato com elas pode ser assustador, como ir a um encontro com um monte de primos distantes que você nunca ouviu falar. Não importa o quão estranho estes primos sejam, é importante lembrar que eles são todos da família.

O básico

Gell-Mann e outros dividiram as partículas em duas categorias principais: férmions e bósons.

Os férmions, como o elétron, compõem as coisas que chamamos de matéria. Os bósons, como o fóton, transmitem forças.

Os férmions são subdivididos novamente em dois tipos de partículas, dependendo das forças que sentem. Eles são os quarks e os léptons (veja a seguir).

Forças da natureza

As partículas se comunicam através de quatro forças: eletromagnetismo, força forte, força fraca e gravidade.

O Modelo Padrão descreve as três primeiras (a gravidade não é uma característica no modelo padrão, como explicado a seguir).

Partículas diferentes se comunicam através de forças diferentes, semelhante à maneira como as pessoas podem se comunicar em diferentes idiomas. Por exemplo, somente os quarks falam com “glúons”. Enquanto os elétrons podem falar com os “fótons”, bem como com o “bóson W” e com o “bóson Z”.

O eletromagnetismo é a força que mantém os elétrons em um átomo. Ele se comunica através dos fótons.

A força forte mantém os núcleos dos átomos unidos. Sem ele, cada átomo no universo espontaneamente explodiria. Ele se comunica através dos glúons.

A força fraca provoca o decaimento radioativo. É transmitida pelos bósons W e Z.

As partículas fundamentais

Toda a matéria é feita de dois tipos de partículas conhecidas como quarks e léptons.

Quarks: (as partículas roxas na figura) vêm em seis “sabores”, todos com nomes estranhos. É comum vê-los em pares para formar três gerações. Eles são “up” e “down” (primeira geração), “charmed” e “strange” (segunda geração) e “top” e “bottom” (terceira geração).

Apenas os quarks up e down são importantes na vida do dia-a-dia, porque eles compõe os prótons e os nêutrons.

Os outros compões apenas matéria “exótica”, que é muito instável para formar átomos. Os físicos conseguem criar matéria exótica em aceleradores de partículas, mas, geralmente, duram apenas uma fração de segundo antes de decair.

Léptons: existe seis léptons, o mais conhecido é o elétron, uma pequena partícula fundamental com carga negativa.

As partículas múon (segunda geração) e tau (terceira geração) são como versões gordas do elétron. Elas também têm carga elétrica negativa, mas são muito instáveis para compor a matéria comum.

E cada uma dessas partículas tem um neutrino correspondente, sem carga.

Os neutrinos merecem uma menção especial, porque eles são, talvez, as partículas menos compreendidas do Modelo Padrão.

Eles são rápidos, mas interagem apenas através da força fraca, o que significa que eles facilmente podem atravessar o planeta em linha reta. Eles são criados em reações nucleares, como as que alimentam o núcleo do Sol.

Hádrons: as partículas compostas

Agora que conhecemos as partículas fundamentais da natureza, podemos começar a agrupa-las de maneiras diferentes para fazer partículas maiores.

As partículas compostas mais importantes são os bárions, feitos de três quarks. Prótons e nêutrons são tipos de bárions.

O maior colisor de partículas da Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (CERN) colide prótons. O colisor é chamado de Grande Colisor de Hádrons, ou LHC, porque os prótons são um tipo de hádron.

Antimatéria: o dobro ou nada?

Até onde sabemos, todos os quarks e léptons têm partículas gêmeas de antimatéria. A antimatéria é como a matéria, a não ser por ter a carga oposta. Por exemplo, o elétron tem uma contrapartida que tem exatamente a mesma massa, porém com carga positiva em vez de negativa. Quando uma partícula de matéria encontra sua gêmea antimatéria, ambas se aniquilam em uma explosão de energia pura.

A antimatéria é extremamente rara no Universo, embora tenha alguns papéis importantes na tecnologia. A tomografia por emissão de pósitrons, por exemplo, usa a aniquilação de pósitrons para ver dentro do corpo.

Um dos grandes mistérios da física é saber por que o Universo é feito quase inteiramente de matéria. Muitos físicos de partículas estão se esforçando para descobrir.

Átomos: compostos de compostos

O pão que Demócrito cheirou é feito apenas das partículas fundamentais da primeira geração.

Os quarks up e down se unem através da força forte para formar prótons e nêutrons, e a força forte os mantém juntos para formar o núcleo de um átomo.

Os elétrons orbitam o núcleo em arranjos determinados pela mecânica quântica.

O Higgs: a partícula de deus

Você deve ter notado uma partícula solitária no lado direito da tabela – o bóson de Higgs. O Higgs é um tipo especial de partícula que dá massa para as outras partículas fundamentais.

A ideia é que existe um campo em toda a parte do espaço. E quando as partículas se movem através do espaço, elas tendem a se chocar neste campo, e essa interação as retardam (assim como é mais difícil mover-se através da água do que através do ar). Essa interação é o que dá massa às partículas fundamentais.

Algumas partículas, tais como os fótons e os glúons, não interagem com o campo de Higgs, por isso não possuem massa.

Assim como fótons se comunicam através da força eletromagnética, o bóson de Higgs se comunica através do campo de Higgs.

O bóson de Higgs foi uma partícula teórica até 2013, quando o CERN anunciou que o haviam descoberto, embora os cientistas ainda estejam descobrindo suas propriedades.

O que está faltando?

Gravidade

O maior buraco no Modelo Padrão é a falta da gravidade. A quarta força da natureza simplesmente não se encaixa no quadro atual.

A gravidade também é incrivelmente fraca em comparação com as outras forças (a força forte é 1038 vezes mais forte do que a gravidade, por exemplo).

Alguns físicos pensam que a gravidade também pode ser transmitida por um tipo de partícula, chamada de gráviton, mas até agora não há evidências da existência dessa partícula.

Massa do neutrino

O neutrino é tão pequeno em comparação com todas as outras partículas que realmente implora uma explicação. É possível que o neutrino não receba sua massa do Higgs da mesma forma que as outras partículas.

A matéria escura: observando o universo, parece que uma grande parte dele é feita de matéria escura – um novo tipo de material que não interage com a matéria normal e por isso está faltando no Modelo Padrão.

Supersimetria

Alguns físicos estão à procura de extensões para o Modelo Padrão para explicar esses mistérios. A supersimetria é uma extensão em que cada partícula tem uma partícula gêmea com maior massa.

Algumas dessas partículas interagem muito fracamente com a matéria comum, sendo bons candidatos para matéria escura.

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