Avalie Sua Experiência
Área do Professor
O Modelo Padrão da Física de Partículas
Referências
[01] Griffiths, D., Introduction to Elementary Particle,2nd Edition, Wiley-VCH, 2008.(pg. XIII)
As partículas elementares podem ser divididas em dois grandes grupos, de acordo com o fato de seguirem ou não o princípio de exclusão de Pauli. Os férmions, que seguem os princípio de exclusão e os bósons que não seguem.
Férmions
Os férmions são divididos em duas famílias, os quarks que tem carga cor e por isso interagem a partir da força nuclear forte e os léptons que não tem carga cor, e por isso não interagem a partir da força nuclear forte.
Léptons
De acordo com o modelo padrão os léptons, são de seis sabores diferentes, além disso, podem ter carga elétrica (como o elétron) ou ser neutros (neutrinos). A figura 01 mostra a organização dos seis léptons em três gerações. Cada lépton possui sua antipartícula, totalizando 12 léptons, no modelo padrão.
Figura 01 - Organização dos léptons em gerações.
Quarks
Os quarks também são de seis sabores diferentes e organizados em três gerações, como mostrado na Figura 02. Cada um dos sabores de quarks pode ter uma das três variedades de cor, vermelho, verde ou azul (aqui cor não tem o mesmo significado que no mundo macroscópico é apenas um rótulo, cor foi escolhido não por acaso, mas por levar a uma analogia interessante que será explorada a seguir), então temos 18 quarks e 18 antiquarks, totalizando mais 36 partículas elementares.
Figura 02 - Organização dos quarks em gerações.
Cromodinâmica
O fato de os quarks não poderem ser observados individualmente é devido à propriedade do confinamento, de acordo com esta propriedade as partículas só podem existir com carga de cor neutra. Assim, os hádrons (formados por três quarks) devem ter um de cada cor, já os mésons devem ser formados por um quark de colorido e um antiquark com sua anti-cor, neutralizando a carga cor total do hádron (figura 03).
Figura 03: Esquema de adição das cores dos quarks.
Fonte: imagem original.
Como agora já foram detectados mésons muito mais pesados do que aqueles existentes na época da teoria de Yukawa, a interação entre os quarks deve ser explicada por outro tipo de mecanismo, que não a troca de partículas mensageiras como o píon. A interação entre os quarks se dá por meio dos glúons, que são bósons e também apresentam a propriedade do confinamento por terem carga cor. Então os glúons também só podem existir em combinações sem carga cor resultante (brancas), dentro dos hádrons, ou em glueballs (bolas de glúons).
Os bósons são as partículas mediadoras das interações fundamentais.
Bósons
Interação Eletromagnética
O fóton, mediador da força eletromagnética é uma partícula sem massa e que, por isso, se move na velocidade da luz. A interação eletromagnética afeta todas as partículas que tem carga elétrica e devido às características do fóton tem alcance infinito.
Interação Nuclear Fraca
A força nuclear fraca é mediada por três tipos de bósons (W+ e W-) que interagem com partículas carregadas e Z0 que interage com partículas neutras. Como a força nuclear fraca tem um alcance muito curto (inicialmente foi proposta por Glashow como uma interação por contato) leva à conclusão de que suas partículas mediadoras tenham massa, indicando uma velocidade menor que a da luz e seu curto alcance. A interação fraca afeta a todas as partículas e antipartículas previstas pelo modelo padrão.
Interação Nuclear Forte
Os glúons, mediadores da força nuclear forte, podem ser encontrados em oito tipos diferentes. Também são partículas sem massa, como o fóton, mas a força nuclear forte não tem um longo alcance como a força eletromagnética, devido à propriedade do confinamento. A diferença principal consiste no fato de que apesar de os fótons serem mediadores da força eletromagnética, não tem carga elétrica, já os glúons são mediadores da força nuclear forte, mas possuem carga cor, então o alcance desse tipo de interação fica restrito. A interação forte afeta todas as partículas que tem carga cor.
Interação Gravitacional
A força gravitacional não possui teoria compatível com o modelo padrão, principalmente pelo fato de ter uma intensidade muito pequena no mundo microscópico. Esta interação também pode ser descrita a partir de uma partícula mediadora, o gráviton. Mas até o momento não existem teorias nem evidências experimentais, que comprovem sua existência. Apenas é previsto que, devido ao longo alcance da força gravitacional o gráviton deve ser uma partícula sem massa. A interação gravitacional deve afetar a todas as partículas.
Mecanismo de Higgs
Por simetria, os bósons mediadores das quatro interações fundamentais não deveriam ter massa. Pelo fato de os mediadores da interação fraca serem massivos um mecanismo para a quebra de simetria, chamado de mecanismo de Higgs foi desenvolvido.
Este mecanismo prevê que todo o espaço do Universo é permeado por um campo, o Campo de Higgs. A interação de uma partícula com este campo é que lhe confere massa, então uma partícula mais massiva, tem sua grande massa devida a uma interação muito intensa com o Campo de Higgs. Uma partícula como o fóton, não tem massa, por que não interagem com o campo de Higgs.
Então, uma interação dos bósons mediadores da força fraca com o campo de Higgs, lhes confere massa. De forma mais abrangente, este mecanismo pode explicar a quantidade de massa de todas as partículas do modelo padrão.
A evidência experimental do campo de Higgs viria com a descoberta do “quanta” associado a ele (em 2012), o bóson de Higgs. Este era um dos objetivos do LHC (Grande Colisor de Hádrons – em inglês) construído na fronteira entre a França e a Suíça.
A figura 04 indica um resumo dos bósons, a que interação estão relacionados e o tipo de partícula que afetam, dessa forma pode-se contar mais 13 partículas elementares, sem contar o gráviton.
Figura 04: Os bósons do modelo padrão.
Assim, o modelo padrão é formado por 12 léptons, 36 quarks, 12 bósons mediadores e o bóson de Higgs, em um total de 61 partículas elementares (figura 05). Pode parecer um número muito grande de partículas elementares, mas apenas aquelas da primeira geração de léptons e quarks formam a matéria comum e estável e as duas outras gerações são muito parecidas com a primeira. Os oito glúons são idênticos, exceto pela carga cor e, além disso, todas as partículas elementares estão bem organizadas em um modelo consistente, que já teve muitas previsões confirmadas experimentalmente.
Modelo Padrão
Figura 05: Partículas do modelo padrão.
Baseado em um modelo criado por Walter Murch para o documentário Particle Fever.
Fonte: symmetrymagazine.org
O vídeo a seguir apresenta um breve resumo das partículas contituintes da matéria e das forças de interação entre elas.
Limitações do Modelo
Apesar de o modelo padrão bem consistente, tanto teórica, quanto experimentalmente, existem algumas de suas características e até algumas evidências experimentais que não podem ser explicadas pelo modelo, então da forma como se encontra hoje não é uma teoria definitiva.
O modelo padrão foi desenvolvido empiricamente, então muitos de seus parâmetros foram obtidos experimentalmente, como por exemplo, o valor da massa [01] das partículas elementares (figura 06).
Figura 06: Massa dos léptons e quarks (em MeV/c²).
Outro fenômeno não explicado pelo modelo padrão é oscilação dos neutrinos, fato de um neutrino de um sabor, depois de viajar uma longa distância ter a probabilidade em se transformar em um neutrino de outro sabor. Também não prevê uma abundância de matéria em detrimento da antimatéria, no Universo.
Além disso, muito de sua parte teórica foi desenvolvida a partir de uma busca por simetria, o que normalmente indica uma teoria incompleta. Também existe o fato de o modelo padrão ser incompatível com a teoria da relatividade geral, única teoria atual que descreve satisfatoriamente fenômenos gravitacionais.
Além do Modelo Padrão
Muitas outras teorias, ainda sem evidências experimentais, buscar descrever fenômenos além do modelo padrão. A (GUT – Grande Teoria Unificada) unifica a interação forte com a eletrofraca, outra teoria bem difundida é a supersimetria (SUSY), que prevê para cada partícula elementar um parceiro supersimétrico, para cada bóson haveria um férmion supersimétrico e, para cada férmion um bóson supersimétrico (figura 07).
Figura 07: Partículas elementares da SUSY.
Fonte: newscientist.com
Na página a seguir encontra-se uma relação entre o modelo padrão da física de partículas e o átomo que geralmente é apresentado nas aulas de química de ensino fundamental e médio.
O filme descreve as características das partículas elementares de forma simples, com a presença de Marcelo Tas no elenco.
Com o jogo é possível aprender os conceitos básicos sobre a composição da matéria através da tarefa de construir partículas subatômicas a partir de seus constituintes mais fundamentais pilotando uma nave miniaturizada.
O artigo trás uma descrição de alguns aspectos mais técnicos relacionados à física de partículas.