Física de partículas

A física de partículas e campos é a área da física mais estudada atualmente, pois além de desafiar a intuição e explicar o funcionamento de tudo é uma das poucas áreas em que a física teórica e experimental se desenvolvem juntas nos chamados colisores de partículas.

Por | @oficinadanet Ciência

A física de partículas e campos é a área da física mais estudada atualmente, pois além de desafiar a intuição e explicar o funcionamento de tudo é uma das poucas áreas em que a física teórica e experimental se desenvolvem juntas nos chamados colisores de partículas. Essa área tem sido amplamente estudada desde 1900, quando Max Planck criou o conceito de quantum, dando assim início à física quântica e mais tarde à física de partículas, que é uma de suas ramificações.

O modelo Padrão

O modelo padrão da física de partículas é a teoria mais correta para descrever a natureza da matéria e suas interações. Essa teoria, primordialmente, identifica as partículas elementares da matéria, além de especificar com precisão como interagem.

De acordo com esse modelo, as partículas elementares, ou seja, as que não possuem estrutura interna, são chamadas de léptons e quarks. Tais partículas são os "blocos de construção" de outras, como o próton, por exemplo. Partículas formadas por quarks são chamadas de Hádrons, dentre os mais famosos podem-se citar os prótons e nêutrons. Existem ainda outras partículas chamadas bárions, também constituídas por quarks, mas que, ao contrário dos prótons e nêutrons, podem ser formadas por três antiquarks. Há ainda os mésons, que são formados por um quark e um antiquark.

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O modelo descreve os léptons - elétron, múon, tau, neutrino do elétron, neutrino do múon e neutrino do tau - e seis quarks - quark up (u) , quark down (d), quark charm (c), quark strange (s), quark bottom (b) e quark top (t). Até agora, vimos que a matéria é formada por 12 tipos de partículas. Todavia, os quarks possuem uma propriedade chamada cor. Como existem três cores (vermelho, verde e azul) e cada quark pode adquirir as três cores, concluímos, portanto que existem 18 quarks. Porém, cada partícula possui uma antipartícula, fazendo com que existam no total 12 léptons e 36 quarks.

A grande maioria dos hádrons é formada por menos três quarks, como por exemplo o próton, cuja estrutura interna é uud, ou seja, possui dois quarks u e um quark d. Tão comuns quanto os prótons são os mésons πˉ, formados por um antiquark u e um quark d. Apesar de pouco citados, a teoria dos quarks, a Cromodinâmica Quântica, não restringe o número de quarks combinados. Todavia, apenas pesquisas recentes de físicos experimentais têm apresentado evidências de hádrons com cinto quarks, ou pentaquarks. Como tais experiências são relativamente recentes, necessitam de mais tempo para se consolidarem.

Assim como descreve as partículas, o modelo padrão também descreve os quatro tipos de interações fundamentais: gravitacional, eletromagnética, forte e fraca. Essas interações ocorrem graças às propriedades específicas da matéria, como: massa (gravitacional), carga elétrica (eletromagnética), cor (interação forte) e carga fraca (interação fraca). Salientamos que tais interações ocorrem graças às partículas de força ou partículas mediadoras, ou ainda, partículas virtuais.

As interações fundamentais ocorrem como se as partículas "trocassem" outras partículas entre si. Essas partículas são: fótons (interação eletromagnética), glúons (interação forte), partículas W e Z (interação fraca) e os téoricos grávitons (interação gravitacional). Todas as partículas descritas pelo modelo padrão já foram observadas, com exceção do gráviton.

As partículas, então, trocam as chamadas partículas virtuais, fazendo com que a interação ocorra devido à ação desses mensageiros. As partículas virtuais são as mediadoras das interações e possuem esse nome por não terem massa, com exceção das partículas W e Z que possuem massa, mas são consideradas virtuais. Apesar de não possuírem massa, possuem energia e, por isso, são consideradas pulsos de energia.

Existem ainda os campos, que são criados pelas interações dos quanta correspondentes, por exemplo, o fóton é o mediador da força eletromagnética e por isso cria um campo eletromagnético (caso o corpo esteja em movimento, caso contrário existirá apenas um campo magnético). Assim, a simetria é mantida. Temos quatro bósons, interações e quatro campos fundamentais (existem outros, como o chamado campo de Higgs, que será analisado posteriormente).
O único problema decorrente dessa teoria, é que o gráviton, partícula responsável por mediar a força gravitacional, nunca foi observado. Além disso, a gravidade não se encaixa bem nessa teoria, criando uma série de problemas teóricos que, por enquanto, são insolúveis.

Antimatéria

A antimatéria foi prevista pelo físico britânico Paul Dirac que, em 1928, apresentou a equação hoje conhecida como Equação de Dirac, que descreve o funcionamento das partículas chamadas férmions. As partículas podem ser divididas em dois grupos: as que carregam forças (bósons) e as que não carregam (férmions) e tal equação levou à previsão das chamadas antipartículas. A teoria das antipartículas foi confirmada em 1993, quando Cal Anderson detectou em raios cósmicos a antipartícula do elétron, o pósitron.

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As antipartículas de cada partícula possuem mesma massa e spin, porém com carga elétrica e número bariônico opostos. Todas as partículas possuem uma antipartícula, assim um próton possui um antipróton, um nêutron possui um antinêutron e assim por diante. Entretanto, existem partículas neutras, como os fótons, cuja antipartícula é igual.

A antimatéria e a matéria são rivais. Se uma partícula de matéria e uma de antimatéria se tocarem, ambas se transformarão instantaneamente em energia pura. Por esse motivo os cientistas que vêm criando antiátomos de hidrogênio e deutério usam uma técnica chamada Penning trap que consiste basicamente em criar campos magnéticos e elétricos para aprisionar completamente o antiátomo em uma câmara de vácuo, evitando assim o contato com partículas de matéria.

Campo e Bóson de Higgs

Sabemos que o espaço é preenchido pelas partículas virtuais e pelos quatro campos fundamentais. Porém, além destes campos, existe um quinto campo fundamental, chamado campo de Higgs e, por simetria, uma partícula que o mediaria, chamada de bóson de Higgs.

O escocês Peter Higgs ficou famoso em 1960 pela criação dos conhecidos mecanismos de Higgs. A teoria propunha uma quebra na simetria da teoria eletrofraca (unificação da força nuclear fraca com eletromagnética), dando assim massa aos bósons W e Z. Há uma contradição na teoria eletrofraca formulada em 1962 por Sheldon Glashow, um paradoxo que envolve a massa das partículas W e Z devido à debilidade da interação fraca. De acordo com esse paradoxo, a massa deveria ser estranhamente elevada enquanto a simetria da teoria dizia que a massa deveria ser nula. Com os mecanismos de Higgs, isso foi resolvido e chega-se à conclusão de que as massas de W e Z são aparentes e dadas pelos campo de Higgs, que afirma que partículas W e Z se chocam incessantemente com as partículas de Higgs, ganhando, dessa forma, sua massa. Assim, a teoria prevê a existência de uma partícula mediadora e um campo fundamental que cobre todo o universo, dando massa às partículas.
Apesar de extremamente aceita, a teoria de Higgs ainda não foi comprovada, assim como a existência da partícula de Higgs. Isso acontece porque os detectores de partículas até hoje construídos não possuem energia suficiente para detectar tais interações. Espera-se que o LHC (Large Hadron Collider ou Grande Colisor de Hádrons) seja capaz de detectar tal partícula, comprovando ou não a teoria.

 

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