/

Entendendo o Modelo Padrão e as partículas fundamentais

Ao investigar o microscópico fundamento do Universo, nos deparamos com a fantástica teoria de quase tudo.

Início
24 minutos de leitura

Esse é certamente um dos artigos mais difíceis já publicados no Espaço-Tempo. Poderão surgir diversas revisões e melhorias.


Cientistas gostam de manter as coisas simples e descrever a natureza do universo em conceitos fundamentais. Os povos antigos acreditavam que tudo no universo era composto por cinco elementos combinados: fogo, terra, água, ar e éter. Hoje, todos sabemos que isso está incorreto. Os elementos são formados por moléculas, e moléculas são formadas por diversas combinações de diversos átomos diferentes. Na década de 1860, o químico russo Dmitri Mendeleev categorizou e organizou todos os átomos conhecidos no que chamamos de Tabela Periódica dos Elementos.

Na década de 1930 os cientistas já sabiam que na realidade todos os 118 elementos eram compostos por três partículas: prótons, nêutrons e elétrons. Essas eram as novas partículas fundamentais na época. Os prótons e nêutrons formam os núcleos atômicos e os elétrons orbitam o núcleo em camadas. Nessa época, ao tentar entender a natureza dessas partículas, físicos como Bohr, Planck, Schrödinger e Heisenberg davam início a um novo ramo da física: a mecânica quântica.

Explicar o universo com três partículas é muito melhor do que descrevê-lo com 118 elementos. Mas as dúvidas não paravam de aparecer: se prótons são todos positivos, e cargas positivas se repelem, como que os prótons permanecem unidos no núcleo do átomo? Se o elétron orbita o núcleo atômico, o que evita um elétron ser atraído para dentro dele?

Bem mais do que três partículas

No começo do século XX, Einstein descreveu a luz como partícula no estudo sobre o efeito fotoelétrico que lhe rendeu o prêmio Nobel e, posteriormente, deu-se a ela o nome de fóton: uma partícula transmissora da força eletromagnética. Pouco tempo depois, Carl Anderson descobriu elétrons com carga positiva, os pósitrons, tornando real a previsão de Paul Dirac sobre a antimatéria. Até a década de 1960 havíamos dezenas de partículas descobertas sem nenhuma organização ou princípio prático que os guiassem.

Eis que surge o Modelo Padrão das partículas elementares. Ele não foi criado de uma só vez como Mendeleev fez com os elementos químicos da tabela periódica. Ao invés disso, o Modelo Padrão envolveu a contribuição de vários cientistas no começo da década de 70 em organizar mais de meio século de descobertas nas áreas da mecânica quântica e relatividade em uma teoria simplificada.

Sem pânico! Já vamos entender o que é cada um desses quadrinhos.

O Modelo Padrão

Para compreender o Modelo Padrão devemos levar em conta em como estas agem sob efeito das quatro forças fundamentais da natureza:

  • A força gravitacional age sobre todas as partículas e tem alcance infinito, mas seu efeito é tão pequeno que não é preciso levá-lo em conta no estudo das partículas subatômicas (ao menos não até encontrarmos uma solução para a gravitação quântica);
  • A força eletromagnética também tem alcance infinito e é a que atua sobre todas as partículas que possuem carga elétrica;
  • A força nuclear fraca é limitada a escala atômica e está envolvida no decaimento radioativo e processos semelhantes, e se integra com o eletromagnetismo na chamada força eletrofraca;
  • A força nuclear forte tem curto alcance, porém é a mais intensa de todas as forças. Essa força mantém unidos os prótons e nêutrons para formar os núcleos dos átomos;

O Modelo Padrão descreve as interações de forças e partículas fundamentais que constituem toda a matéria. Existem dois tipos básicos de partículas: os férmions e os bósons. De forma simplificada, os férmions são partículas que constituem a matéria e os bósons são partículas transmissoras de força.

Não incluí na definição de férmions e bósons os conceitos de spin e o princípio da exclusão de Pauli. Fica uma oportunidade para uma uma nova conversa futuramente.

Da molécula ao quark: um belíssimo diagrama que ajuda a compreender a natureza da matéria. Lembrando que as cordas (strings) ainda são hipotéticas.

Férmions

Os férmions podem ser quarks ou léptons. Os quarks se unem formando os prótons e nêutrons dos núcleos atômicos e se interagem através da força nuclear forte. Os léptons são partículas que interagem somente com as forças eletromagnética e nuclear fraca.

Todos os férmions possuem uma antipartícula correspondente: os léptons possuem os anti-léptons e os quarks ($q$) possuem os anti-quarks ($\bar{q}$).

Assim como na Tabela Periódica os elementos químicos são distribuídos em colunas (chamadas de “famílias”), no Modelo Padrão acontece a mesma divisão. As partículas fundamentais são divididas em colunas, chamadas de “gerações”, indicadas pelos números romanos I, II e III. A única diferença entre as gerações é a sua massa, sendo as partículas de geração I as mais leves enquanto as de geração III são as mais pesadas.

Todas as partículas que compõe a matéria são de geração I. As partículas de geração II e III decaem rapidamente e só são obtidas por laboratório em aceleradores de partículas ou existem em ambientes altamente energéticos como raios cósmicos.

Quarks

Os quarks são partículas elementares que se combinam para formar partículas compostas chamadas de hádrons. Os quarks possuem como característica única as cargas de cor: vermelho, verde ou azul. As cores em nada tem a ver com a luz que enxergamos com nossos olhos, são apenas nomes dados para identificar suas cargas. Assim como cargas elétricas são positivas ou negativas, os quarks tem cargas de cor. Quarks nunca aparecem isoladamente, eles sempre surgem unidos com outros quarks em combinações de cores que resultem em uma cor neutra, o branco. À esse estudo dá-se o nome de cromodinâmica quântica (QCD) e rendeu o Prêmio Nobel de Física de 2004. Existem duas maneiras de se resultar em uma cor neutra:

  • Três quarks se combinando em vermelho + verde + azul resultam na cor branca;
  • Partículas formadas por um par quark + anti-quark também resultam na cor branca.
Um nêutron, formado por dois quarks down e um quark up. Essa combinação resulta em carga zero.

Os hádrons compostos por quarks em trios (vermelho + verde + azul) são chamados de bárions, como os prótons e nêutrons. Quarks que se combinam em quark + anti-quark são chamados de mésons.

A força da cor não mantém unidos apenas os quarks, mas também mantém unidos os prótons e nêutrons que formam os núcleos atômicos. É a chamada força nuclear forte, uma das forças fundamentais que mencionamos e que são mediadas pelos glúons, que falaremos mais adiante.

Os quarks também possuem uma outra característica chamada de “sabor”, que também em nada tem a ver com o sabor de alimentos (são apenas nomes aleatórios que a ciência encontra para diferenciá-los). Existem seis sabores de quarks agrupados em três gerações: up e down; charm e strange; top e bottom. Os quarks up, charm e top tem carga elétrica +2/3, enquanto os quarks down, strange e bottom tem carga elétrica -1/3.

Os prótons são formados por dois quarks up e um quark down, somando número quântico de carga um ($\frac{2}{3}+\frac{2}{3}-\frac{1}{3} = 1$). Os nêutrons são formados por dois quarks down e um quark up, somando número quântico de carga zero ($\frac{2}{3}-\frac{1}{3}-\frac{1}{3} = 0$). Por isso os prótons são positivos e os nêutrons são neutros.

Léptons

Enquanto os hádrons estão sujeitos à interação da força nuclear forte e são feitos de quarks, as partículas que não estão sujeitas à esta interação são chamadas de léptons. Ao contrário dos hádrons, os léptons não possuem estrutura interna e nem dimensões mensuráveis, comportam-se como partículas pontuais.

Os léptons se dividem em três gerações: os elétrons ($e$), os múons ($\mu$) e os táuons ($\tau$). Cada geração possui um neutrino ($\nu$) correspondente, ou seja, um elétron possui seu neutrino do elétron, um táuon possui seu neutrino do táuon, e assim por diante. As gerações são ordenadas por massa, os elétrons sendo as partículas mais leves, seguidas pelos múons e com os táuons as partículas mais massivas. Cada uma dessas seis partículas possui sua antipartícula correspondente.

GeraçãoPartículaSímboloAntipartícula
ElétronElétron$e^-$$e^+$
ElétronNeutrino do elétron$\nu_e$$\bar{\nu}_e$
MúonMúon$\mu^-$$\mu^+$
MúonNeutrino do múon$\nu_{\mu}$$\bar{\nu}_{\mu}$
TáuonTáuon$\tau^-$$\tau^+$
TáuonNeutrino do táuon$\nu_{\tau}$$\bar{\nu}_{\tau}$

Os neutrinos são produzidos majoritariamente em decaimentos radioativos e processos como a fusão nuclear no centro das estrelas, e são similares aos elétrons, mas com duas diferenças básicas: eles são extremamente leves e não possuem carga. Um neutrino do elétron só participa das interações em que o elétron também participa, por isso recebem este nome. O mesmo acontece com os neutrinos do múon e do táuon. Como os neutrinos são eletricamente neutros, eles não são afetados pela força eletromagnética que afeta os elétrons; e como são as partículas mais leves conhecidas, tem pouca interação com a matéria, atravessando-a facilmente. Esse conjunto de fatores torna o neutrino muito difícil de detectar.

Bósons

Os bósons são partículas associadas à transmissão das forças fundamentais, tais como os fótons e os glúons. Os bósons mediadores de forças são chamados também de bósons de calibre.

Os glúons ($g$) são partículas mediadoras da força nuclear forte que ocorre entre dois quarks. São devidas à elas que os núcleos atômicos são estáveis, mesmo estes sendo composto por partículas positivas (prótons) que se repelem. Ao contrário do que se imagina com partículas eletricamente carregadas, os glúons tem a propriedade de se tornarem mais fortes com a distância, tais como elásticos.

Os fótons ($\gamma$) são partículas transmissoras do eletromagnetismo, uma força fundamental, e do campo eletromagnético, como a luz visível e ondas de rádio. Como também são ondas, os fótons possuem frequências que determinam sua energia e sua posição no espectro eletromagnético (rádio, infravermelho, ultravioleta, etc.). Fótons não possuem carga elétrica e não possuem massa, por isso se movimentam na velocidade da luz. Além das ondas eletromagnéticas como a luz, partículas eletricamente carregadas se interagem por meio da troca de fótons. Esses fótons não podem ser detectados pois são emitidos por uma partícula e, imediatamente, absorvidos por outra e são chamados de fótons virtuais.

Os bósons W e Z são partículas pesadas mediadores da força nuclear fraca as quais estão sujeitas todas as partículas e ocorre entre dois léptons ou entre um lépton e um quark. Os bósons $W^{\pm}$ são partículas carregadas, os bósons $Z^0$ são neutros.

Bóson de Higgs

Um bóson de Higgs se transformando em dois fótons (as duas grandes linhas verdes).

A descoberta dos fótons e dos bósons W e Z levantou algumas questões: porque a massa do fóton é zero, enquanto as partículas W e Z são extremamente massivas? De onde realmente vem a massa das partículas? Na década de 60, Peter Higgs sugeriu que a massa se deve a um campo, chamado posteriormente de campo de Higgs, que existe em todo o espaço. Um campo cujo qual é mediado pelo bóson de Higgs.

Uma analogia super didática ao campo de Higgs seria como um festival de cinema com celebridades. Se você é uma super-celebridade haverá mais pessoas à sua volta, será mais difícil atravessar a multidão, você se sentirá mais “pesado”. Se você é um coadjuvante de um filme sci-fi classe B provavelmente poderá andar a vontade sem ninguém te perturbando, poderá inclusive correr, você se sentirá mais leve. Os bósons W e Z são como super-celebridades, o campo de Higgs atua mais fortemente sobre eles do que os fótons, portanto parecem mais pesados.

Como os bósons W e Z são pesados, decaimentos beta são relativamente lentos. A decomposição de um nêutron em um próton pode levar vários minutos, enquanto fótons são emitidos em frações de segundos.

A descoberta do bóson de Higgs em 2012 foi um marco na física e comemorada com grande louvor. Mas a descoberta também abriu as portas com novas questões. Como exatamente o bóson de Higgs confere massa às partículas? Como o bóson de Higgs adquire a própria massa? As respostas estão reservadas ao futuro.

Se a gravidade é uma força, cadê ela?

Como foi visto, existem quatro forças fundamentais: interação forte, interação fraca, eletromagnetismo e a gravidade. O eletromagnetismo mediado pelos fótons e as interações forte e fraca mediadas pelos glúons e bósons W e Z, respectivamente. Porém, onde está a gravidade no Modelo Padrão?

Esse é um dos maiores questionamentos em aberto na física no momento. Ainda não sabemos como integrar a gravidade dentro da mecânica quântica. A gravidade é a mais fraca das forças fundamentais e até o momento a teoria quântica consegue explicar todas as outras três forças e suas interações, exceto a gravidade. Devido ao fato da gravidade ser a mais fraca de todas as forças, a detecção de uma possível partícula mediadora desta força é extremamente difícil, partícula hipotética que os cientistas chamam de gráviton.

Mas esse não é o problema real…

O modelo de “tecido” do espaço-tempo mais complica do que ajuda. Esse é um modelo de como funciona a gravidade no espaço-tempo de forma tridimensional, segundo a Teoria da Relatividade Geral.

A gravidade já é muito bem explicada, e até aplicada no mundo real, por meio da Teoria da Relatividade Geral como sendo a distorção do espaço-tempo causada pela massa dos corpos celestes. Fica a questão: como integrar a relatividade geral dentro da teoria quântica já existente? A busca pela chamada gravitação quântica é um dos maiores desafios da física teórica atualmente e abriria as portas para o entendimento dos buracos negros e do Big Bang. A teoria das cordas (também chamada de teoria-M) prediz a existência dos grávitons e suas interações, mas a teoria da gravitação quântica em loop não tem nenhuma partícula análoga à esta. Atualmente, a teoria quântica mais bem sucedida é a teoria quântica de campos, que não consegue encaixar os grávitons em suas formulações.

Talvez alguma das hipóteses existentes estejam corretas e nossa limitação seja puramente tecnológica (só conseguimos detectar as ondas gravitacionais em 2015, por exemplo); ou talvez todas as teorias estejam erradas e novas hipóteses surgirão. As respostas virão só daqui alguns anos e, até lá, seguiremos pesquisando.

Referências

  • BAKER, Joanne. 50 Ideias de Física Quântica. São Paulo: Editora Planeta. 2015.
  • FEYNMAN, R. P. Lições de Física: Edição do Novo Milênio, Vol. 3. 2ª Edição. Porto Alegre: Editora Bookman. 2019.
  • HALLIDAY, David; RESNICK, Robert. Fundamentos de Física: Óptica e Física Moderna, Vol 4. 10ª Edição. Rio de Janeiro: Editora LTC. 2016.
  • HEWITT, Paul G. Física Conceitual. 12ª Edição. Porto Alegre: Editora Bookman. 2015.

Brunno Pleffken Hosti

Professor. Graduando em Licenciatura em Física pela Pontifícia Universidade Católica do Paraná (PUCPR). Extensão em Astrofísica pela UFSC. Editor do Espaço-Tempo.

Publicação anterior

A belíssima missão Juno para o planeta Júpiter

Próxima publicação

Quantos tipos diferentes de nebulosas existem?