Modelo padrão: uma visão geral da física de partículas

O mundo quântico é notoriamente difícil de compreender. Como Niels Bohr famosamente declarou: “Quem não está chocado com a teoria quântica não a compreendeu.” Uma das coisas que nós procuramos aqui é quebrar esses temas complexos em algo de fácil de ser entendido. Hoje, vamos falar sobre o Modelo Padrão da Física de Partículas.

Antes de entrar para o âmago da questão, vamos entender alguns fatos históricos. De volta a 1896, um cavalheiro conhecido Joseph J. Thompson (ou JJ, como vou me referir a ele) descobriu algo bastante incomum. Naquela época, as pessoas sabiam sobre a tabela periódica dos elementos (embora ela não fosse muito parecida com a de hoje, por razões óbvias). Todo mundo na época sabia que o hidrogênio era o elemento com o mínimo de massa dentro da tabela periódica dos elementos.

O mundo quântico é notoriamente difícil de compreender. Como Niels Bohr famosamente declarou: “Quem não está chocado com a teoria quântica não a compreendeu.” Uma das coisas que nós procuramos aqui é quebrar esses temas complexos em algo de fácil de ser entendido. Hoje, vamos falar sobre o Modelo Padrão da Física de Partículas.

Antes de entrar para o âmago da questão, vamos entender alguns fatos históricos. De volta a 1896, um cavalheiro conhecido Joseph J. Thompson (ou JJ, como vou me referir a ele) descobriu algo bastante incomum. Naquela época, as pessoas sabiam sobre a tabela periódica dos elementos (embora ela não fosse muito parecida com a de hoje, por razões óbvias). Todo mundo na época sabia que o hidrogênio era o elemento com o mínimo de massa dentro da tabela periódica dos elementos.

Então, JJ criou um dispositivo muito bacana que lhe permitiu medir a massa das partículas que passam por ele. Ele notou que essas partículas tinham milhares de vezes menos massa que o átomo de hidrogênio. Como podia isso, se o hidrogênio tinha a menor massa de todos os átomos? E aqui é onde nós parabenizamos JJ – ele descobriu a partícula subatômica agora conhecida como elétron (uma partícula que todos nós estamos mais ou menos familiarizados). No entanto (um breve fato interessante), o nome dessa partícula, em última análise, veio de um físico irlandês George F. Fitzgerald.

Em Manchester, Inglaterra, em 1911, um outro senhor chamado Ernest Rutherford usou o decaimento de elementos radioativos para produzir feixes de partículas, que ele atirou em uma folha de ouro fino. Ele esperava que as partículas alfa passassem direto através da folha, mas, surpreendentemente, um em cada mil ou mais saltavam de volta para trás. Depois de pensar sobre o raciocínio por trás desse salto para trás, Rutherford chegou à conclusão de que tinha de haver algo pequeno e muito denso dentro da folha que estava causando a deflexão. Assim, ele descobriu o núcleo do átomo. Ele também descobriu que a maior parte do átomo é composta de 99% de espaço vazio. Rutherford e seu parceiro James Chadwick continuaram a fazer experimentos semelhantes e, em 1932, eles descobriram que o núcleo de um átomo é feito de duas partículas: prótons e nêutrons.

Avançando para o final de 1930… Neste momento, cientistas trabalhavam duro tentando dar sentido aos muitos fenômenos diferentes que não podiam ser explicados apenas por essas três partículas (principalmente no âmbito dos raios cósmicos). O problema era que os raios cósmicos eram imprevisíveis e ninguém sabia quando e onde eles iriam aparecer. Isso pavimentou o caminho para os aceleradores de partículas entrarem em cena. Estes dispositivos eram essencialmente uma maneira de reproduzir os raios cósmicos em um laboratório. Desde então, os físicos foram descobrindo novas e novas partículas.

Finalmente, em 1960, todas essas descobertas levaram ao que hoje conhecemos como “O Zoológico de Partículas”. Foi uma época confusa e caótica (para dizer o mínimo), e o físico americano Murray Gell-Mann é creditado por trazer ordem e estrutura física mais uma vez. Ele tinha padrões observados dentro de cada uma das partículas e foi capaz de agrupá-las em suas respectivas simetrias. Ele notou que todos os prótons, nêutrons e partículas fundamentais eram construídas dos mesmos blocos de construção, o que ele chamou de “quarks”. Os quarks, juntamente com os léptons, são os dois grupos constituintes fundamentais da matéria.

Partículas de matéria

Cada grupo é composto por seis partículas, que estão relacionadas em pares, ou “gerações”. As partículas mais leves e mais estáveis ​​formam a primeira geração, ao passo que as partículas mais pesadas e menos estáveis ​​pertencem à segunda e terceira geração.

Toda a matéria estável no universo é feita de partículas que pertencem à primeira geração; as partículas mais pesadas rapidamente decaem para o próximo nível mais estável. Os seis quarks são emparelhados nas três gerações – o “quark up” e o “quark down” formam a primeira geração, seguido do “quark charm” e “strange quark”, então o “quark top” e “quark bottom”.

Os seis léptons são igualmente distribuídos em três gerações – o “elétron” e o “neutrino”, o “múon” e o “neutrino do múon”, e o “tau” e o “neutrino tau”. O elétron, o múon e o tau têm uma carga elétrica e uma massa considerável, enquanto que os neutrinos são eletricamente neutros e têm muito pouca massa – praticamente nada.

Forças e partículas portadoras

Há quatro forças fundamentais no universo: a força forte, a força fraca, a força eletromagnética e a força gravitacional. Elas funcionam em diferentes escalas e têm diferentes pontos fortes. A gravidade é a mais fraca, mas tem uma gama infinita. A força eletromagnética também tem alcance infinito, mas é muitas vezes mais forte do que a gravidade. As forças fracas e fortes só são eficazes durante um alcance muito curto e dominam apenas no nível das partículas subatômicas. Apesar do nome, a força fraca é muito mais forte do que a gravidade, mas é de fato a mais fraca entre as outras três. A força forte, como o nome sugere, é a mais forte de todas as quatro interações fundamentais.

Três das forças fundamentais resultam da troca de partículas transportadoras de força, que pertencem a um grupo mais amplo chamado de “bósons”. Partículas de matéria transferem quantidades discretas de energia através da troca de bósons umas com as outras. Cada força fundamental tem o seu próprio correspondente Higgs – a força forte é transportada pelo “glúon”, a força eletromagnética é transportada pelos “fótons”, e os “bósons W e Z” são responsáveis ​​pela força fraca.

Embora ainda não tenha sido encontrado, o “gráviton” deve ser a partícula correspondente  que transmite a força da gravidade. O Modelo Padrão inclui as forças eletromagnéticas, forte e fraca e todas as suas partículas transportadoras, e explica muito bem como essas forças atuam sobre todas as partículas de matéria. No entanto, a força mais familiar na nossa vida quotidiana, a gravidade, não faz parte do Modelo Padrão.

A teoria quântica usada para descrever o mundo micro, e a teoria da relatividadegeral usada para descrever o mundo macro, são difíceis de se encaixar em uma única estrutura. Ninguém conseguiu fazer as duas matematicamente compatíveis no contexto do Modelo Padrão. Mas felizmente para a física de partículas, quando se trata da escala minúscula de partículas, o efeito da gravidade é tão fraco que pode ser negligenciado. Assim, o modelo padrão ainda funciona bem, apesar de sua exclusão relutante de uma das forças fundamentais. 

Fonte: FromQuarksToQuasars, CERN, Ocientista