Quais são os menores componentes do universo? Os menores bloquinhos conhecidos? Como esses objetos são organizados? Como eles formam toda a diversidade de átomos que observamos? Existe alguma tabela com essa classificação?
Pode parecer exagerado, mas dada as devidas proporções existe uma relação entre taxonomia e física de partículas. Sim, taxonomia, aquele lance confuso de biologia (mas muito interessante) e que a escola se encarrega de deixar insuportável.
Enfim, lembrou da taxonomia de Lineu? Reino, filo, classe, ordem, família, gênero, espécie. Muito bem! Em física de partículas a história é muito parecida, e na minha opinião é até mais simples. Veja o primeiro ordenamento
Assim como na biologia, essa classificação tem muitos nomes, termos e conceitos que é impossível aprender de uma só tacada. Logo, eu espero com esse texto formar um pequeno “dicionário” que servirá como referência sobre esse assunto.
Primeiras coisas primeiro: Bosons & Fermions
Pra ser mais preciso, precisamos entender antes o que é um bóson e o que diabos são fermions. Essa divisão seria equivalente a diferença entre vertebrados e invertebrados, por exemplo. Talvez ninguém nunca tenha te dito isso, mas para se estudar um sistema quântico, como o de duas partículas interagindo, uma das primeiras coisas que devemos fazer é completar uma tabela com todas as características desse sistema tais como a carga elétrica das duas partículas e as suas massas.
Mas existem ainda outras quantidades que não são de fácil entendimento, por exemplo: a estranheza, cargas de cores, sabores (nomes meio gozados né?). Essas e outras quantidades são conhecidas genericamente como números quânticos.
Então, assim começamos a estudar um sistema físico: preenchendo uma tabela (não literalmente) com todos os números quânticos relevantes para o seu sistema. Um dos mais importantes números quânticos é chamado Spin. Esses números podem ser de dois tipos: Inteiros positivos (0, 1, 2, 3, 4, 5…) ou semi-inteiros positivos (0.5, 1.5, 2.5, 3.5, …).
Partículas com spins inteiros são chamados bosons e partículas com spin semi-inteiro são chamadas fermions. A característica mais fundamental que distingue bosons e fermions é que esse último satisfaz o princípio de exclusão de Pauli.
Uma digressão: Engraçado como existem pessoas que dizem: “A minha vida sofreu um giro de 360°”. A princípio isso é meio estúpido já que um giro de 360° é o mesmo que ficar parado. Mas deixa eu contar algo, não muito preciso mas bastante intuitivo: o spin inteiro de um bóson, como spin 1, significa que a cada “giro” de 360° essa partícula volta ao seu estado inicial. Já um spin meio (1/2) significa que partícula precisa dá um giro de 720° (2×360°) pra voltar ao seu estado inicial. Então, se alguém um dia disser que a vida dela mudou tipo um giro de 360° tenha certeza que essa pessoa é um fermion =D.
Partículas Elementares e Compostas
Essa divisão é bem mais intuitiva. Partículas elementares são aquelas que (provavelmente) não são compostas por blocos ainda menores, enquanto partículas compostas são formadas por duas ou mais partículas elementares. Por exemplo, o próton e o neutron são compostos pois são constituídos com 3 quarks, que por sua vez são elementares.
Ao todo, temos a seguinte tabela de partículas elementares:
E essas partículas elementares estão divididas em 4 grandes categorias:
- Bósons de gauge (ou bósons de calibre)
- O famigerado Bóson de Higgs (que tem esse nome inglês mas é na verdade mexicano)
- Quarks (que são fermions)
- Leptons (que também são fermions)
Bósons de gauge são essencialmente as partículas que moderam as interações fundamentais, eletromagnetismo (mediado pelos fótons), a interação forte (mediado por gluons) e a interação fraca (mediada pelos bósons W+, W- e Z).
Por construção, os bósons de gauge não tem massa. São radiação. Mas experimentalmente os bósons W+, W- e Z são massivos. Então algum mecanismo físico deve acontecer pra que esses 3 bósons adquiram massa e esse mecanismo é explicado pelo mecanismo de Higgs, que dá origem ao Bóson de Higgs que foi descoberto em 2012. Só existe um bóson de Higgs (one particle to rule them all).
Como você pode notar na tabela anterior, existem 6 tipos de quarks e 6 tipos de leptons. Físicos decidiram que a palavra “tipo” é muito ambígua pra se descrever partícula, então alguns decidiram dizer que existem 6 sabores de quarks e 6 sabores de léptons. Sabores nesse caso é mais um número quântico que serve para distinguir os tipos de quarks e léptons. Dessa forma, temos a seguinte divisão:
- Leptons: Elétron, muon e tau (que são carregadas eletricamente) e 3 neutrinos (que são eletricamente neutros)
- Quarks: Up, down, charm, strange, top, bottom (que são carregadas eletricamente)
Partículas compostas são também chamadas de Hádrons. Evidente que núcleos atômicos, átomos e moléculas também podem ser consideradas partículas compostas. Mas, para fins didáticos, vamos considerar partículas compostas apenas aquilo menor que os núcleos atômicos.
Hádrons por sua vez são divididos em duas grandes categorias:
- Bárions: partículas compostas por 3 quarks
- Mésons: partículas compostas por um quark e um anti-quark, que são as antipartículas dos quarks
Toda matéria que conhecemos é essencialmente formada por bárions. Matéria escura aparentemente é uma forma mais exótica de matéria: matéria não-bariônica. Além disso, existem tetra-quarks, penta-quarks e glueballs (hipotética) que também são partículas compostas um pouco mais exóticas.
Cargas de Cores
A interação forte é ainda mais interessante. Os quarks são carregados por uma carga batizada de cargas de cores. Evidentemente não é que os quarks tenham cores, é novamente um número quântico que pode ser pensado como um parente da carga elétrica. Além disso, essas cargas de cores não são mensurareis, pois a carga total das partículas observareis deve ser zero, ou sem cor. As cores definidas são: Vermelho, Verde e Azul. Desse modo (na escala RGB, vermelho+azul+verde=branco). Essa propriedade de que observáveis físicos devem ter carga total zero é chamado de Confinamento de Quarks e Glúons. Em outras palavras, isso significa que quarks e gluons não são observados sozinhos andando por aí, eles estão quase sempre confinados dentro dos núcleons (prótons ou neutrons).
Dois comentários: 1) O quase do parágrafo anterior acontece porque em altíssimas temperaturas existe um estado da matéria chamado plasma de quarks e glúons, onde estes não estão mais confinados. Essa propriedade é chamada de liberdade assimptótica. 2) Confinamento e liberdade assimptótica não tem uma prova matemática rigorosa. Isso é um assunto em aberto e tem um prêmio de 1 milhão de doletas para quem resolver esse problema.
A teoria que descreve a interação forte é conhecida como Cromodinâmica Quântica.
Desse modo, para cada um dos sabores de quarks, up, down, charm, strange, top, bottom, devemos ter 3 combinações de cores cada, ou seja:
Já percebeu que o lance é formar matrizes né? Por exemplo, o proton é formado por dois quarks up (U) e um down (D). Um desses quarks deve ser vermelho (Red), outro azul (Blue) e outro verde (Green), então as seguintes combinações podem ser um próton: U/Red+U/Green+D/Blue ou U/Green+U/Blue+D/Red ou U/Red+U/Blue+D/Green.
Observe que a anti-partícula do elétron é o pósitron com carga elétrica positiva, chamada de anti-carga. Do mesmo modo existem anti-cargas de cores: O anti-vermelho, anti-verde e o anti-azul (cian, magenta e amarelo respectivamente). A soma dessas três é novamente zero. Baseado no que foi dito até agora você saberia dizer como é o anti-proton?
Qual a outra partícula importante para as interações fortes? O glúon. Assim como o fóton, o glúon é eletricamente neutro. Além disso, o glúon carrega uma cor e uma anti-cor, ingenuamente teríamos 9 combinações possíveis:
Por que ingenuamente? Bom, na verdade uma dessas combinações pode ser escrita em termos das outras, diz-se que ela é linearmente dependente. Qual delas é derivada? Voce pode escolher. Suponha que você não goste da combinação Vermelho-Anti-Vermelho, então pode-se mostrar matematicamente que ela pode ser descartada. Quantum Physics Bro!
Se você gosta de matemática tem uma razão mais simples pra isso: Gluons são os geradores do grupo de Lie SU(3). No texto Quarks & Gluons, que é essencialmente uma versão dessa seção com esteróides anabolizantes, explico com um certo rigor alguns desses conceitos matemáticos.
Vamos fazer a contagem final?
Temos o total de 18 quarks + 6 Leptons + 8 Gluons + 3 Bosons fracos + 1 Fóton +1 Higgs = 37 Partículas fundamentais.
Poderíamos contar as anti-partículas. No caso são18 anti-quarks + 6 anti-leptons = 24 anti-partículas.
No total final temos 61 partículas fundamentais.
That’s all folks!!
