Toda a beleza e simplicidade do Modelo Padrão

Imagem: http://physicsworld.com/cws/article/news/2010/apr/09/
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O Modelo Padrão é uma das teorias mais bem elaboradas e sofisticadas de toda a Física. Em resumo, trata-se de um modelo simples que busca explicar a constituição básica da matéria, bem como classificar as partículas e especificar como elas interagem umas com as outras. Apesar de ainda não ser uma teoria consolidada, o Modelo Padrão permite fazer previsões sobre as partículas e suas propriedades por meio da simetria observada entre elas.

Classificações importantes

Para entender o Modelo Padrão é preciso reconhecer a classificação das partículas de acordo com duas propriedades: o número quântico de spin (momento angular intrínseco das partículas) e as interações fundamentais a que estão sujeitas.

Número quântico de spin: esse número quântico permite dividir as partículas em dois grandes grupos: férmions e bósons. O primeiro recebeu esse nome em homenagem a Enrico Fermi, enquanto o segundo foi uma homenagem ao físico indiano Satyendra Nath Bose.

Número quântico de spin	Classificação da partícula	Exemplo
Semi-inteiro	Férmion	Elétron
Nulo ou inteiro	Bóson	Fóton

Interações fundamentais: existem na natureza quatro interações fundamentais: gravitacional, eletromagnética, forte e fraca. Desse quarteto somos levados a pensar em quatro cargas, quatro forças, quatro campos e quatro tipos de partículas mediadoras (responsáveis pela “troca de mensagens” entre as outras partículas). Todas as forças que conhecemos na natureza – força elástica, força de viscosidade, força de atrito, força elétrica, etc. – são casos oriundos das quatro forças fundamentais.

Interação	Carga associada	Força associada	Campo associado	Partículas mediadoras
Gravitacional	Massa	Força gravitacional	Campo gravitacional	Grávitons
Eletromagnética	Carga elétrica	Força eletromagnética	Campo eletromagnético	Fótons
Forte	Carga cor	Força cor	Campo forte	Glúons
Fraca	Carga fraca	Força fraca	Campo fraco	Partículas W e Z

No domínio subatômico a força gravitacional é negligenciável. A força forte é a que mantém as partículas unidas no núcleo do átomo. Já a força fraca é a responsável por manter certas partículas, como o elétron, orbitando em volta do núcleo.

De acordo com a interação nuclear forte podemos classificar as partículas em outros dois grupos importantes: os hádrons e os léptons. As palavras “hádron” e “lépton” vêm do grego, significando, respectivamente, “robusto” e “leve”.

Interação forte	Classificação	Subdivisão	Exemplos
Partículas que estão sujeitas à interação forte	Hádron	Méson (bóson)	Píon
		Bárion (férmion)	Próton e nêutron
Partículas que não estão sujeitas à interação forte	Lépton	_	Elétron e neutrino

Existem ao todo seis léptons: elétron, múon, tau, neutrino do elétron, neutrino do múon e neutrino do tau.

Modelo dos Quarks e Cromodinâmica Quântica

O modelo dos quarks surgiu da tentativa de explicar certos padrões observados em grupos de bárions e mésons. Tal fato ocorreu em 1964, quando Murray Gell-Mann e George Zweig, observaram que esses padrões podiam ser explicados se os hádrons fossem compostos por partículas menores, as quais Gell-Mann chamou de quarks.

Existem seis tipos de quarks: up (u), down (d), charm (c), strange (s), top (t) e bottom (b). Estando os quarks relacionados à interação forte, eles possuem uma propriedade chamada carga cor, mas não se trata de uma cor propriamente dita. Existem três cargas cores: vermelho, verde e azul. Um quark pode apresentar qualquer uma dessas três cargas; dessa forma, temos 18 tipos de quarks. Entretanto, considerando os pares partícula–antipartícula, teríamos outros 18 tipos de antiquarks. Portanto, temos ao todo um número considerável de quarks: 36.

Imagem: http://www.telegraph.co.uk/news/science/science-news/7828889/
The-Standard-Model-of-the-universe-explained.html

A teoria das interações entre glúons e quarks é chamada Cromodinâmica Quântica (CDQ). Segundo essa teoria, os antiquarks devem apresentar cargas cores complementares: ciano, magenta ou amarelo.

Uma particularidade dos quarks é que eles não são encontrados livres na natureza, mas sempre em ternos e pares. Bárions, em geral, são combinações de três quarks, enquanto os mésons correspondem a pares quark–antiquark. Além disso, os quarks possuem carga elétrica fracionária (+2/3 e ou -1/3 e) e, quando juntos, a soma algébrica das cargas é sempre um múltiplo inteiro de e. Recentemente descobriu-se a existência de pentaquarks, provando que os quarks podem se combinar em grupos maiores, porém instáveis... Se deseja saber mais sobre os pentaquarks, confira duas reportagens, na íntegra, falando sobre essa interessante descoberta:

http://g1.globo.com/ciencia-e-saude/noticia/2015/07/depois-da-particula-de-deus-cientistas-descobrem-o-pentaquark.html

http://revistagalileu.globo.com/Ciencia/noticia/2015/07/4-coisas-que-voce-precisa-saber-sobre-os-pentaquarks-ultima-descoberta-do-lhc.html

Teoria da Supersimetria

A Teoria da Supersimetria parte em busca da resposta para uma pergunta que tem causado bastante dor de cabeça aos físicos: “Do que é formada a matéria escura?”.

Segundo essa mesma teoria, cada partícula elementar do Modelo Padrão teria uma superparceira mais pesada. Partindo dessa hipótese, alguns físicos pensaram na possibilidade de existência do neutralino. Tal partícula seria um ajuntamento de superparceiras do fóton, do bóson Z e de outras partículas.

Hipoteticamente, a detecção do neutralino resolveria o problema da constituição da matéria escura. Contudo, não foi encontrada até hoje nenhuma evidência que prove a existência de tal partícula.

Fontes consultadas:

MOREIRA, M. A. O Modelo Padrão da Física de Partículas. Disponível em: <http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S1806-11172009000100006&script=sci_arttext>. Acesso em: 9 ago. 2015.

The Particle Adventure - Como a carga de cor funciona? Disponível em: <http://www.cepa.if.usp.br/aventuradasparticulas/frames.html>. Acesso em: 9 ago. 2015.