4. Decaimento de PartículasO que é Decaimento?

O Modelo Padrão explica porque as partículas decaem em outras partículas. Provavelmente, você está familiarizado com o decaimento nuclear onde núcleos atómicos se dividem em núcleos menores. Isso faz sentido porque uma porção de protões e neutrões pode se dividir em porções menores de protões e neutrões. Mas o mundo do decaimento também se refere à transformação de partículas fundamentais em outras partículas fundamentais. Esse tipo de decaimento é estranho porque o produto final não é um pedaço menor do que a partícula inicial, mas sim partículas totalmente novas. Podemos observar vários decaimentos:-Decaimento de um neutrão num electrão, um protão e um antineutrino;-Um electrão e um positrão aniquilam-se em mesões D+ e D- ;-Um quark top pode ser produzido quando um protão e um antiprotão se aniquilam;-Uma aniquilação de um protão e um antiprotão que produz oito piões.

Radioactividade

No final do século XIX, o físico alemão Wilhelm Röntgen descobriu um estranho raio produzido quando um feixe de electrões incidia sobre um pedaço de metal. Como esses raios eram de natureza desconhecida foram denominados "raios x". Dois meses depois dessa descoberta, o físico francês Henri Becquerel estudava fluorescência e descobriu que alguns elementos ficavam expostos em placas fotográficas mesmo quando embrulhados em papel preto. Para surpresa de Becquerel, alguns elementos, incluindo o urânio, emitiam raios energéticos sem a necessidade de fornecimento de energia. As experiências de Becquerel mostravam que alguns processos naturais seriam responsáveis pela liberação de raios x energéticos por certos elementos. Isso sugeriu que alguns elementos seriam inerentemente instáveis, pois esses elementos tinham a capacidade de liberar, espontâneamente, diferentes formas de energia. Essa libertação de partículas energéticas a partir do decaimento de átomos instáveis é denominada hoje de radioactividade.

Partículas Radioactivas

Depois de vários anos de estudo, os cientistas identificaram vários tipos diferentes de radiação, as partículas resultantes de processos radioactivos. Os três tipos diferentes de radiação foram simbolizados com as três primeiras letras do alfabeto grego: alfa, beta e gama. As partículas alfa são núcleos de hélio (2 p, 2 n); as partículas beta são electrões velozes e a Radiação gama é um fluxo de fotões de alta energia. Essas três formas de radiação podem ser separadas umas das outras por um campo magnético. As partículas alfa positivamente carregadas curvam-se numa direcção, as partículas negativas beta curvam-se na direcção oposta, e as partículas gama electricamente neutras não se curvam. As partículas alfa podem ser paradas por uma folha de papel, as partículas beta por alumínio e a radiação gama por um bloco de chumbo. Uma vez que a radiação gama pode penetrar muito profundamente num material, e consegue desfazer moléculas como as do DNA, é a radiação gama que representa o maior perigo quando trabalhamos com materiais radioactivos. Infelizmente, os cientistas levaram muitos anos para perceber os perigos da radioactividade...

Confusões Sobre Decaimentos

Muitos elementos pesados decaem produzindo outros mais simples. Porém observando esses decaimentos mais de perto, eles revelam problemas que provocam uma certa confusão. Considere o decaimento do urânio-238. Um pedaço de urânio-238 decairá a uma taxa constante tal que em aproximadamente 4.460.000.000 anos metade do urânio não existirá mais. Contudo, não há como saber quando um átomo específico de urânio irá decair; ele pode decair daqui a cinco minutos, ou em dez biliões de anos. Por que um átomo irá decair somente de acordo com uma certa probabilidade? O urânio-238 tem uma massa de 238,0508 unidades de massa atómica (UMA). Ele pode decair em tório (234,0436 UMA) mais uma partícula alfa (4,0026 UMA). A massa do urânio menos a massa dos produtos de seu decaimento é de 0,0046 UMA. Por que essa perda de massa?

Residual Forte

Os protões são positivos e repelem-se electricamente. Um núcleo poderia explodir se ele não estivesse "colado" pelos gluões que afectam todas as partes do núcleo. Isto é denominado força residual forte. Imagine o núcleo como uma mola fortemente comprimida, que é a repulsão eléctrica, mantida no lugar por uma grande corda, que é a força residual forte. Embora exista uma grande quantidade de energia armazenada na mola, ela não pode liberar essa energia porque a corda é muito forte.

Física Quântica

Partículas subatómicas não se comportam como objectos comuns. O comportamento de muitas partículas pode ser explicado somente em termos de probabilidades. Partículas movem-se como objectos comuns e têm momento, mas elas também têm propriedades de ondas. A física quântica é um ramo da Física que explica o comportamento dessas partículas em termos matemáticos e probabilísticos. Como as partículas são como ondas, é impossível saber, ao mesmo tempo, a sua posição e seu momento. É um engano desenhar partículas, como protões e neutrões, como sendo esferas pequenas e definidas; elas são melhor exemplificadas como regiões onde se tem maior ou menor probabilidade de encontrar a partícula. Protões e neutrões movem-se dentro do núcleo. Existe uma chance pequena de um aglomerado de dois protões e dois neutrões (que formam uma partícula alfa) estar ao mesmo tempo migrando fora do núcleo. Existe uma chance maior disso acontecer em núcleos maiores do que em núcleos menores. A partícula alfa ficaria livre da força residual forte que a mantém dentro do núcleo e, assim como uma mola repentinamente solta, a partícula alfa carregada seria "lançada" para fora do núcleo. Essa ideia de que "se pode acontecer, acontecerá!" é fundamental para a física quântica. Para alguns átomos existe uma certa probabilidade de que sofram um decaimento radioactivo devido à possibilidade do núcleo - por um curto instante - existir em um estado que permita sua separação. Você não pode prever quando um átomo em particular irá decair, mas pode determinar a chance que ele tem de decair em um certo período de tempo.

Meia Vida

Um pedaço de urânio decairá gradualmente em várias partículas menores. Essa

taxa de decaimento é medida pelo tempo em que a metade do urânio levará para decair (a meia-vida). Cada decaimento de um átomo é totalmente aleatório, mas podemos fazer uma boa previsão sobre como uma grande quantidade de átomos de urânio decairá. É perturbador pensar que a sorte pode comandar as propriedades físicas. Em resposta a essa teoria Einstein afirmou que "Deus não joga dados!" (Einstein estava errado).

Massa Perdida

Nós ainda precisamos responder a pergunta "para onde foi a massa perdida no decaimento radioactivo?" Lembre-se de que, quando o urânio decai em tório e em partículas alfa, há uma diferença de 0,0046 UMA (Unidades de Massa Atómica). Como Einstein disse, massa é uma forma de energia. Havia energia suficiente armazenada na força residual forte para manter o átomo de urânio unido. Quando aquele átomo de urânio sofreu decaimento radioactivo, parte dessa energia foi liberada como energia cinética (a energia de movimento das partículas. Essa conversão de energia foi registada como perda de massa.

Mediadores do Decaimento de Partículas

Enquanto os átomos podem decair em outros átomos de menor massa rompendo-se, como uma partícula fundamental pode decair em outra partícula fundamental? Partículas fundamentais não podem se romper, mas elas podem, de alguma forma, se transformar em outras partículas. Descobriu-se que, quando uma partícula decai, ela se transforma em outra partícula de menor massa mais uma partícula transportadora de força (um gluão ou um W/Z). Essas transportadoras de força podem então decair em outras partículas. Então, uma partícula não pode simplesmente transformar-se em outro tipo; existe uma partícula transportadora de força intermediária que media o decaimento. Em muitos casos, essas partículas transportadoras de força parecem, temporariamente, violar a conservação da energia porque elas existem em energias extremamente altas. Contudo, essas partículas existem por tão pouco tempo que nenhuma das leis é violada. Essas partículas são denominadas partículas virtuais.

Princípio da Incerteza

Werner Heisenberg determinou em 1927, que é impossível medir a posição de uma partícula e seu momento com absoluta precisão. Quanto mais precisamente determinamos um, menos saberemos a respeito do outro. Isso é denominado de Princípio da Incerteza de Heisenberg, e é uma propriedade fundamental da física quântica. O ato de medir a posição de uma partícula afectará o conhecimento de seu momento, e vice-versa. Podemos também expressar esse princípio em termos de energia e tempo. Isso significa que se uma partícula existe por um curto período de tempo, você não pode determinar precisamente sua energia. Uma partícula de vida curta poderia ter uma energia tremendamente incerta, o que nos leva à ideia de partículas virtuais.

Partículas Virtuais (Hipotéticas)

As partículas decaem em partículas transportadoras de força, que por sua vez, decaem em outras partículas. Mas, em alguns casos, uma partícula pode decair em

uma partícula transportadora de força com maior energia que a partícula inicial, que então decai imediatamente em partículas de menor energia. Essa vida curta das partículas transportadoras de força de alta energia parece violar a conservação de energia - a energia não pode surgir do nada! Um dos resultados do Princípio da Incerteza de Heisenberg é que essas partículas de alta energia podem vir a existir se tiverem uma vida incrivelmente curta. De certa forma, elas realmente passam desapercebidas. Tais partículas são denominadas partículas virtuais. As partículas virtuais não violam a conservação de energia. A energia da partícula que decai e o produto final do decaimento são iguais. As partículas virtuais existem por tão pouco tempo que nunca são observadas. A maioria dos processos fundamentais das partículas é mediado por partículas transportadoras virtuais. Como exemplos temos o decaimento beta do neutrão, a produção de partículas charmosas e o decaimento de uma partícula eta-c; todos serão explorados mais profundamente em breve.

Interacções Diferentes

As interacções fracas e fortes causam decaimentos em partículas fundamentais. Existem três propriedades das partículas que determinam que tipo de interacção e qual partícula transportadora de força irá mediar um dado decaimento:

Sabor: o "sabor" se refere ao tipo de partícula. Quando uma partícula fundamental decai de um tipo em outro, dizemos que o "sabor mudou". Se um quark down decai em um quark up, o quark down não deixa de existir: ele simplesmente muda de sabor.

Carga Electromagnética: as partículas com carga electromagnética atraem partículas com cargas eléctricas opostas e repelem partículas com cargas semelhantes. A interacção electromagnética foi unificada à interacção fraca em apenas uma interacção denominada hoje de electrofraca; então, não se confunda quando falarmos de transportadoras de força fraca carregando carga eléctrica.

Carga de Cor: assim como algumas partículas podem ser carregadas electromagneticamente, outras partículas possuem um tipo diferente de carga, denominada carga de cor. A interacção forte causa uma atracção entre partículas carregadas de cor.

As partículas transportadoras de força forte, os gluões, mediam os decaimentos que envolvem mudança de cor. As partículas transportadoras de força fraca, W+ e W-, mediam decaimentos onde as partículas mudam de carga eléctrica. Isso usualmente acontece quando uma partícula muda de sabor. A partícula Z- é uma partícula transportadora de força fraca que media os decaimentos de cor neutra e electricamente neutros. 

Aniquilações

Aniquilações são diferentes dos decaimentos de partículas. Numa aniquilação, uma partícula de matéria e uma de antimatéria aniquilam-se completamente em energia, enquanto no decaimento de partículas uma parte da massa dessas partículas é convertida em energia e o resto da massa manifesta-se como massa de novas partículas. Durante uma aniquilação, partículas de matéria e de antimatéria interagem uma com a outra, convertendo a energia da sua prévia existência numa partícula transportadora de força muito energética (um gluão, um W/Z ou um fotão). Essas transportadoras de força, por sua vez, podem decair em outras partículas. Frequentemente, os físicos aniquilam duas partículas a enormes energias para criar novas partículas de maior massa. Muitos eventos podem envolver aniquilações, interacções fracas e/ou fortes.