PARTÍCULAS ELEMENTARES

Nos anos 30, a ciência achava que o átomo era composto somente por um núcleo e uma eletrosfera composta por elétrons.

Porém, algumas perguntas não se calavam:

O que mantém o núcleo unido com os prótons positivos, sendo que entre eles há repulsão?

Existe “algo mais” no interior do núcleo, além de prótons?

O mais famoso se chama LHC, o maior do mundo. Esse é um local onde cientistas se unem para estudar os “tijolos” da matéria e as forças que os mantêm unidos. Os “tijolos” básicos são partículas minúsculas, muito menores que os átomos. São necessários quatro tipos dessas partículas elementares para formar toda a matéria que vemos no mundo ao nosso redor.

Elas são o Quark Up, o Quark down, o Elétron e o Elétron-neutrino.

Ao todo são doze tipos de partículas que formam dois grupos:

Quarks Léptons

As respostas para tais perguntas vieram com a construção dos aceleradores de partículas.

LÉPTONS

São partículas indivisíveis que não estão no núcleo do átomo, dessa forma não sentem a força nuclear forte, elas são: os elétrons, os neutrinos e suas antipartículas.

Elétrons (e) são estáveis e compõem a eletrosfera que envolve o núcleo dos átomos, sendo responsáveis pelas ligações químicas entre os elementos. Quando em movimento, produzem corrente elétrica e geram campos magnéticos.

Os léptons múon (µ) e tau (τ) possuem características similares às do elétron, porém são muito mais pesados e instáveis, decaindo rapidamente em partículas mais leves.

Os neutrinos (ν) são extremamente leves, não possuem carga elétrica e interagem muito fracamente a ponto de conseguirem atravessar toda a Terra sem se chocar com nenhuma partícula. São produzidos em decaimentos na fusão nuclear que ocorre no Sol, e também são responsáveis pelo seu brilho.

QUARKS

São partículas fundamentais que existem dentro dos prótons, nêutrons e algumas antipartículas. Os quarks interagem por meio das interações eletromagnética, fraca e forte, e possuem carga elétrica fracionaria (+2/3 e -1/3), além das “cargas de cor” relativas à interação forte. Os quarks formam os hádrons (três quarks ou um quark e um antiquark) e permanecem confinados dentro deles, não sendo observados em estado livre.

Os quarks da primeira família, up (u) e down (d) formam os prótons (uud), os nêutrons (udd), e toda matéria usual, além de diversos mésons, como o pion e o kaon.

As outras duas famílias de quarks, compostas pelo strange, charm, bottom e top não formam a matéria usual, sendo formados apenas como resultado da colisão entre outras partículas.

INTERAÇÕES DA NATUREZA

Existem diferentes forças que agem entre as partículas. A força forte, a eletromagnética e a gravidade as unem em estruturas maiores, desde os pequenos e invisíveis átomos até as imensas galáxias. Já a força fraca muda as partículas e átomos de um tipo para outro, como ocorre nas reações solares. Essas forças são carregadas por partículas diferentes das que constituem a matéria. As partículas carregadoras de força têm apenas essa função, carregar informações de uma partícula de matéria para outra.

INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA

O fóton é o quantum do campo eletromagnético. Toda radiação eletromagnética, desde as ondas de rádio, televisão, luz visível, até os raios ultravioleta e gama, é formada por fótons. Partículas sem massa ou carga, que são responsáveis pela transmissão da interação entre as partículas eletricamente carregadas.

INTERAÇÃO GRAVITACIONAL

Sem a gravidade, nós flutuaríamos no espaço...

A gravidade nos mantém na Terra, mantém a Terra na órbita ao redor do sol e mantém nosso sistema solar em órbita no centro da galáxia.

A interação gravitacional atua sobre todas as partículas e seria intermediada pelo gráviton. No entanto, no mundo subatômico, ela não possui nenhuma influência, já que é uma centena de milhão de milhão de milhão de milhão de milhão de milhão de vezes mais fraca que as outras três interações.

Tudo que tem massa sente a atração gravitacional. A força de atração entre dois objetos depende de suas massas.

Gráviton é o quantum do campo gravitacional (ainda não foi detectado experimentalmente)

INTERAÇÃO FRACA (W e Z)

Sem a interação fraca, o sol não brilharia...

A interação fraca causa o decaimento beta, uma forma de radioatividade que ativa a fusão nuclear no coração do sol. É intermediada pelos bósons carregados W+, W- e bóson neutro Z°. Essa interação é de curtíssimo alcance, agindo em distâncias 1.000 vezes menores que o núcleo atômico, sendo 10.000 vezes mais fraca que a interação eletromagnética. Ela afeta tanto léptons quanto quarks e é responsável pelo decaimento beta, que se caracteriza pela transformação de um nêutron em um próton, emitindo um elétron e seu antineutrino. Essa interação também desempenha importante papel na geração da energia das estrelas e do sol.

INTERAÇÃO FORTE

Sem a interação forte, não poderia existir vida...

O carbono da matéria viva é sintetizado em estrelas através da interação forte. Núcleos atômicos mais leves se juntam em um processo chamado fusão nuclear. A menor alteração nessa interação pode tornar a vida impossível.

Como seu nome sugere, a interação forte é a mais poderosa das quatro interações, ainda que seu alcance de influência seja limitado dentro do núcleo atômico. De fato ela é a interação que mantém os “quarks” juntos dentro dos prótons de carga positiva. Sem essa cola, os “quarks” poderiam voar para o além repelidos pelo eletromagnetismo.

As partículas mediadoras dessa força são os PÍONS e GLÚONS.

Prótons e Nêutrons Prótons e nêutrons são feitos de “quarks” que estão grudados por “glúons”, as

partículas transportadoras da interação forte. Essa interação é tão forte que nenhum experimento teve sucesso ao tentar isolar individualmente “quarks” ou “glúons”. Mas seria possível criar condições para libertá-los...

O acelerador de partículas LHC é um grande colisor de Hádrons.

HÁDRONS: são partículas que sofrem todos os tipos de interações, dividem-se nos pesados (BÁRIONS) e nos de massa intermediária (MÉSONS).

• BÁRIONS: prótons, nêutrons e suas antipartículas, os bárions são férmions constituídos por 3 quarks.

• MÉSONS: são bósons constituídos por 1 quark e 1 antiquark

FÉRMIONS: são partículas em quantidades constantes no universo, como prótons e elétrons. Essas partículas obedecem o Princípio de Exclusão de Pauli ( duas partículas não podem estar no mesmo estado quântico ao mesmo tempo), sua principal característica é ter Spin semi-inteiro.

BÓSONS: são partículas que nascem e desaparecem, como os fótons que ao ligarmos uma lâmpada estamos gerando milhares deles e ao desligarmos, eles desaparecem. Essas partículas não obedecem ao Princípio de Exclusão de Pauli e possuem Spin inteiro.

O principal objetivo do LHC é descobrir a partícula chamada de “Bóson de Higgs” ou Partícula de Deus. Essa seria a responsável por explicar a origem da massa das partículas elementares na origem do universo.