Toda a natureza brota de um punhado de componentes – as partículas fundamentais – que interagem entre si de apenas algumas maneiras diferentes. Na década de 1970, os físicos desenvolveram um conjunto de equações que descrevem essas partículas e interações. Juntas, as equações formaram uma teoria sucinta agora conhecida como o Modelo Padrão da física de partículas.
O Modelo Padrão está faltando algumas peças do quebra-cabeça (visivelmente ausentes estão as partículas putativas que compõem a matéria escura, aquelas que transmitem a força da gravidade e uma explicação para a massa dos neutrinos), mas fornece uma imagem extremamente precisa de quase todas outros fenômenos observados.
No entanto, para uma estrutura que encapsula nosso melhor entendimento da ordem fundamental da natureza, o Modelo Padrão ainda carece de uma visualização coerente. A maioria das tentativas é simples demais, ou ignora interconexões importantes, ou é confusa e opressora.
Considere a visualização mais comum, que mostra uma tabela periódica de partículas:
Esta abordagem não oferece uma visão sobre as relações entre as partículas. As partículas portadoras de força (ou seja, o fóton, que transmite a força eletromagnética; os bósons W e Z, que transmitem a força fraca; e os glúons, que transmitem a força forte) são colocados no mesmo pé que as partículas de matéria essas forças agem entre – quarks, elétrons e seus parentes. Além disso, propriedades-chave como “cor” são deixadas de fora.
Outra representação foi desenvolvida para o filme Particle Fever 2013:
Embora essa visualização enfatize adequadamente a centralidade do bóson de Higgs – o eixo do modelo padrão, pelas razões explicadas abaixo – o Higgs é colocado ao lado do fóton e do glúon, embora na realidade o Higgs não afete essas partículas. E os quadrantes do círculo são enganosos – implicando, por exemplo, que o fóton apenas se acopla às partículas que toca, o que não é o caso.
Uma nova abordagem
Chris Quigg, físico de partículas do Fermi National Accelerator Laboratory em Illinois, vem pensando em como visualizar o Modelo Padrão há décadas, na esperança de que uma representação visual mais poderosa ajudasse a familiarizar as pessoas com as partículas conhecidas da natureza e as levasse a pensar sobre como essas partículas podem se encaixar em uma estrutura teórica maior e mais completa. A representação visual de Quigg mostra mais da ordem e estrutura subjacentes do Modelo Padrão. Ele chama seu esquema de representação “duplo simplex”, porque as partículas da natureza canhotas e destras formam, cada uma, um simplex – uma generalização de um triângulo. Adotamos o esquema do Quigg e fizemos outras modificações.
Vamos construir o duplo simplex do zero.
Quarks no fundo
As partículas de matéria vêm em duas variedades principais, léptons e quarks. (Observe que, para cada tipo de partícula de matéria na natureza, há também uma partícula de antimatéria, que tem a mesma massa, mas é oposta em todas as outras formas. Como outras visualizações do Modelo Padrão fizeram, eliminamos a antimatéria, que formaria um , duplo simplex invertido.)
Vamos começar com os quarks e, em particular, os dois tipos de quarks que constituem os prótons e nêutrons dentro dos núcleos atômicos. Estes são o quark up, que possui dois terços de uma unidade de carga elétrica, e o quark down, com uma carga elétrica de -1/3.
Os quarks up e down podem ser “canhotos” ou “destros”, dependendo se estão girando no sentido horário ou anti-horário em relação à direção do movimento.
Mudança Fraca
Os quarks up e down canhotos podem se transformar uns nos outros, por meio de uma interação chamada de força fraca. Isso acontece quando os quarks trocam uma partícula chamada bóson W – um dos portadores da força fraca, com uma carga elétrica de +1 ou -1. Essas interações fracas são representadas pela linha laranja:
Estranhamente, não há bósons W destros na natureza. Isso significa que os quarks up e down destros não podem emitir ou absorver bósons W, então eles não se transformam uns nos outros.
Cores fortes
Os quarks também possuem um tipo de carga chamada cor. Um quark pode ter carga de cor vermelha, verde ou azul. A cor de um quark o torna sensível à força forte.
A força forte une quarks de cores diferentes em partículas compostas, como prótons e nêutrons, que são “incolores”, sem carga de cor líquida.
Quarks se transformam de uma cor para outra absorvendo ou emitindo partículas chamadas glúons, os portadores da força forte. Essas interações formam os lados de um triângulo. Como os glúons possuem carga de cor, eles interagem constantemente entre si e também com os quarks. As interações entre os glúons preenchem o triângulo.
Mais matéria
Agora vamos nos voltar para os léptons, o outro tipo de partículas de matéria. Os léptons vêm em dois tipos: elétrons, que têm uma carga elétrica de -1, e neutrinos, que são eletricamente neutros.
Tal como acontece com os quarks up e down da mão esquerda, os elétrons e neutrinos da mão esquerda podem se transformar uns nos outros por meio da interação fraca. No entanto, os neutrinos destros não foram vistos na natureza.
Observe que os léptons não possuem carga colorida e não interagem por meio da força forte; esta é a principal característica que os distingue dos quarks.
O esqueleto Simplex
Juntando o que fizemos até agora, temos as partículas canhotas à esquerda, enquanto as partículas destras são mostradas à direita. Eles formam o esqueleto básico do duplo simplex de Quigg.
Agora, uma complicação: por razões desconhecidas, existem três versões progressivamente mais pesadas, mas idênticas de cada tipo de partícula de matéria. Por exemplo, junto com o quark up e down, há o quark encanto e o quark estranho e, mais pesado ainda, o quark superior e inferior. O mesmo é verdade para os léptons: junto com o elétron e o neutrino do elétron, existem o múon e o neutrino do múon e o tau e o tau neutrino. (Observe que os neutrinos têm massas pequenas, mas desconhecidas.)
Todas essas partículas vivem nos cantos do duplo simplex. Observe que uma pequena quantidade de interação fraca acontece entre quarks canhotos em gerações diferentes, de modo que um quark up pode ocasionalmente cuspir um bóson W + e se tornar um quark estranho, por exemplo. Os léptons em diferentes gerações não foram vistos interagindo dessa maneira.
Forças e carga
De que outras maneiras as partículas interagem umas com as outras? Já mencionamos que muitas partículas de matéria têm carga elétrica – todas, na verdade, exceto neutrinos. O que significa ter carga elétrica é que essas partículas são sensíveis à força eletromagnética. Eles interagem entre si trocando fótons, os portadores da força eletromagnética. Representamos as interações eletromagnéticas como linhas onduladas que conectam partículas carregadas umas às outras. Observe que essas interações não transformam partículas umas nas outras; neste caso, as partículas sentem apenas um empurrão ou um puxão.
A força fraca é um pouco mais complicada do que dissemos antes. Além dos bósons W + e W? – os portadores eletricamente carregados da força fraca – há também um portador neutro da força fraca, chamado bóson Z0. As partículas podem absorver ou emitir bósons Z0 sem alterar as identidades. Tal como acontece com as interações eletromagnéticas, essas “interações neutras fracas” apenas causam perda ou ganho de energia e momentum. As interações neutras fracas são representadas aqui por linhas onduladas laranja.
Não é coincidência que as interações neutras fracas se assemelham às interações eletromagnéticas. As forças fracas e eletromagnéticas descendem de uma única força que existia nos primeiros momentos do universo, chamada de interação eletrofraca.
Conforme o universo esfriava, um evento conhecido como quebra de simetria eletrofraca dividiu as forças em duas. Este evento foi marcado pelo súbito aparecimento de um campo que se estende por todo o espaço, conhecido como campo de Higgs, que está associado a uma partícula chamada bóson de Higgs – a peça final do nosso quebra-cabeça.
Entre no Higgs
O bóson de Higgs é o eixo do Modelo Padrão e a chave para explicar por que o arranjo duplo simplex faz sentido. Quando o campo de Higgs surgiu no início do universo, ele uniu as partículas destras e canhotas umas às outras, imbuindo as partículas ao mesmo tempo com a propriedade que chamamos de massa. (Observe que o neutrino tem massa, mas sua origem permanece misteriosa, uma vez que deriva de algum mecanismo diferente do Higgs.)
Aqui está uma versão cartoon de como funciona esta geração de massa. Conforme uma partícula como um elétron se move através do espaço, ela interage constantemente com os bósons de Higgs – excitações do campo de Higgs. Quando um elétron canhoto se choca com um bóson de Higgs, o elétron pode ricochetear em uma nova direção e se tornar destro, e então colidir com outro Higgs e se tornar canhoto novamente, e assim por diante. Essas interações desaceleram o elétron, e é isso que queremos dizer com “massa”.
Em geral, quanto mais uma partícula interage com o bóson de Higgs, mais massa ela tem. Além disso, as freqüentes interações com os bósons de Higgs fazem essas partículas massivas misturas quânticas de canhotos e destros.
E com isso, temos o Modelo Padrão da física de partículas:
Publicado em 25/10/2020 01h19
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