III. O que o mantém unido?

Agora que temos uma boa ideia do que o mundo é feito, de quarks e leptões, falta responder a uma quetão: o que mantém as partículas unidas? O universo que conhecemos existe porque as partículas fundamentais interagem. Essas interacções incluem forças atractivas e repulsivas, decaimento e aniquilação. Existem quatro interacções fundamentais entre as partículas, e todas as forças no mundo podem ser atribuídas a essas quatro interacções. Qualquer força (atrito, magnetismo, gravidade, decaimento nuclear, ect.) é causada por uma dessas quatro interacções fundamentais. As partículas que transportam energia, força, radiação são chamadas de partículas energéticas (fotão, gravitão, gluão). Não podem ser vistas, mas sabemos que existem e por isso são chamadas de partículas imaginárias e para serem fisicamente existentes tem que se provar que existem e até agora só o fotão foi comprovado que realmente existe através do efeito fotoeléctrico.

Força e interacção são dois conceitos diferentes, embora possam ser confundidos logo de início. Quando se fala de força em Física Quântica geralmente não tem haver com o conceito de força da Física Clássica, tem haver com as interacções, pois elas possuem força. Qualquer uma das quatro interacções manifestam-se atravéz das suas respectivas forças devido à troca das partículas transportadoras dessa força. A interacção gravítica faz-se sentir pela troca de gravitões e a electromagnética pela troca de fotões. Todas elas têm uma partícula para fazer a sua força se manifestar.

A matéria interage sem se tocar. Como é que dois ímanes "sentem" a presença um do outro e se atraem ou se repelem de acordo com a situação? Como o Sol atrai a Terra? Nós sabemos que as respostas para essas perguntas são "magnetismo" e "gravidade", mas o que são essas forças? Num nível fundamental, a força não é apenas algo que acontece para as partículas, "é uma coisa que é trocada entre duas partículas".

Descobriu-se que todas as interacções que afectam as partículas da matéria são devidas a uma troca de partículas transportadoras de força, um tipo completamente diferente de partícula. O que nós pensamos normalmente como "forças" são, na verdade, os efeitos das partículas transportadoras de força sobre as partículas da matéria.
Uma coisa importante sobre elas é que uma partícula transportadora de um tipo particular de força só pode ser absorvida ou produzida por partículas materiais que são afectadas por essa força. Por exemplo, os electrões e os protões têm carga eléctrica, portanto eles podem produzir e absorver as transportadoras de forças electromagnéticas, ou seja, o fotão. Neutrinos, por outro lado, não têm carga eléctrica, então eles não podem absorver ou produzir fotões.

Electromagnetismo
A força electromagnética faz com que objectos com cargas opostas se atraiam e objectos com cargas iguais venham a se repelir. Muitas forças do quotidiano, como a força de atrito, e até mesmo o magnetismo, são causadas pela força electromagnética. Por exemplo, a força que te impede atravessar o chão é a força electromagnética, aquela que faz com que os átomos da matéria do seu pé e do chão resistam ao deslocamento. A partícula transportadora da força electromagnética é o fotão. Fotões de energias das mais diversas varrem todo o espectro electromagnético. Até onde sabemos, os fotões têm massa zero e viajam sempre à "velocidade da luz", c, que são 299 792 458 metros por segundo (3x10^8).

Os átomos geralmente têm o mesmo número de protões e de electrões. Eles são electricamente neutros, isso porque os protões positivos existem em número igual ao dos electrões negativos. Uma vez que os átomos são neutros, o que faz com que eles se grudem formando moléculas estáveis? Descobriu-se que as partes carregadas de um átomo podem interagir com as partes carregadas de outro átomo. Isso permite que diferentes átomos se juntem, produzindo um efeito chamado força residual electromagnética. Então, é a força electromagnética quem permite que os átomos se uniam formando moléculas, mantendo o mundo unido e criando a matéria. 

Forte
Ainda temos um outro problema com os átomos: o que mantém o núcleo unido? O núcleo de um átomo é formado por um conjunto de protões e neutrões mantidos juntos. Uma vez que os neutrões não têm carga e os protões são carregados positivamente e se repelem uns aos outros, por que o núcleo não explode? Nós não podemos contar com o núcleo mantido unido apenas pela força electromagnética. A gravidade não, uma vez que a força gravitacional é de fraca demais para exceder a força electromagnética. Então como podemos explicar essa contradição? 

Para entender o que está dentro do núcleo, nós precisamos saber mais sobre os quarks que compõem os protões e neutrões. Os quarks além da carga electromagnética têm outro tipo de carga, a chamada carga de cor. A força entre partículas carregadas com cor é muito forte, por isso essa força é chamada de Forte. A força forte segura os quarks para formar hadrões e então as suas partículas transportadoras são chamadas de gluões, uma vez que elas "colam" os quarks dos protões e nos neutrões. A carga de cor comporta-se de modo diferente da carga electromagnética. Os gluões possuem carga de cor, o que é estranho, mas não tanto quanto os fotões que não têm carga electromagnética. E enquanto os quarks têm carga de cor, as partículas compostas de quarks não têm essa carga (elas têm cor neutra). Por essa razão, a força forte apenas é levada em consideração em interacções entre quarks.
Os quarks e os gluões são partículas carregadas com cor. Do mesmo modo que partículas electricamente carregadas trocam fotões em interacções electromagnéticas, partículas carregadas com cor trocam gluões em interacções fortes. Quando dois quarks estão perto um do outro, eles trocam gluões e criam um campo de força de cor muito forte que mantém os quarks unidos. O campo de força fica mais forte à medida que os quarks vão se afastando. Os quarks mudam constantemente a sua carga de cor enquanto trocam gluões com outros quarks.

Existem três cargas de cor e três cargas anticor correspondentes (cor complementar). Cada quark tem uma das três cargas de cor e cada antiquark possui uma das três cargas de anticor. Assim como uma mistura de luzes vermelha, verde e azul resulta em luz branca, num barião a combinação de cargas de cor vermelha, verde e azul é uma cor neutra, e num antibarião, antivermelho, antiverde e antiazul também é cor neutra. Os mesões são neutros em cor porque eles transportam combinações como vermelho e antivermelho. Os gluões podem ser considerados como transportando uma cor e uma anticor, pois eles mudam sempre uma dada cor em uma anticor. Já que existem nove possíveis combinações cor-anticor podemos esperar nove diferentes cargas de gluão, mas a matemática funciona como se houvesse apenas oito combinações. E infelizmente, não há uma explicação intuitiva para esse resultado.
Quarks: transportam uma cor.
Antiquarks: transportam uma anticor.
Gluões: transportam uma cor e uma anticor.
"Cargas de cor" não têm nenhuma relação com as cores visíveis, são apenas uma nomenclatura conveniente para um sistema matemático que os físicos desenvolveram para explicar suas observações sobre os quarks em hadrões.

Partículas carregadas de cor não são encontradas individualmente. Por essa razão os quarks carregados de cor ficam confinados em grupos (hadrões) com outros quarks. Essas composições são de cor neutra. O desenvolvimento da teoria das interacções fortes do Modelo Padrão mostra provas de que os quarks se combinam somente em barião (objectos compostos de três quarks) e mesões (objectos compostos de pares quark-antiquark), mas não em, por exemplo, objectos contendo quatro quarks. Agora entendemos que somente os bariões (três cores diferentes) e mesões (cor e anticor) são de cor neutra. Partículas como ud ou dd que não se combinam em estados de cor neutra, nunca são observadas.

Se um dos quarks do hadrão é puxado para fora de sua vizinhança, o campo de força de cor "estica-se" entre o quark e os seus vizinhos. Assim, mais e mais energia é adicionada ao campo de força de cor quando os quarks são puxados. É sempre energeticamente mais barato para o campo de força de cor converter-se num novo par de quark-antiquark. Assim, a energia é conservada porque a energia do campo da força de cor é convertida na massa dos novos quarks, e o campo de força de cor pode "relaxar" de volta ao seu estado normal. Os quarks não existem individualmente porque a força de cor aumenta conforme eles são puxados.
Agora sabemos que a força forte prende os quarks juntos por terem carga de cor. Mas isso ainda não explica o que mantém o núcleo unido, já que os protões e os neutrões são de cor neutra, mas os protões têm uma carga eléctrica positiva. Em resumo, a resposta é que, não é à toa que a força tem o nome de forte. A força forte entre os quarks de um protão e os quarks de outro protão é forte o bastante para superar a força electromagnética repulsiva. Isso é chamado de interacção forte residual, e é essa interacção que mantém o núcleo coeso.

Fraca
Existem seis tipos de quarks e seis tipos de leptões. Mas toda matéria estável do universo parece ser composta de apenas dois quarks leves, o quark up e o quark down, e do leptão carregado mais leve, o electrão. As interacções fracas são as responsáveis pelo decaimento de quarks e leptões pesados em quarks e leptões mais leves. Quando partículas fundamentais decaem observamos seu desaparecimento e sua substituição por duas ou mais partículas diferentes. Mesmo que o total de massa e energia seja conservado, um pouco da massa original da partícula é convertido em energia cinética, e as partículas resultantes sempre têm menos massa que a partícula original que decaiu. A única matéria estável ao nosso redor é composta dos menores quarks e leptões, que não podem mais decair. Quando um quark ou leptão muda de tipo (um muão transforma-se em um electrão, por exemplo) dizemos que ele mudou de sabor. Todas as mudanças de sabor são devidas à interacção fraca. As partículas transportadoras das interacções fracas são as partículas W+, W-, e a Z. As W são carregadas electricamente e a Z é neutra. O Modelo Padrão uniu as interacções electromagnética e fraca em uma interacção unificada chamada eletrofraca. 

Cada um dos quarks tem um "sabor" diferente. Esse é apenas um termo que os físicos usam para fazer distinção entre os seis tipos de quarks. Por exemplo, o sabor de um quark up é simplesmente "up". As interacções fracas carregadas podem mudar o sabor de uma partícula, e apenas as interacções fracas carregadas podem fazer isso. As interacções fracas que envolvem a partícula Z neutra não podem mudar o sabor de uma partícula. Os leptões também têm um sabor. Além disso, eles têm número de electrão, número de muão e número de tau, como já discutimos. Enquanto o sabor de um leptão é transformado por interacções fracas, o processo conserva os números de electrão, mão e tau. 

Electrofraca
No Modelo Padrão, as interacções fraca e electromagnética foram combinadas em uma teoria unificada, a eletrofraca. Os físicos acreditaram por muito tempo que as forças fracas estavam intimamente relacionadas com as forças electromagnéticas. Finalmente eles descobriram que, a distâncias muito curtas (cerca de 10^-18 metros), a força de interacção fraca é comparável à electromagnética. Por outro lado, a trinta vezes essa distância (3x10^-17 metros), a força de interacção fraca é 1/10.000 da interacção electromagnética. A distâncias típicas para quarks num protão ou neutrão (10^-15 metros), a força é ainda menor. Os físicos concluíram que, de fato, as forças fraca e electromagnética são essencialmente forças iguais. A diferença entre as duas forças é devida à grande diferença de massas entre as partículas W e Z, que são muito pesadas e o fotão, que não tem massa, até onde sabemos. A força associada à interacção depende tanto da massa da transportadora de força como da distância entre os objectos que interagem. 


Gravidade 
A gravidade é estranha. É claramente uma das interacções fundamentais, mas o Modelo Padrão não consegue explicá-la satisfatoriamente. É um desses problemas não resolvidos pela física até hoje. Além disso, a partícula transportadora da gravidade ainda não foi encontrada. Tal partícula, contudo, foi prevista e poderá ser encontrada um dia: o gravitão. Felizmente, os efeitos da gravidade são extremamente pequenos na maioria das situações em física de partículas, quando comparado aos das outras três interacções, assim, teoria e experimentos podem ser comparados sem incluir a gravidade nos cálculos. Portanto, o Modelo Padrão funciona mesmo sem explicar a gravidade. 

Física Quântica 
Uma das surpresas da ciência moderna é que os átomos e as partículas subatómicas não se comportam como nada do que vemos no nosso dia-a-dia. Eles não são pequenas esferas que ficam girando, eles têm propriedades de onda. A teoria do Modelo Padrão pode descrever matematicamente todas as características e interacções que vemos nessas partículas, porém, a nossa intuição do dia-a-dia não nos ajuda numa escala tão minúscula. Os físicos usam a palavra "quântico," que significa "partido em incrementos ou parcelas", para descrever a física das partículas minúsculas. Isso acontece porque certas propriedades podem ser usadas somente em valores discretos. Por exemplo, você pode apenas encontrar cargas eléctricas que são múltiplos inteiros da carga do electrão (ou 1/3 e 2/3 para quarks). A Física Quântica descreve a interacção das partículas. Estes são alguns números quânticos importantes das partículas:
Carga eléctrica: Os quarks podem ter carga eléctrica de 2/3 ou 1/3, porém formam somente composições de partículas com cargas eléctricas inteiras. Todas as outras partículas têm múltiplos inteiros da carga do electrão.
Carga de cor: Um quark transporta uma das três cargas de cor e um gluão transporta uma das oito cargas de cor-anticor. Todas as outras partículas têm cor neutra.
Sabor ou número de leptão: O sabor distingue os quarks uns dos outros, e o número de leptão distingue os leptões uns dos outros.
Spin: O spin é uma quantidade física esquisita, mas importante. Objectos grandes como os planetas podem ter um momento angular e um campo magnético por causa de sua rotação (spin); como as partículas parecem ter seu próprio momento angular e os seus pequenos momentos magnéticos, os físicos chamam essa propriedade de spin das partículas. O spin é quantizado em unidades de 0, 1/2, 1, 3/2 (multiplicado pela Constante de Planck) e assim por diante. 

O Princípio da Exclusão de Pauli 
Podemos usar as propriedades quânticas das partículas para classificar as partículas que encontramos. Durante algum tempo os físicos imaginaram que duas partículas no mesmo estado quântico nunca poderiam existir no mesmo lugar ao mesmo tempo. Isso é denominado o Princípio da Exclusão de Pauli e explica porque existe a química. Verificou-se, porém, desde a descoberta desse princípio que um certo grupo de partículas não obedece ao Princípio da Exclusão de Pauli. As partículas que obedecem são denominadas fermiões, e aquelas que não, são denominadas bosões. 

Fermiões
Um fermião é qualquer partícula que tenha um spin semi-inteiro (como 1/2, 3/2 e daí por diante). Quarks e leptões, são fermiões como a maioria das partículas compostas, como protões e neutrões. Por razões que ainda não entendemos, uma consequência do spin semi-inteiro é que os fermiões obedecem ao Princípio de Exclusão da Pauli, não podendo coexistir no mesmo estado e no mesmo local ao mesmo tempo.

Bosões 
Os bosões são as partículas que possuem um spin inteiro (0, 1, 2, 3...). Todas as partículas transportadoras de força são bosões, assim como quaisquer partículas compostas com um número par de fermiões (como os mesões).
O núcleo de um átomo pode ser um fermião ou um bosão, dependendo do número total de protões e neutrões ser ímpar ou par. Recentemente os físicos descobriram que isso causa alguns comportamentos estranhos em certos átomos sob condições incomuns, como por exemplo o hélio sob muito frio.

Sem comentários:

Enviar um comentário

Obrigado pelo seu comentário!