33: Física de partículas
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A física de partículas (ou física de alta energia) estuda a natureza das partículas que constituem matéria (partículas com massa) e radiação (partículas sem massa). Embora a palavra “partícula” possa se referir a vários tipos de objetos muito pequenos (por exemplo, prótons, partículas de gás ou mesmo poeira doméstica), a “física de partículas” geralmente investiga as partículas detectáveis irredutivelmente menores e os campos de força irredutivelmente fundamentais necessários para explicá-las.
- 33.0: Prelúdio da Física de Partículas
- Em seu estudo, encontramos um número relativamente pequeno de átomos com propriedades sistemáticas que explicaram uma enorme variedade de fenômenos. A física nuclear se preocupa com os núcleos dos átomos e suas subestruturas. Aqui, um número menor de componentes — o próton e o nêutron — compõem todos os núcleos. Explorar o comportamento sistemático de suas interações revelou ainda mais sobre matéria, forças e energia.
- 33.1: A partícula de Yukawa e o princípio da incerteza de Heisenberg revisitados
- A física de partículas como a conhecemos hoje começou com as ideias de Hideki Yukawa em 1935. Yukawa estava interessada na forte força nuclear em particular e encontrou uma maneira engenhosa de explicar seu curto alcance. Sua ideia é uma mistura de partículas, forças, relatividade e mecânica quântica que é aplicável a todas as forças. Yukawa propôs que a força é transmitida pela troca de partículas (chamadas partículas transportadoras). O campo consiste nessas partículas transportadoras.
- 33.2: As Quatro Forças Básicas
- Existem apenas quatro forças básicas distintas em toda a natureza. Esse é um número notavelmente pequeno, considerando a miríade de fenômenos que eles explicam. A física de partículas está intimamente ligada a essas quatro forças. Certas partículas fundamentais, chamadas partículas transportadoras, carregam essas forças, e todas as partículas podem ser classificadas de acordo com qual das quatro forças elas sentem.
- 33.3: Aceleradores criam matéria a partir da energia
- O processo fundamental na criação de partículas até então desconhecidas é acelerar partículas conhecidas, como prótons ou elétrons, e direcionar um feixe delas em direção a um alvo. Se a energia das partículas recebidas for grande o suficiente, às vezes é criada nova matéria na colisão. Limitações são impostas ao que pode ocorrer por leis de conservação conhecidas, como conservação de energia de massa, impulso e carga. Ainda mais interessantes são as limitações desconhecidas fornecidas pela natureza.
- 33.4: Partículas, padrões e leis de conservação
- Após a Segunda Guerra Mundial, aceleradores energéticos o suficiente para criar essas partículas foram construídos. Não só foram criadas partículas preditas e conhecidas, mas muitas partículas inesperadas foram observadas. Inicialmente chamadas de partículas elementares, seus números proliferaram para dezenas e depois centenas, e o termo “zoológico de partículas” tornou-se o lamento do físico pela falta de simplicidade. Mas padrões foram observados no zoológico de partículas que levaram à simplificação de ideias, como quarks, como veremos em breve.
- 33.5: Quarks - Isso é tudo o que existe?
- Os quarks foram mencionados em vários pontos deste texto como blocos de construção fundamentais e membros do clube exclusivo de partículas verdadeiramente elementares. Observe que uma partícula elementar ou fundamental não tem subestrutura (não é feita de outras partículas) e não tem tamanho finito além de seu comprimento de onda. Isso não significa que as partículas fundamentais sejam estáveis — algumas decaem, enquanto outras não. Lembre-se de que todos os léptons parecem ser fundamentais, enquanto nenhum hádron é fundamental.
- 33.6: GuTS - A Unificação das Forças
- A busca por uma teoria correta ligando as quatro forças fundamentais, chamada de Grande Teoria Unificada (GUT), é explorada nesta seção no domínio da física de partículas. Frontiers of Physics expande a história ao fazer uma conexão com a cosmologia, na extremidade oposta da escala de distância.
Miniatura: Neste diagrama de Feynman, um elétron e um apositron se aniquilam, produzindo um fóton (representado pela onda senoidal azul) que se torna um par quark-antiquark, após o qual o antiquark irradia um glúon (representado pela hélice verde). (CC-SA-BY 2.5; Joel Holdsworth).