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33.4: Partículas, padrões e leis de conservação

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    Objetivos de

    Ao final desta seção, você poderá:

    • Defina matéria e antimatéria.
    • Descreva as diferenças entre hádrons e léptons.
    • Indique as diferenças entre mésons e bárions.

    No início da década de 1930, sabia-se que existia apenas um pequeno número de partículas subatômicas — o próton, o nêutron, o elétron, o fóton e, indiretamente, o neutrino. A natureza parecia relativamente simples em alguns aspectos, mas misteriosa em outros. Por que, por exemplo, a partícula que carrega carga positiva deve ser quase 2000 vezes mais massiva do que aquela que carrega carga negativa? Por que uma partícula neutra como o nêutron tem um momento magnético? Isso implica uma estrutura interna com uma distribuição de cargas móveis? Por que o elétron parece não ter outro tamanho além do comprimento de onda, enquanto o próton e o nêutron têm cerca de 1 fermi de tamanho? Então, embora o número de partículas conhecidas fosse pequeno e elas explicassem uma grande quantidade de fenômenos atômicos e nucleares, havia muitos fenômenos inexplicáveis e indícios de outras subestruturas.

    As coisas logo se tornaram mais complicadas, tanto na teoria quanto na previsão e descoberta de novas partículas. Em 1928, o físico britânico P.A.M. Dirac (Figura\(\PageIndex{1}\)) desenvolveu uma teoria quântica relativística de grande sucesso que lançou as bases da eletrodinâmica quântica (QED). Sua teoria, por exemplo, explicava o spin do elétron e o momento magnético de uma forma natural. Mas a teoria de Dirac também previu estados negativos de energia para elétrons livres. Em 1931, Dirac, junto com Oppenheimer, percebeu que essa era uma previsão de elétrons (ou pósitrons) carregados positivamente. Em 1932, o físico americano Carl Anderson descobriu o pósitron em estudos de raios cósmicos. O pósitron\(e^+\), ou, é a mesma partícula emitida na\(β^+\) decomposição e foi a primeira antimatéria descoberta. Em 1935, Yukawa previu os píons como portadores da forte força nuclear e eles foram finalmente descobertos. Os múons foram descobertos em experimentos com raios cósmicos em 1937 e pareciam ser versões pesadas e instáveis de elétrons e pósitrons. 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.

    Uma foto de um jovem Paul Dirac.
    Figura\(\PageIndex{1}\): A teoria da mecânica quântica relativista de P.A.M. Dirac não só explicou muito do que era conhecido, mas também previu a antimatéria. (crédito: Universidade de Cambridge, Laboratório Cavendish)

    Matéria e antimatéria

    O pósitron foi apenas o primeiro exemplo de antimatéria. Cada partícula na natureza tem uma contrapartida de antimatéria, embora algumas partículas, como o fóton, sejam suas próprias antipartículas. A antimatéria tem carga oposta à da matéria (por exemplo, o pósitron é positivo enquanto o elétron é negativo), mas é quase idêntica caso contrário, tendo a mesma massa, spin intrínseco, meia-vida e assim por diante. Quando uma partícula e sua contraparte antimatéria interagem, elas se aniquilam, geralmente convertendo totalmente suas massas em energia pura na forma de fótons, conforme visto na Figura\(\PageIndex{2}\).

    A imagem superior mostra um elétron e um pósitron colidindo de frente. A imagem inferior mostra uma imagem estelar explosiva da qual dois fótons estão emergindo em direções opostas.
    Figura\(\PageIndex{2}\): Quando uma partícula encontra sua antipartícula, ela se aniquila, geralmente produzindo energia pura na forma de fótons. Nesse caso, um elétron e um pósitron convertem toda a sua massa em dois raios de energia idênticos, que se afastam em direções opostas para manter o momento total zero como era antes. Aniquilações semelhantes ocorrem para outras combinações de uma partícula com sua antipartícula, às vezes produzindo mais partículas e obedecendo a todas as leis de conservação.

    Partículas neutras, como nêutrons, têm contrapartes neutras de antimatéria, que também se aniquilam quando interagem. Certas partículas neutras são suas próprias antipartículas e vivem vidas correspondentemente curtas. Por exemplo, o píon neutro\(π^0\) é sua própria antipartícula e tem uma meia-vida cerca de\(10^{−8}\) menor que\(π^+\) e\(π^−\), que são as antipartículas um do outro. Sem exceção, a natureza é simétrica — todas as partículas têm equivalentes de antimatéria. Por exemplo, antiprótons e antineutrons foram criados pela primeira vez em experimentos com aceleradores em 1956 e o antipróton é negativo. Átomos de antihidrogênio, consistindo de um antipróton e antielétron, também foram observados em 1995 no CERN. É possível conter partículas de antimatéria em grande escala, como antiprótons, usando armadilhas eletromagnéticas que confinam as partículas dentro de um campo magnético para que não se aniquilem com outras partículas. No entanto, partículas com a mesma carga se repelem, então quanto mais partículas estão contidas em uma armadilha, mais energia é necessária para alimentar o campo magnético que as contém. Atualmente, não é possível armazenar uma quantidade significativa de antiprótons. De qualquer forma, agora vemos que a carga negativa está associada a partículas de baixa massa (elétrons) e de alta massa (antiprótons) e a aparente assimetria não existe. Mas esse conhecimento levanta outra questão: por que existe tanta predominância de matéria e tão pouca antimatéria? As possíveis explicações surgem posteriormente neste e no próximo capítulo.

    Hádrons e léptons

    As partículas também podem ser agrupadas de forma reveladora de acordo com as forças que sentem entre elas. Todas as partículas (mesmo aquelas sem massa) são afetadas pela gravidade, pois a gravidade afeta o espaço e o tempo em que as partículas existem. Todas as partículas carregadas são afetadas pela força eletromagnética, assim como as partículas neutras que têm uma distribuição interna de carga (como o nêutron com seu momento magnético). Nomes especiais são dados às partículas que sentem as forças nucleares fortes e fracas. Os hádrons são partículas que sentem a força nuclear forte, enquanto os léptons são partículas que não sentem. O próton, o nêutron e os píons são exemplos de hádrons. O elétron, o pósitron, os múons e os neutrinos são exemplos de léptons, cujo nome significa baixa massa. Os léptons sentem a fraca força nuclear. Na verdade, todas as partículas sentem a fraca força nuclear. Isso significa que os hádrons se distinguem por serem capazes de sentir tanto as forças nucleares fortes quanto as fracas.

    A tabela\(\PageIndex{1}\) lista as características de algumas das partículas subatômicas mais importantes, incluindo as partículas transportadoras diretamente observadas para as forças eletromagnéticas e nucleares fracas, todos os léptons e alguns hádrons. Várias dicas relacionadas a uma subestrutura subjacente emergem de um exame dessas características das partículas. Observe que as partículas transportadoras são chamadas de bósons de calibre. Mencionado pela primeira vez em Padrões em Espectros Revelam Mais Quantização, um bóson é uma partícula com zero ou um valor inteiro de spin intrínseco (como s = 0, 1, 2,...), enquanto um férmion é uma partícula com um valor meio inteiro de spin intrínseco (s = 1/2,3/2,...). Os férmions obedecem ao princípio de exclusão de Pauli, enquanto os bósons não. Todas as partículas portadoras conhecidas e conjecturadas são bósons.

    Tabela\(\PageIndex{1}\): Características das partículas selecionadas
    Categoria Nome da partícula Símbolo Antipartícula Massa de descanso B \(L_e\) \(L_μ\) \(L_τ\) S Vida (s)
    Calibre Fóton
    γ    		 Self 0 0 \ (L_e\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_μ\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 0 Estável
    Bósons \(W\) \(W^+\) \ (W^
    −
    \)    		 \ (
    80,39 × 10^3\)    		 0 \ (L_e\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_μ\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 0 \ (
    1,6 × 10^ {−25}\)
    \(Z\) \(z^0\) Self \ (
    90,19 × 10^3\)    		 0 \ (L_e\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_μ\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 0 \ (
    1,32×10^ {−25}\)
    Léptons Elétron \ (
    e^−\)
    \(e^+\)    		 0,511 0 \ (L_e\)” style="alinhamento vertical: médio; ">\ (
    ±1\)    		 \ (L_μ\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 0 Estável
    Neutrino (e)
    \(ν_e\)    		 \(\bar{ν_e}\) 0 (7,0 eV) 0 \ (L_e\)” style="alinhamento vertical: médio; ">\ (
    ±1\)    		 \ (L_μ\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 0 Estável
    Múon \(μ^−\) \(μ^+\) 105,7 0 \ (L_e\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_μ\)” style="alinhamento vertical: médio; ">\ (
    ±1\)    		 \ (L_\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 0 \ (
    2,20×10^ {−6}\)
    Neutrino
    (\(μ\))
    \(v_μ\)    		 \(\bar{v_μ}\) 0 (<0,27) 0 \ (L_e\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_μ\)” style="alinhamento vertical: médio; ">\ (
    ±1\)    		 \ (L_\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 0 Estável
    Tau
    \(τ^−\)    		 \ (
    mt^+\)    		 1777 0 \ (L_e\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_μ\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_\)” style="alinhamento vertical: médio; ">\ (
    ±1\)    		 0 \ (
    2,91×10^ {−13}\)
    Neutrino
    (\(τ\))
    \(v_τ\)
    \(\bar{v_τ}\)    		 0 (<31) 0 \ (L_e\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_μ\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_\)” style="alinhamento vertical: médio; ">\ (
    ±1\)    		 0 Estável
    Hádrons (selecionados)
    Mésons Pion \ (
    π ^+\)    		 \ (
    π ^−\)    		 139,6 0 \ (L_e\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_μ\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 0 \(2.60 × 10^{−8}\)
    \ (
    π ^0\)    		 Self 135,0 0 \ (L_e\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_μ\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 0 \(8.4 × 10^{−17}\)
    Kaon \ (
    K^+\)    		 \ (
    K^−\)    		 493,7 0 \ (L_e\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_μ\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (
    ±1\)    		 \(1.24 × 10^{−8}\)
    \ (
    K^0\)    		 \ (
    \ bar {K} ^0\)    		 497.6 0 \ (L_e\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_μ\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (
    ±1\)    		 \(0.90 × 10^{−10}\)
    Eta \(η^0\) Self 547,9 0 \ (L_e\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_μ\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 0 \(2.53 × 10^{−19}\)
    (muitos outros mésons conhecidos)
    Bárions Pronton \(p\) \(\bar{p}\) 938,3 \ (
    ±1\)    		 \ (L_e\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_μ\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 0 Estável
    Nêutron \(n\) \(\bar{n}\) 936,6 \ (
    ±1\)    		 \ (L_e\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_μ\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 0 882
    Lambda
    \(Λ^0\)    		 \(\bar{Λ}^0\) 1115,7 \(±1\) \ (L_e\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_μ\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \(±1\) \(2.63 × 10^{−10}\)
    Sigma
    \(Σ^+\)    		 \(\bar{Σ}^−\) 1189,4 \(±1\) \ (L_e\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_μ\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \(±1\) \(0.80 × 10^{−10}\)
    \(Σ^0\) \(\bar{Σ}^0\) 1192,6 \(±1\) \ (L_e\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_μ\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \(±1\) \(7.4 × 10^{−20}\)
    \(Σ^−\) \(\bar{Σ}^+\) 1197,4 \(±1\) \ (L_e\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_μ\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \(±1\) \(1.48 × 10^{−10}\)
    Xi \ (
    ^0\)    		 \ (
    \ bar {} ^−\)    		 1314,9 \(±1\) \ (L_e\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_μ\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \(±2\) \(2.90 × 10^{−10}\)
    \ (
    ^−\)    		 \ (
    ^+\)    		 1321.7 \(±1\) \ (L_e\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_μ\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \(±2\) \(1.64 × 10^{−10}\)
    ômega \(Ω^−\) \(Ω^+\) 1672,5 \(±1\) \ (L_e\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_μ\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \ (L_\)” style="alinhamento vertical: médio; ">0 \(±3\) \(0.82 × 10^{−10}\)
    (muitos outros bárions conhecidos)
    A massa de repouso está em unidades de (\(MeV/c^2\)).

    Todos os léptons conhecidos estão listados na tabela acima. Existem apenas seis léptons (e suas antipartículas), e eles parecem ser fundamentais porque não têm uma estrutura subjacente aparente. Os léptons não têm tamanho discernível além do comprimento de onda, então sabemos que eles são pontuais até cerca de\(10^{−18}m\). Os léptons se dividem em três famílias, o que implica três leis de conservação para três números quânticos. Um deles era conhecido pelo decaimento β, onde a existência do neutrino do elétron implicava que um novo número quântico, chamado número da família de elétrons, fosse\(L_e\) conservado. Assim, em\(β\) decaimento, o neutrino de um antielétron\(\bar{v_e}\) deve ser criado\(L_e=−1\) quando um elétron com\(L_e=+1\) é criado, para que o total permaneça 0 como era antes do decaimento.

    Uma vez que o múon foi descoberto nos raios cósmicos, descobriu-se que seu modo de decaimento era

    \[μ^−→e^−+\bar{v_e}+v_μ\]

    o que implicava outra “família” e um princípio de conservação associado. A partícula vμ é um neutrino de múon e é criada para conservar o número da família de múons\(L_μ\). Portanto, os múons são léptons com uma família própria, e a conservação do total\(L_μ\) também parece ser obedecida em muitos experimentos.

    Mais recentemente, uma terceira família de léptons foi descoberta quando partículas de foram criadas e observadas como decaindo de maneira semelhante aos múons. Um modo de decaimento principal é

    \[τ^−→μ^−+\bar{v_μ}+v_τ\]

    A conservação do total\(L_τ\) parece ser outra lei obedecida em muitos experimentos. De fato, experimentos com partículas descobriram que o número da família leptônica não é universalmente conservado, devido às “oscilações” de neutrinos ou transformações de neutrinos de um tipo de família para outro.

    Mésons e bárions

    Agora, observe que os hádrons na tabela acima são divididos em dois subgrupos, chamados mésons (originalmente para massa média) e bárions (o nome originalmente significava grande massa). A divisão entre mésons e bárions é, na verdade, baseada em seus modos de decaimento observados e não está estritamente associada às suas massas. Mésons são hádrons que podem decair em léptons e não deixar hádrons, o que implica que os mésons não são conservados em número. Os bárions são hádrons que sempre se decompõem para outro bárion. Uma nova quantidade física chamada número bariônico\(B\) parece estar sempre conservada na natureza e está listada para as várias partículas na tabela fornecida acima. Mésons e léptons têm\(B=0\) para que possam se decompor em outras partículas com\(B=0\). Mas os bárions têm,\(B=+1\) se forem matéria e\(B=−1\) se forem antimatéria. A conservação do número total de bárions é uma regra mais geral do que a observada pela primeira vez na física nuclear, onde foi observado que o número total de nucleons sempre foi conservado em reações e decaimentos nucleares. Essa regra na física nuclear é apenas uma consequência da conservação do número total de bárions.

    Forças, reações e taxas de reação

    As forças que atuam entre as partículas regulam a forma como elas interagem com outras partículas. Por exemplo, os píons sentem a força forte e não penetram tanto na matéria quanto os múons, que não sentem a força forte. (Foi assim que aqueles que descobriram o múon sabiam que não poderia ser a partícula que carrega a força forte — sua penetração ou alcance eram grandes demais para que ele sentisse a força forte.) Da mesma forma, reações que criam outras partículas, como raios cósmicos interagindo com núcleos na atmosfera, têm maior probabilidade se forem causadas pela força forte do que se forem causadas pela força fraca. Esse conhecimento tem sido útil para os físicos ao analisar as partículas produzidas por vários aceleradores.

    As forças experimentadas pelas partículas também governam como as partículas interagem consigo mesmas se forem instáveis e decaírem. Por exemplo, quanto mais forte a força, mais rápido elas se decompõem e menor é sua vida útil. Um exemplo de decaimento nuclear por meio da força forte é\(^8Be→α+α\) com uma vida útil de cerca de\(10^{−16}s\). O nêutron é um bom exemplo de decaimento por meio da força fraca. O processo\(n→p+e^−+\bar{v_e}\) tem uma vida útil mais longa de 882 s. A força fraca causa esse decaimento, pois tudo\(β\) decai. Uma pista importante de que a força fraca é responsável pela\(β\) decomposição é a criação de léptons, como\(e^−\)\(\bar{v_e}\) e. Nenhum seria criado se a força forte fosse responsável, assim como nenhum lépton é criado na decomposição de\(^8Be\). A sistemática da vida útil das partículas é um pouco mais simples do que a vida útil nuclear quando centenas de partículas são examinadas (não apenas as da tabela dada acima). Partículas que decaem por meio da força fraca têm vida útil principalmente na faixa de\(10^{−16}\) até\(10^{−12}\) s, enquanto aquelas que decaem pela força forte têm vida útil principalmente na faixa de\(10^{−16}\) até\(10^{−23}\) s. Girando isso, se medirmos a vida útil de uma partícula, podemos dizer se ela decai através da força fraca ou forte.

    Ainda outro número quântico surge da vida útil e dos padrões de decaimento. Observe que as partículas\(Λ,Σ,Ξ,\)\(Ω\) decaem com vidas na ordem de\(10^{−10}\) s (a exceção é\(Σ^0\), cuja curta vida útil é explicada por sua subestrutura particular de quarks.), o que implica que sua deterioração é causada apenas pela força fraca, embora sejam hádrons e sintam o forte força. Os modos de decaimento dessas partículas também mostram padrões - em particular, certos decaimentos que deveriam ser possíveis dentro de todas as leis de conservação conhecidas não ocorrem. Sempre que algo for possível em física, isso acontecerá. Se algo não acontecer, é proibido por uma regra. Tudo isso parecia estranho para aqueles que estudavam essas partículas quando elas foram descobertas pela primeira vez, então eles chamaram um novo número quântico de estranheza, dado o símbolo\(S\) na tabela dada acima. Os valores de estranheza atribuídos a várias partículas são baseados na sistemática de decaimento. Verifica-se que a estranheza é conservada pela força forte, que governa a produção da maioria dessas partículas em experimentos com aceleradores. No entanto, a estranheza não é conservada pela força fraca. Essa conclusão é alcançada pelo fato de que partículas que têm vida útil longa se decompõem por meio da força fraca e não conservam a estranheza. Tudo isso também tem implicações para as partículas transportadoras, pois elas transmitem forças e, portanto, estão envolvidas nesses decaimentos.

    Exemplo\(\PageIndex{1}\): Calculating Quantum Numbers in Two Decays

    1. O modo de decaimento mais comum da\(Ξ^−\) partícula é\(Ξ^−→Λ^0+π^−\). Usando os números quânticos na tabela dada acima, mostre que a estranheza muda em 1, o número de bárions e a carga são conservados e os números da família dos léptons não são afetados.
    2. O decaimento é\(K^+→μ^++ν_μ\) permitido, dados os números quânticos na tabela dada acima?

    Estratégia

    Na parte (a), as leis de conservação podem ser examinadas adicionando os números quânticos dos produtos de decaimento e comparando-os com a partícula original. Na parte (b), o mesmo procedimento pode revelar se uma lei de conservação foi violada ou não.

    Solução para (a)

    Antes da decadência, o\(Ξ^−\) tem estranheza\(S=−2\). Depois da decadência, a estranheza total é\(–1\) para o\(Λ^0\), mais 0 para\(π^−\) o. Assim, a estranheza total passou de —2 para —1 ou uma mudança de +1. O número de bárions para o\(Ξ^−\) é\(B=+1\) antes da decadência, e após a decadência o\(Λ^0\) tem\(B=+1\) e o\(π^−\) tem\(B=0\) para que o número total de bárions permaneça\(+1\). A carga é\(–1\) antes da deterioração, e a carga total depois também é\(0−1=−1\). Os números de léptons para todas as partículas são zero e, portanto, os números de léptons são conservados.

    Discussão para (a)

    A\(Ξ^−\) deterioração é causada pela interação fraca, uma vez que a estranheza muda, e é consistente com a\(1.64×10^{−10}-s\) vida útil relativamente longa do\(Ξ^−\).

    Solução para (b)

    O decaimento\(K^+→μ^++ν)μ\) é permitido se a carga, o número de bárions, a energia de massa e os números de lépton forem conservados. A estranheza pode mudar devido à interação fraca. A carga é conservada como\(s→d\). O número de bárions é conservado, já que todas as partículas têm\(B=0\). A energia de massa é conservada no sentido de que\(K^+\) tem uma massa maior do que os produtos, de modo que a decomposição pode ser espontânea. Os números da família Lepton são conservados em 0 para o elétron e a família tau para todas as partículas. O número da família dos múons é\(L_μ=0\) antes e\(L_μ=−1+1=0\) depois. A estranheza muda de\(+1\) antes para 0 + 0 depois, para uma alteração permitida de 1. A deterioração é permitida por todas essas medidas.

    Discussão para (b)

    Esse decaimento não é permitido apenas por nosso cálculo, é, de fato, o principal modo de decaimento do\(K^+\) méson e é causado pela força fraca, consistente com a longa\(1.24×10^{−8}-s\) vida útil.

    Existem centenas de partículas, todas hádrons, não listadas na Tabela\(\PageIndex{1}\), a maioria das quais tem vida útil mais curta. A sistemática da vida útil dessas partículas, suas probabilidades de produção e produtos de decaimento são completamente consistentes com as leis de conservação conhecidas para famílias de léptons, número de bárions e estranheza, mas também implicam outros números quânticos e leis de conservação. Há um número finito e, de fato, relativamente pequeno, dessas quantidades conservadas, no entanto, implicando um conjunto finito de subestruturas. Além disso, algumas dessas partículas de vida curta se assemelham aos estados excitados de outras partículas, o que implica uma estrutura interna. Todo esse quebra-cabeça pode ser amarrado e explicado de forma relativamente simples pela existência de subestruturas fundamentais. Os léptons parecem ser estruturas fundamentais. Os hádrons parecem ter uma subestrutura chamada quarks. Quarks: Isso é tudo o que existe? explora os fundamentos dos blocos de construção do quark subjacentes.

    A imagem mostra uma foto do físico Murray Gell Mann, que parece um simpático cavalheiro de cabelos brancos.
    Figura\(\PageIndex{3}\): Murray Gell-Mann (nascido em 1929) propôs os quarks como uma subestrutura dos hádrons em 1963 e já era conhecido por seu trabalho sobre o conceito de estranheza. Embora os quarks nunca tenham sido observados diretamente, várias previsões do modelo de quarks foram rapidamente confirmadas e suas propriedades explicam todas as características conhecidas dos hádrons. Gell-Mann recebeu o Prêmio Nobel em 1969. (crédito: Luboš Motl)

    Resumo

    • Todas as partículas de matéria têm uma contraparte antimatéria que tem a carga oposta e alguns outros números quânticos, conforme visto na Tabela. Esses pares de matéria-antimatéria são muito semelhantes, mas se aniquilarão quando reunidos. As partículas conhecidas podem ser divididas em três grupos principais: léptons, hádrons e partículas transportadoras (bósons de calibre).
    • Os léptons não sentem a força nuclear forte e são divididos em três grupos: família de elétrons designada pelo número da família de elétrons\(L_e\); família de múons designada pelo número da família de múons\(L_μ\); e família tau designada pelo número da família tau\(L_τ\). Os números das famílias não são universalmente conservados devido às oscilações dos neutrinos.
    • Os hádrons são partículas que sentem a forte força nuclear e são divididas em bárions, com o número da família bariônica\(B\) sendo conservado, e mésons.

    Glossário

    bóson
    partícula com zero ou um valor inteiro de spin intrínseco
    bárions
    hádrons que sempre se decompõem para outro bárion
    número bariônico
    uma quantidade física conservada que é zero para mésons e léptons e ±1 para bárions e antibárions, respectivamente
    conservação do número total de bárions
    uma regra geral baseada na observação de que o número total de nucleons sempre foi conservado em reações e decaimentos nucleares
    conservação do número total da família de elétrons
    uma regra geral afirmando que o número total da família de elétrons permanece o mesmo por meio de uma interação
    conservação do número total da família de múons
    uma regra geral afirmando que o número total da família de múons permanece o mesmo por meio de uma interação
    número da família de elétrons
    o número ±1 que é atribuído a todos os membros da família de elétrons, ou o número 0 que é atribuído a todas as partículas que não estão na família de elétrons
    férmion
    partícula com um valor meio inteiro de spin intrínseco
    bóson de calibre
    partícula que carrega uma das quatro forças
    hádrons
    partículas que sentem a forte força nuclear
    léptons
    partículas que não sentem a força nuclear forte
    méson
    hádrons que podem se transformar em léptons e não deixar hádrons
    número da família muon
    o número ±1 que é atribuído a todos os membros da família dos múons, ou o número 0 que é atribuído a todas as partículas que não estão na família dos múons
    estranheza
    uma quantidade física atribuída a várias partículas com base na sistemática de decaimento
     
    número da família tau
    o número ±1 que é atribuído a todos os membros da família tau, ou o número 0 que é atribuído a todas as partículas que não estão na família tau