11.2: Introdução à Física de Partículas

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Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

Descreva as quatro forças fundamentais e quais partículas participam delas
Identifique e descreva férmions e bósons
Identifique e descreva as famílias de quarks e léptons
Faça a distinção entre partículas e antipartículas e descreva suas interações

A física elementar de partículas é o estudo das partículas fundamentais e suas interações na natureza. Aqueles que estudam física elementar de partículas — os físicos de partículas — diferem dos outros físicos na escala dos sistemas que estudam. Um físico de partículas não se contenta em estudar o mundo microscópico de células, moléculas, átomos ou mesmo núcleos atômicos. Eles estão interessados em processos físicos que ocorrem em escalas ainda menores que os núcleos atômicos. Ao mesmo tempo, eles envolvem os mistérios mais profundos da natureza: como o universo começou? O que explica o padrão de massas no universo? Por que há mais matéria do que antimatéria no universo? Por que a energia e o momentum são conservados? Como o universo evoluirá?

Quatro forças fundamentais

Um passo importante para responder a essas perguntas é entender as partículas e suas interações. As interações entre partículas são expressas em termos de quatro forças fundamentais. Em ordem decrescente de força, essas forças são a força nuclear forte, a força eletromagnética, a força nuclear fraca e a força gravitacional.

Força nuclear forte. A força nuclear forte é uma força atrativa muito forte que atua apenas em distâncias muito curtas (aproximadamente\(10^{-15}m\)). A forte força nuclear é responsável por unir prótons e nêutrons nos núcleos atômicos. Nem todas as partículas participam da força nuclear forte; por exemplo, elétrons e neutrinos não são afetados por ela. Como o nome sugere, essa força é muito mais forte do que as outras forças.
Força eletromagnética. A força eletromagnética pode atuar em distâncias muito grandes (tem um alcance infinito), mas tem apenas 1/100 da força nuclear forte. Diz-se que as partículas que interagem por meio dessa força têm “carga”. Na teoria clássica da eletricidade estática (lei de Coulomb), a força elétrica varia como o produto das cargas das partículas em interação e como o quadrado inverso das distâncias entre elas. Em contraste com a força forte, a força eletromagnética pode ser atraente ou repulsiva (cargas opostas se atraem e cargas semelhantes se repelem). A força magnética depende de uma forma mais complicada das cargas e de seus movimentos. A unificação da força elétrica e magnética em uma única força eletromagnética (uma conquista de James Clerk Maxwell) é uma das maiores conquistas intelectuais do século XIX. Essa força é fundamental para modelos científicos de estrutura atômica e ligação molecular.
Força nuclear fraca. A força nuclear fraca atua em distâncias muito curtas\((10^{-15}m)\) e, como o próprio nome sugere, é muito fraca. É mais ou menos\(10^{-6}\) a força da forte força nuclear. Essa força se manifesta principalmente em decaimentos de partículas elementares e interações de neutrinos. Por exemplo, o nêutron pode decair para um neutrino de próton, elétron e elétron por meio da força fraca. A força fraca é de vital importância porque é essencial para entender a nucleossíntese estelar — o processo que cria novos núcleos atômicos nos núcleos das estrelas.
Força gravitacional. Como a força eletromagnética, a força gravitacional pode atuar em distâncias infinitamente grandes; no entanto, é\(10^{-38}\) tão forte quanto a força nuclear forte. Na teoria clássica da gravidade de Newton, a força da gravidade varia como o produto das massas das partículas que interagem e como o quadrado inverso da distância entre elas. Essa força é uma força atrativa que atua entre todas as partículas com massa. Nas teorias modernas da gravidade, esse comportamento da força é considerado um caso especial para interações macroscópicas de baixa energia. Em comparação com as outras forças da natureza, a gravidade é de longe a mais fraca.

As forças fundamentais podem não ser verdadeiramente “fundamentais”, mas podem, na verdade, ser aspectos diferentes da mesma força. Assim como as forças elétricas e magnéticas foram unificadas em uma força eletromagnética, os físicos na década de 1970 unificaram a força eletromagnética com a força nuclear fraca em uma força eletrofraca. Qualquer teoria científica que tente unificar a força eletrofraca e a força nuclear forte é chamada de grande teoria unificada, e qualquer teoria que tente unificar todas as quatro forças é chamada de teoria de tudo. Retornaremos ao conceito de unificação mais adiante neste capítulo.

Classificações de partículas elementares

Existe um grande número de partículas subatômicas na natureza. Essas partículas podem ser classificadas de duas maneiras: a propriedade de rotação e a participação nas quatro forças fundamentais. Lembre-se de que a rotação de uma partícula é análoga à rotação de um objeto macroscópico em torno de seu próprio eixo. Esses tipos de classificação são descritos separadamente abaixo.

Classificação por rotação

Partículas de matéria podem ser divididas em férmion s e bóson s. Os férmions têm rotação semi-integral\((\frac{1}{2}\hbar, \frac{1}{2}\hbar,. . . )\) e os bósons têm rotação integral\((0\hbar, 1\hbar, 2\hbar, . . . )\).

Exemplos familiares de férmions são elétrons, prótons e nêutrons. Um exemplo familiar de bóson é um fóton. Férmions e bósons se comportam de maneira muito diferente em grupos. Por exemplo, quando os elétrons estão confinados a uma pequena região do espaço, o princípio de exclusão de Pauli afirma que dois elétrons não podem ocupar o mesmo estado de mecânica quântica. No entanto, quando os fótons estão confinados a uma pequena região do espaço, essa limitação não existe.

O comportamento de férmions e bósons em grupos pode ser entendido em termos da propriedade de indistinguibilidade. Diz-se que as partículas são “indistinguíveis” se forem idênticas umas às outras. Por exemplo, os elétrons são indistinguíveis porque cada elétron no universo tem exatamente a mesma massa e rotação de todos os outros elétrons — “quando você vê um elétron, você vê todos eles”. Se você trocar duas partículas indistinguíveis na mesma pequena região do espaço, o quadrado da função de onda que descreve esse sistema e pode ser medido\((|\psi|^2)\) permanece inalterado. Se não fosse esse o caso, poderíamos dizer se as partículas haviam sido trocadas ou não e se a partícula não seria realmente indistinguível. Férmions e bósons diferem pelo fato de o sinal da função de onda\((\psi)\) - não diretamente observável - mudar:

\[\psi \rightarrow - \psi \, (indistinguishable \, fermions), \nonumber \]

\[\psi \rightarrow + \psi \, (indistinguishable \, bosons). \nonumber \]

Diz-se que os férmions são “antisimétricos na troca” e os bósons são “simétricos na troca”. O princípio de exclusão de Pauli é uma consequência da simetria de troca de férmions — uma conexão desenvolvida em um curso mais avançado de física moderna. A estrutura eletrônica dos átomos é baseada no princípio de exclusão de Pauli e, portanto, está diretamente relacionada à indistinguibilidade dos elétrons.

Classificação por interações de força

Os férmions podem ser ainda divididos em quark s e lepton s. A principal diferença entre esses dois tipos de partículas é que os quarks interagem por meio da força forte e os léptons não. Quarks e léptons (bem como bósons a serem discutidos posteriormente) estão organizados na Figura\(\PageIndex{1}\). As duas linhas superiores (as três primeiras colunas em roxo) contêm seis quarks. Esses quarks são organizados em duas famílias de partículas: up, charm e top (u, c, t), e down, strange e bottom (d, s, b). Membros da mesma família de partículas compartilham as mesmas propriedades, mas diferem na massa (dada em\(MeV/c^2\)). Por exemplo, a massa do quark superior é muito maior do que o quark de charme, e a massa do quark de charme é muito maior do que o quark up. Todos os quarks interagem uns com os outros por meio da forte força nuclear.

Esta é uma tabela com quatro linhas e quatro colunas. As três primeiras células na primeira e na segunda fileiras são rotuladas como quarks. As três primeiras células na terceira e quarta fileiras são rotuladas como léptons. A última coluna é rotulada como bósons, forças. Cada célula tem o nome de uma partícula, é símbolo, massa, carga e rotação. Na primeira linha, esses valores, nessa ordem, são: célula um: up, u, 2.4 MeV, 2 por 3, 1 por 2; célula dois: charm, c, 1,27 GeV, 2 por 3, 1 por 2; célula três, top, t, 171,2 GeV, 2 por 3, 1 por 2; célula quatro: fóton, gama, 0, 0, 1. Na linha dois, esses valores, nessa ordem, são: célula um: abaixo, d, 4,8 MeV, menos 1 por 3, 1 por 2; célula dois: estranho, s, 104 MeV, menos 1 por 3, 1 por 2; célula três: inferior, b, 4,2 GeV, menos 1 por 3, 1 por 2; célula quatro: glúon, 0, 0, 1. Na linha três, esses valores, nessa ordem, são: célula um: neutrino eletrônico, v subscrito e, menor que 2,2 eV, 0, 1 por 2; célula dois: neutrino de múon, v subscrito mu, menor que 0,17 MeV, 0, 1 por 2; célula três: neutrino tau, v subscrito tau, menor que 15,5 MeV, 0, 1 por 2; célula quatro: força fraca, z aumentado para 0, 91,2 GeV, 0,1. Na linha quatro, esses valores, nessa ordem, são: célula um: elétron, e, 0,511 MeV, menos 1, 1 por 2; célula dois: muon, mu, 105,7 MeV, menos 1, 1 por 2; célula três: tau, tau, 1,777 GeV, menos 1, 1 por 2; força fraca, w mais menos, 80,4 GeV, mais nós 1, 1. — Figura\(\PageIndex{1}\): As famílias de partículas subatômicas, categorizadas pelos tipos de forças com as quais elas interagem. (crédito: modificação do trabalho por “MissMJ” /Wikimedia Commons)

A matéria comum consiste em dois tipos de quarks: o quark ascendente (carga elementar\(q = +2/3\)) e o quark descendente (\(q = -1/3\)). Os quarks mais pesados são instáveis e se decompõem rapidamente para os mais leves por meio da força fraca. Os quarks se unem em grupos de dois e três chamados hádrons s por meio da força forte. Os hádrons que consistem em dois quarks são chamados de mésons, e aqueles que consistem em três quarks são chamados de bárions. Exemplos de mésons incluem o píon e o kaon, e exemplos de bárions incluem o próton e o nêutron familiares. Um próton é dois quarks ascendentes e um quark descendente\((p = uud, \, q = +1)\) e um nêutron é um quark ativo e dois quarks descendentes (\(n = udd, \, q = 0\)). As propriedades das amostras de mésons e bárions são dadas na Tabela\(\PageIndex{1}\). Os quarks participam de todas as quatro forças fundamentais: fortes, fracas, eletromagnéticas e gravitacionais.

As duas linhas inferiores da figura (em verde) contêm seis léptons dispostos em duas famílias de partículas: elétron, múon e tau (\(e, \mu, \tau\)), e neutrino eletrônico, neutrino de múon e neutrino tau (\(\nu_e, \nu_{\mu}, \nu_T\)).

O múon é mais de 200 vezes mais pesado que um elétron, mas é semelhante ao elétron. O tau é cerca de 3500 vezes mais pesado que o elétron, mas é semelhante ao múon e ao elétron. Uma vez criados, o múon e o tau se decompõem rapidamente em partículas mais leves por meio da força fraca. Os léptons não participam da força forte. Quarks e léptons serão discutidos mais adiante neste capítulo. Os léptons participam das forças fracas, eletromagnéticas e gravitacionais, mas não participam da força forte.

Os bósons (mostrados em vermelho) são os portadores de força dos férmions. Nesse modelo, léptons e quarks interagem entre si enviando e recebendo bósons. Por exemplo, a interação coulombica ocorre quando duas partículas carregadas positivamente enviam e recebem (trocam) fótons. Diz-se que os fótons “carregam” a força entre as partículas carregadas. Da mesma forma, a atração entre dois quarks em um núcleo atômico ocorre quando dois quarks enviam e recebem o glúon s. Exemplos adicionais incluem bósons W e Z (que carregam força nuclear fraca) e grávitons (que carregam força gravitacional). O bóson de Higgs é uma partícula especial: quando interage com outras partículas, não lhes confere força, mas massa. Em outras palavras, o bóson de Higgs ajuda a explicar por que as partículas têm massa. Essas afirmações fazem parte de um modelo científico provisório, mas muito produtivo (o Modelo Padrão) discutido posteriormente.

Partículas e antipartículas

No final da década de 1920, a teoria especial da relatividade e da mecânica quântica foram combinadas em uma teoria quântica relativista do elétron. Um resultado surpreendente dessa teoria foi a previsão de dois estados de energia para cada elétron: um está associado ao elétron e o outro está associado a outra partícula com a mesma massa de um elétron, mas com uma carga de\(e^+\). Essa partícula é chamada de antielétron ou pósitron. O pósitron foi descoberto experimentalmente na década de 1930.

Logo foi descoberto que, para cada partícula na natureza, existe uma antipartícula correspondente. Uma antipartícula tem a mesma massa e vida útil de sua partícula associada e o sinal oposto de carga elétrica. Essas partículas são produzidas em reações de alta energia. Exemplos de partículas de alta energia incluem o antímuon (\((\mu^+\)), o quark anti-up (\(u\)) e o anti-down (\(d\)). (Observe que as antipartículas para quarks são designadas com uma barra lateral.) Muitos mésons e bárions contêm antipartículas. Por exemplo, o antipróton ((\ overline {p}\)) é\(\overline{u}\overline{u}\overline{d}\) e o píon com carga positiva (\(\pi^+\)) é\(u\overline{d}\). Algumas partículas neutras, como o fóton e o\(\pi^0\) méson, são suas próprias antipartículas. Partículas de amostra, antipartículas e suas propriedades estão listadas na Tabela\(\PageIndex{1}\).

Tabela\(\PageIndex{1}\): Partículas e suas propriedades
	Nome da partícula	Símbolo	Antipartícula	Missa (\(MeV/c^2\))	Vida (s) média (s)
Léptons
	Elétron	\(e^-\)	\(e^+\)	\ (MeV/C^2\))” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4555">0.511	Estável
	Neutrino eletrônico	\(\nu_e\)	\(\overline{\nu}_e\)	\ (meV/c^2\))” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4555">\(\approx 0\)	Estável
	Múon	\(\mu^-\)	\(\mu^+\)	\ (MeV/C^2\))” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4555">105,7	\(2.20 \times 10^{-6}\)
	Neutrino do múon	\(\nu_{\mu}\)	\(\overline{\nu_{\mu}}\)	\ (meV/c^2\))” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4555">\(\approx 0\)	Estável
	Tau	\(\tau^-\)	\(\tau^+\)	\ (MeV/C^2\))” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4555">1784	\(<4 \times 10^{-13}\)
	Neutrino Tau	\(\nu_{\tau}\)	\(\overline{\nu_{\tau}}\)	\ (meV/c^2\))” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4555">\(\approx 0\)	Estável
Hádrons
Bárions	Próton	p	\(\overline{p}\)	\ (MeV/C^2\))” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4555">938,3	Estável
	Nêutron	n	\(\overline{n}\)	\ (MeV/C^2\))” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4555">939,6	920
	Lambda	\(\Lambda^0\)	\(\overline{\Lambda^0}\)	\ (MeV/C^2\))” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4555">1115.6	\(2.6 \times 10^{-10}\)
	Sigma	\(\sum^+\)	\(\sum^-\)	\ (MeV/C^2\))” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4555">1189.4	\(0.80 \times 10^{-10}\)
	Xi	\(\Xi^+\)	\(\Xi^-\)	\ (MeV/C^2\))” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4555">1315	\(2.9 \times 10^{-10}\)
	ômega	\(\Omega^+\)	\(\Omega^-\)	\ (MeV/C^2\))” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4555">1672	\(0.82 \times 10^{-10}\)
Mésons	Pion	\(\pi^+\)	\(\pi^-\)	\ (MeV/C^2\))” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4555">139,6	\(2.60 \times 10^{-8}\)
	\(\pi\)-Zero	\(\pi^0\)	\(\pi^0\)	\ (MeV/C^2\))” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4555">135.0	\(0.83 \times 10^{-16}\)
	Kaon	\(K^+\)	\(K^-\)	\ (MeV/C^2\))” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4555">493.7	\(1.24 \times 10^{-8}\)
	K-short	\(K_S^0\)	\(\overline{K_S^0}\)	\ (MeV/C^2\))” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4555">497.6	\(0.89 \times 10^{-10}\)
	K-Long	\(K_L^0\)	\(\overline{K_L^0}\)	\ (MeV/C^2\))” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4555">497.6	\(5.2 \times 10^{-8}\)
	J/\(\psi\)	\(J/\psi\)	\(J/\psi\)	\ (MeV/C^2\))” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4555">3100	\(7.1 \times 10^{-21}\)
	Upsilon	\(\Upsilon\)	\(\Upsilon\)	\ (MeV/C^2\))” style="text-align:center; vertical-align:middle;” class="lt-phys-4555">9460	\(1.2 \times 10^{-20}\)

Partículas e suas propriedades

As mesmas forças que mantêm a matéria comum unida também mantêm a antimatéria unida. Nas condições certas, é possível criar antiátomos como antihidrogênio, antioxigênio e até mesmo antiágua. Em antiátomos, os pósitrons orbitam um núcleo carregado negativamente de antiprótons e antineutrons. A figura\(\PageIndex{2}\) compara átomos e antiátomos.

A Figura a mostra um átomo de hidrogênio e um átomo de anti-hidrogênio. O primeiro tem um círculo rotulado p no centro e outro, um círculo menor rotulado como e menos em uma órbita ao redor dele. Este último tem um círculo chamado barra p no centro e outro círculo menor chamado e plus em uma órbita ao redor dele. A Figura b mostra um átomo de hélio e um átomo de anti-hélio. O primeiro tem um círculo rotulado 2p 2n no centro e dois círculos menores rotulados como e menos em uma órbita ao redor dele. Este último tem um círculo chamado 2p bar 2 n bar no centro e dois círculos menores chamados e plus em uma órbita ao redor dele. — Figura\(\PageIndex{2}\): Uma comparação dos átomos mais simples de matéria e antimatéria. (a) No modelo de Bohr, um átomo de anti-hidrogênio consiste em um pósitron que orbita um antipróton. (b) Um átomo de antihélio consiste em dois pósitrons que orbitam um núcleo de dois antiprótons e dois antineutrons.

A antimatéria não pode existir por muito tempo na natureza porque partículas e antipartículas se aniquilam mutuamente para produzir radiação de alta energia. Um exemplo comum é a aniquilação elétron-pósitron. Esse processo prossegue pela reação

\[e^- + e^+ \rightarrow 2\gamma. \nonumber \]

O elétron e o pósitron desaparecem completamente e dois fótons são produzidos em seu lugar. (Acontece que a produção de um único fóton violaria a conservação de energia e momento.) Essa reação também pode prosseguir na direção inversa: dois fótons podem se aniquilar para produzir um par de elétrons e pósitrons. Ou, um único fóton pode produzir um par elétron-pósitron no campo de um núcleo, um processo chamado produção de pares. Reações desse tipo são medidas rotineiramente em detectores de partículas modernos. A existência de antipartículas na natureza não é ficção científica.

Assista a este vídeo para saber mais sobre matéria e partículas de antimatéria.