A teoria de (quase) tudo

Existiu um tempo em que achávamos que tudo podia ser descrito com três partículas: o próton, o nêutron e o elétron. Eles formariam os átomos e tudo poderia ser descrito dessa forma. Hoje temos literalmente um catálogo de partículas (Particle Data Group) que conhecemos. Muitas já foram confirmadas experimentalmente e outras ainda são teóricas (bem, o bóson de Higgs saiu dessa categoria recentemente). Como eu comentei no post sobre o bóson de Higgs, a teoria mais aceita para explicar esse “mundo” do muito pequeno é chamada de Modelo Padrão. Com ela, descrevemos as partículas conhecidas e suas interações, e é isso que vou tentar explicar aqui.

Começamos dividindo o que achávamos ser fundamental em partes menores. Encontramos que os prótons e nêutrons são formados pelas menores partículas que conhecemos: os quarks. Estes, existem em 6 “tipos” diferentes (devido a diferentes propriedades como por exemplo, carga elétrica, spin e massa). Os mais leves são chamados de up e down e são aqueles que formam os prótons e os nêutrons (o próton por exemplo é constituído de dois quark up e um quarks down). Temos também os quarks charm e strange, e os mais pesados, o bottom e o top.

Os quarks fofinhos

Eu falei que os quarks formam os prótons e nêutrons, mas e os elétrons? Bom, os elétrons são classificados como léptons, o que significa que eles já são fundamentais, isto é, não são formados por quarks. Os léptons que conhecemos são o elétron, o múon e o tau (estes dois últimos podem ser pensados como irmãos gordos do elétron). Cada um desses léptons tem seu companheiro neutrino correspondente. Desta forma, temos o neutrino do elétron, o neutrino do múon e o neutrino do tau. O neutrino é uma partícula sem carga elétrica e com massa muitíssimo pequena. São partículas com várias propriedades interessantes mas esta é a especialidade de um amigo que já está preparando um post 😉 Dessa forma, temos a família dos léptons completa.

Os léptons fofinhos

Agora sabemos quais são as partículas fundamentais. Mas ainda falta uma coisa para conseguirmos explicar (quase) tudo – as interações. Se não tivéssemos interações cada partícula que existe ia ficar livre e não teríamos próton, nêutrons e, consequentemente, átomos para formar o universo. É preciso alguma coisa para “ligar” essas partículas umas às outras. As interações que conhecemos são: eletromagnética, forte, fraca e gravitacional. O Modelo Padrão explica cada uma dessas interações através da troca de partículas (temos um problema com a força gravitacional, mas explico adiante). As partículas mediadoras de interações são chamadas genericamente de bósons.

A interação eletromagnética é a interação que ocorre devido à carga elétrica das partículas, e a partícula por trás dessa interação é o fóton. Esta partícula, nas concepções que temos hoje, foi estudada por Einstein através do efeito fotoelétrico. Basicamente, foi observado que a luz tem um comportamento de onda ou de partícula (o fóton) dependendo de como a estamos estudando, um efeito previsto pela mecânica quântica.

A dualidade onda-partícula!

A interação forte ocorre devido à chamada carga de cor, que é um propriedade observada nos quarks, e esta interação ocorre devido à troca de glúons. Ela só é importante a curtas distâncias, sendo responsável por manter os quarks juntos para que eles formem os prótons e os nêutrons. O nome desta interação não é por acaso: a força forte é tão intensa que não nos permite “ver” os quarks livremente, pois eles sempre estão “juntos” para formar outras partículas. Porém, apesar de não medirmos os quarks diretamente, temos várias evidências concretas da sua existência.

A interação fraca é mediada pelos bósons W e Z, e ela é responsável por processos nucleares como os decaimentos radioativos. Basicamente, onde há transformações de núcleos atômicos, temos a força fraca atuando – por exemplo na fissão nuclear presente nos reatores nucleares (ou bombas nucleares) e no processo de evolução estelar.

Agora chegou a parte difícil para o Modelo Padrão: explicar a força gravitacional. Como eu disse, o MP explica a interação através de troca de partículas, logo devemos ter uma partícula para a interação gravitacional: o gráviton. Parece lógico, mas o gráviton nunca foi confirmado experimentalmente, além disso, a escala de atuação da gravidade é muito diferente das outras interações. Quando falamos em gravidade, pensamos na escala macroscópica – planetas, estrelas, galáxias, buracos negros. Tudo isso é bem descrito pela relatividade geral, desenvolvida por Einstein em 1916. Esta diferença de escalas e a dificuldade de unir a relatividade geral com a física de partículas é um dos grandes desafios dos físicos de hoje, mas esta discussão fica pra uma próxima…

Os bósons fofinhos

Referências:

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