15/06/2019
Que tal conhecer o "átomo do átomo", a "tabela periódica 2.0", ou melhor, as verdadeiras partículas elementares!
De onde vem o Modelo?
O Modelo Padrão foi proposto, através de um concenso de vários físicos de partículas, como a base elementar da matéria e interação/força, e se sustenta com vários experimentos e abstração teórica, levando em conta a natureza quântica do universo, e com o desenvolvimento da eletrodinâmica quântica e a teoria quântica de campos, nos fez compreender ainda melhor como funciona o "pixel" do universo, sua base elementar.
Primeiramente temos uma separação, definida basicamente por uma característica intrínseca das partículas, seu spin. O spin seria seu momento angular intrínseco, como se fosse um movimento rotatório , ou um "giro" que a partícula faz em torno de si própria como uma característica por definição, algo próprio dela mesmo (intrínseco). Partículas que possuem spin fracionário, em geral ½, são agrupadas como Férmions, e essas partículas se comportam de acordo com a estatística de Fermi-Dirac e obedecem o Principio da Exclusão de Pauli, ou seja, não podem ocupar o mesmo estado quântico, e com isso, são as partículas que formam a matéria, ou são partículas de matéria, ou a matéria propriamente dita (apesar de muitas delas são instáveis, nao formam matéria individualmente). Já os Bósons, partículas com spin inteiro (0 - bóson escalar / 1 - bóson gauge), não obedecem o principio de Exclusão de Pauli, mas sim a Estatística de Bose-Einstein, ou seja, possuem comportamento de superfluidez, podendo ser agrupada no mesmo "espaço ao mesmo "tempo" (apesar que o correto é sempre definir como estado quântico, já que na quântica não se tem definição clara de espaço e tempo, devido as incertezas). Os bósons são as partículas que promovem força ou interação, ou seja, com exceção da gravidade, as outras 3 forças do universo (força eletromagnética, força nuclear fraca, força nuclear forte) podem ser descritas como sendo portadas por partículas, e a interação que introduziu a massa inercial das partículas também.
Temos dois grupos de Férmions os Quarks e os Léptons.
Os Quarks são Férmions com carga elétrica fracionária e são mais "pesados". Interage com o campo da força forte, e com isso forma o que chamamos de Matéria Barionica, que é basicamente a matéria convencional que conhecemos, a matéria formada pelos Elementos da Tabela Periódica Atômica. Porém apenas basicamente dois quartos formam a matéria, o quark up (+⅔e) e o quark down (-⅓e), e são os mais leves, a primeira geração. Os outros quarks são como gerações desses primeiros, sendo que cada vez mais massivos. A segunda geração seria dos quarks charm (+2/3e) e o quark strange (-⅓e), o strange possui uma característica especial, a estranheza, usada pra defenir alguns barions. A terceira geração são dos quarks top (+⅔e) e bottom (-⅓e), que são mais pesados e instáveis que as outras.
Os Léptons são as partículas mais rápidas e mais leves, algumas interagem com a força eletromagnética, com carga em geral -1e, e outras só com a força nuclear fraca, como os neutrinos, que não possuem carga. Elas não interagem com a força nuclear forte, porém um deles está na formação atômica. Pode-se dizer que Léptons também possuem sua geração, com uma partícula e seu neutrino correspondente. A primeira é com o elétron (-1e) e com o neutrino do elétron (0e), que são as partículas mais leves do modelo padrão, sendo que o elétron está na formação do átomo, juntamente ao núcleo atômico, e se mantém coeso devido a carga elétrica e seus neutrinos, além de estar percorrendo o universo inteiro o tempo todo, pode ser encontrado no decaimento beta. A segunda geração temos o múon (-1e) e o neutrino do múon (0e), o múon, devido a seu movimento relativistico, serviu como mais uma comprovação experimental para a relatividade restrita, bem interessante. A terceira geração temos o tau (-1e) e o neutrino do tau (0e), que são mais estáveis e mais pesados.
Pode-se definir dois grupos de Bósons, os gauginos e os escalares.
Os Bósons Gauge são bósons que possuem a característica de transmitir forças, as 3 forças da natureza, e possuem características de cargas específicas. O fóton é o bóson responsável em transmitir a força ou interação eletromagnética, não possui massa, tendo sua velocidade constante para qualquer referencial (princípio base da relatividade, c = 299792458 m/s), é também a partícula que forma a luz, tanto a luz visível, quanto a todos seus espectros (relacionadas a energia do fóton, E = hf) e atribui às partículas que interagem com seu campo a característica de carga elétrica. A força nuclear fraca é transmitida por 2 tipos de bósons, na verdade 3 já que podem se diferenciar por cargas elétricas, é portada pelo bóson Z⁰ (não interage ao fóton, carga 0e) e pelos bósons W+ e W-, e introduzem a característica de isospin para as partículas que interagem com seu campo. A força nuclear fraca é a responsável pelo decaimento de partículas, e suas partículas mediadoras são os únicos (até então) bósons gauge que interagem com o Higgs, ou seja, possuem massa. O glúon é o bóson portador da força nuclear forte, que é a força mais forte de todas e a que mantém os Quarks unidos formando os barions, e sem os glúons a matéria barionica que conhecemos não poderia ser formada, e eles atribui a carga cor a suas partículas interagiveis, e também não possuem massa.
O átomo é basicamente formado de prótons e nêutrons no núcleo e os elétrons em orbitais a sua volta. O que realmente forma o núcleo atômico são os quarks, por exemplo, no átomo de Hélio, se tem 2 prótons (+1e) e 2 nêutrons (0e) e 2 elétrons (-1e). O átomo é eletricamente neutro, já que tem uma carga positiva do próton e uma negativa do elétron, porém sabemos que a força eletromagnética é atrativa com carga diferentes, e repulsiva com cargas iguais, então por que o próton não se repulsa do outro no núcleo? Ou porque o elétron não é atraído pelo próton do núcleo? Aí está a força forte, o próton é formado por 3 quarks , 2 ups e 1 down (+⅔+⅔+-⅓ = +1) e o neutron por 2 quarks down e 1 up (-⅓-⅓+⅔ = 0). Cada quark troca cargas cor entre elas, trocando glúons, que devido a força forte, os mantém coesos no núcleo. Como a força nuclear forte é a mais forte porém de curto alcance, ela faz com que mesmo a força elétrica repulsiva entre os prótons do núcleo do Hélio esteja agindo pelas cargas, a força forte "colando" os quarks no núcleo vence a força elétrica e os mantém coesa, e elétrons por serem Férmions e não ocuparem o mesmo estado quântico, eles não caem no núcleo.
O Bóson Escalar seria aquele que, por mais que possa ser quantizado em uma partícula mediadora, não possui uma característica vetorial de campo, ou seja, seria como um meio que permeia tudo, todo o espaço. Por definição temos apenas um bóson escalar comprovado no Modelo Padrão, o Bóson de Higgs. O Bóson de Higgs por mais que tenha causado polêmica sendo a "partícula de Deus" (devido a um erro de publicação) seu papel de verdade seria o responsável por aderir massa inercial as partículas. Imagine um campo que permeia tudo, como um grande campo viscoso que as partículas se movimentam nesse campo, se não tivesse o campo, as partículas não teriam porque reduzir sua velocidade, tendo velocidade máxima que é a velocidade da luz, ou seja, seriam partículas sem massa. Como o campo de Higgs seria esse meio viscoso que preenche tudo, faz com que partículas que interagem com seu campo tenha momento inercial, gerando sua massa inercial, que seria essa resistência da particula ao se movimentar nesse campo, quanto maior a resistência ou a interação com o campo, maior sua inércia, sua massa inercial, que ira resistir ao movimento. O bóson de Higgs possue massa porque ele se autointerage consigo mesmo.
As partículas compostas , os Hádrons, são partículas formadas por quarks e quando formada por 3 são definidas como Bárions, e formadas por 2 quarks, um quark e um antiquark. Prótons e nêutrons são exemplos de Bárions, e por isso basicamente toda matéria que conhecemos atribuímos como matéria barionica. Outro post contínuo o assunto, que pôs sinal é muito interessante.
Mas afinal, e a gravidade? Onde entra nisso tudo?
Temos uma boa formulação teoria da gravidade no Modelo Padrão, que seria portada pelo graviton, porém não se há nenhum comprovação experimental que tal particula exista. Aliás, devido ao fato de que a gravidade é a força mais fraca encontrada na natureza, porém a mais significante em escalas cósmicas, para encontrar o momento de sua quebra de simetria, ou seja, onde ela se separa das outras, pra poder detectar o graviton, precisaria de energias tão absurdas que nossa capacidade tecnológica não suporta ainda, talvez demore muito isso se possível. Além do mais, já Relatividade Geral podemos ver que não é que existe realmente gravidade, o que acontece é que o próprio espaço-tempo se deforma perante a matéria ou energia atribuída a ele, ou seja, diferente as outras forças, a gravidade tem essa característica de ser expressa como a própria deformação do espaço-tempo, mas isso pode ser assunto pra outro post.
E as antiparticulas?
Cada partícula fermionica possuem suas antiparticulas, que possuem mesmas características básicas, como massa e spin, mas cargas inversas. Essa solução surge com a Simetria CPT, que relaciona a essas características de cargas atribuídas as forças e a primeira antiparticula que descoberta foi o pósitron (+1e), que é a antiparticula do elétron, com mesma massa mas carga elétrica inversa. O pósitron primeiro veio de uma modelo teórico apresentado pelo Dirac, e 1 ano depois já foi detectado.
Apenas o pósitron recebeu um nome específico, as demais apenas possuem um prefixo "anti" no nome da partícula correspondente. Ex.: antiquark up (-⅔e), antimuon (+1e), antipróton (-1e). É importante ressaltar que não é apenas a carga elétrica que é trocada, mas outras cargas também, como a carga cor em antiquarks, ou o isospin em antineutrinos.
É importante frisar que bósons não possuem de certa forma antibosons, devido também a seu spin inteiro. Ou seja, não se tem antifoton que formaria uma antiforça eletromagnética, e como eles podem estar em sobreposições, um antiboson já seria o próprio bóson, mais ou menos isso.
A antimatéria seria formada por essas partículas. Aliás, nos Diagramas de Feynman, antiparticulas podem ser consideradas como se estivesse andando pra trás no tempo, um positron por exemplo pode ser interpretado como um elétron andando para trás no tempo.
Superpartiners ou as super "parceiras" das partículas.
Surgindo da teoria da Supersimetria, outra suposição de um grupo de partículas conjugadas, ainda totalmente teóricas, são essas superpartiners. A ideia é o seguinte, para cada Férmion se tem um Bóson conjugado, porém das mesmas características base, simétricas entre si, por exemplo: um fóton possui spin inteiro, 1, e por isso se define como um bóson, o superpartiner do fóton seria o fotino, que seria como um fóton, só que de spin ½, ou seja, um fermionico conjugado! O que isso significa? Seria como um Férmion com características de bóson, um Férmion com massa 0 por exemplo, assim como o gluigino, o Férmion conjugado do bóson glúon, ou o selectron, o conjugado do elétron, os squarks, conjugados dos quarks. Ainda não se tem nenhuma comprovação experimental deste tipo de partícula, mas através desse mecanismo de simetria surge várias outras partículas exóticas.
Outras partículas teóricas são alguns gauges exóticos, como o áxion (que já foram cogitadas a serem as partículas que compõe a matéria escura) ou o táquion (partícula que teria uma ligação intrínseca relacionado ao fluxo temporal, basicamente ela anda pra trás no tempo numa boa), ou o próprio graviton que possui características exóticas, com
Spin 2, massa negativa, e outras. Hádrons teóricos como pentaquarks, e outros também surgem nos modelos de partículas.
Bom, tá aí, um resumido sobre as partículas que definem nossa realidade como ela é.
