Partículaselementares
Tudo o que vês, tocas e és — cada pedra, cada planta, cada pensamento — é feito de blocos minúsculos. Esses blocos chamam-se partículas elementares. São tão pequenas que num único copo de água há mais delas do que grãos de areia em toda a Terra. Nesta página vais descobrir que partículas existem, como se relacionam entre si e por que formam o alicerce da física moderna.
Três famílias — um só mundo
A física conhece hoje exatamente 17 partículas elementares diferentes — ou seja, partículas que, segundo o conhecimento atual, não podem ser divididas em nada menor. Elas dividem-se em três grandes grupos: os Quarks constroem a matéria, os léptons são partículas de matéria independentes, e os bósons transmitem as forças.
A tabela de partículas
Tal como a tabela periódica dos elementos na química, a física tem uma visão de conjunto de todas as partículas elementares conhecidas — o modelo padrão. É uma das teorias mais precisas e bem-sucedidas jamais desenvolvidas pela ciência. As partículas estão organizadas em três gerações: cada geração superior é mais pesada e de vida mais curta do que a anterior.
| I. Geração | II. Geração | III. Geração | Bósons | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Quarks ↑ | u Up +⅔ 2,3 MeV | c Charm +⅔ 1,27 GeV | t Top +⅔ 173 GeV | γ Fotão 0 0 | g Glúon 0 0 | |||
| Quarks ↓ | d Down −⅓ 4,8 MeV | s Strange −⅓ 95 MeV | b Bottom −⅓ 4,18 GeV | |||||
| Léptons | e⁻ Elétron −1 0,511 MeV | μ Múon −1 105,7 MeV | τ Tau −1 1,777 GeV | W Bóson W ±1 80,4 GeV | H Higgs 0 125 GeV | |||
| Neutrinos | νₑ Neutrino-e 0 ≈ 0 | νμ Neutrino-μ 0 ≈ 0 | ντ Neutrino-τ 0 ≈ 0 | Z Bóson Z 0 91,2 GeV | ||||
Quarks — o mais íntimo da matéria
Os Quarks são os mais pequenos blocos de construção da matéria conhecidos — mas nunca se mostram sozinhos. Existem sempre em grupos ligados: dois ou três Quarks juntos formam os chamados hádrons. Os mais conhecidos são o protão e o neutrão, os blocos de todos os núcleos atómicos. Um protão é composto por dois Quarks Up e um Quark Down; um neutrão, por um Quark Up e dois Quarks Down.
Existem seis tipos diferentes de Quark, que os físicos chamam de "sabores": Up, Down, Charm, Strange, Top e Bottom. Estes nomes são apenas rótulos — os Quarks não têm sabor algum, evidentemente. O que de facto possuem é uma propriedade especial chamada carga de cor, responsável por transmitir a força nuclear forte. Cada Quark carrega uma de três "cores" — vermelho, verde ou azul. Quando combinados de modo a tornarem-se "incolores", surge uma partícula estável.
Os Quarks da segunda e da terceira geração — Charm/Strange e Top/Bottom — são muito mais pesados do que os da primeira. O Quark Top pesa tanto quanto um átomo inteiro de ouro, apesar de ser uma partícula elementar pontual. Estes Quarks pesados só surgem em colisões de altíssima energia em aceleradores de partículas e decaem quase instantaneamente em partículas mais leves da primeira geração.
Léptons — os espíritos livres
Os léptons são partículas de matéria que, ao contrário dos Quarks, não conhecem o confinamento — podem existir livremente na natureza. O lépton mais conhecido é o elétron, que forma a camada eletrónica de todos os átomos e é responsável pelas ligações químicas. Sem eletrões não existiriam moléculas, nem química, nem vida. O elétron é conhecido há mais de cem anos e foi uma das primeiras partículas elementares que a ciência alguma vez descobriu.
Além do elétron, há mais dois léptons carregados: o múon (μ) e o tau (τ). Comportam-se exatamente como o elétron, mas são muito mais pesados: o múon é cerca de 207 vezes mais pesado, e o tau cerca de 3.477 vezes. Por que razão a natureza criou estas cópias mais pesadas do elétron continua a ser, ainda hoje, um dos grandes enigmas da física. Ambas as partículas são instáveis e decaem em frações de segundo.
Os três neutrinos são partículas particularmente fascinantes: sem carga elétrica, sem carga de cor, e uma massa tão diminuta que, durante décadas, os físicos pensaram que não tivessem massa nenhuma. A cada segundo, milhares de milhões de neutrinos atravessam o teu corpo — vindos do Sol ou de supernovas distantes — sem deixar o mínimo sinal. São as partículas mais esquivas que conhecemos.
Bósons — mensageiros das forças
Além das partículas de matéria, existe uma segunda classe: as partículas de força, os bósons. São os intermediários entre as partículas de matéria — os mensageiros que transportam as forças de uma partícula para outra. O fotão é o bóson da força eletromagnética: sempre que a luz brilha, um íman atrai ou um raio cai, há fotões em ação. O fotão não tem massa e move-se sempre à velocidade da luz.
O glúon transmite a força nuclear forte — a força que mantém os Quarks unidos dentro de prótons e neutrões. O nome vem do inglês "glue" (cola). A curtas distâncias, esta é de longe a mais forte das quatro forças fundamentais — forte o suficiente para vencer a repulsão entre os protões de carga positiva dentro do núcleo atómico. Sem glúons não existiriam núcleos atómicos estáveis.
O bóson W e o bóson Z transmitem a força nuclear fraca, responsável pelos decaimentos radioativos. O bóson de Higgs ocupa um lugar à parte: é o quantum do campo de Higgs, que confere massa às demais partículas. A sua descoberta em 2012 no CERN, em Genebra, foi um triunfo histórico — depois de décadas de busca. É a única partícula elementar de Spin 0 conhecida.
Fermiões e bósons — dois mundos
As 17 partículas elementares dividem-se, consoante o seu spin, em duas categorias fundamentalmente diferentes. Os fermiões têm spin semi-inteiro (½) — a esta categoria pertencem todos os Quarks e léptons. Obedecem ao princípio de exclusão de Pauli: dois fermiões não podem ocupar simultaneamente o mesmo estado quântico. É exatamente por isso que os átomos são estáveis — os eletrões não se acumulam todos no estado de energia mais baixo, mas ocupam orbitais diferentes, o que torna possível a diversidade dos elementos químicos.
Os bósons, por outro lado, têm spin inteiro (0, 1) e não estão sujeitos ao princípio de Pauli. Um número ilimitado de bósons pode ocupar o mesmo estado — é essa a base do laser (muitos fotões no mesmo estado), da supercondutividade e dos condensados de Bose-Einstein, um dos estados da matéria mais exóticos que existem. Esta distinção decorre diretamente da ligação entre a relatividade e a mecânica quântica — não é um esquema arbitrário, mas uma profunda necessidade matemática.
Antimatéria — o reflexo no espelho
Cada partícula elementar tem uma antipartícula com carga oposta, mas com a mesma massa. A antipartícula do elétron é o positrão; a do protão, o antiprotão. No Big Bang, matéria e antimatéria surgiram em quantidades quase iguais — mas o universo de hoje é composto quase exclusivamente por matéria comum. Por que surgiu um desequilíbrio mínimo que impediu a aniquilação mútua total é uma das questões mais profundas em aberto na física.
Quando a matéria encontra a antimatéria, ambas se aniquilam completamente — toda a sua massa é convertida em energia pura (E = mc²). Este processo chama-se aniquilação. Na medicina, este efeito já é utilizado: na tomografia por emissão de positrões (PET), usam-se positrões que, dentro do corpo, se aniquilam com eletrões e produzem raios gama, gerando uma imagem 3D precisa do metabolismo.
Três gerações — porquê?
As partículas do modelo padrão estão organizadas em três gerações. A primeira geração — elétron, neutrino do elétron, Quark Up e Quark Down — forma a matéria estável do dia a dia. Todos os átomos do universo são feitos destas quatro partículas. A segunda e a terceira geração são mais pesadas e instáveis: surgem em aceleradores de partículas ou por ação da radiação cósmica, e decaem em frações de segundo em partículas mais leves da primeira geração.
Por que razão a natureza escolheu exatamente esta estrutura tripla, ninguém sabe. Em teoria, poderia haver quatro ou cinco gerações. No entanto, medições de precisão no CERN mostraram que existem exatamente três tipos leves de neutrino — o que limita a três o número de gerações completas. Este facto está firmemente incorporado no modelo padrão, mas continua sem uma explicação real até hoje. É um dos muitos sinais de que o modelo padrão, apesar de todo o sucesso, ainda não é a última palavra.
Serão mesmo estes os blocos mais pequenos?
A palavra "elementar" significa: não divisível em nada menor. Segundo o estado atual da ciência, as 17 partículas do modelo padrão são consideradas pontuais — não têm extensão mensurável. Mas a história da física mostra que partículas aparentemente fundamentais revelaram-se, repetidas vezes, como compostas: os átomos foram outrora considerados indivisíveis, depois vieram os eletrões e os núcleos atómicos, depois os protões e neutrões, depois os Quarks. Muitos físicos suspeitam que possa existir uma camada ainda mais profunda.
O modelo padrão é brilhante — e, ainda assim, incompleto. Não explica a gravidade ao nível quântico, nada diz sobre a matéria escura (cerca de 27% do universo) e não explica por que existem exatamente três gerações de partículas. A busca por uma teoria mais abrangente é o grande projeto da física do século XXI.