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Autor: Prof. Gil da Costa Marques AS PARTÍCULAS ELEMENTARES 1- AS PARTÍCULAS INDIVISÍVEIS Quais são os tijolinhos básicos a partir dos quais todas as coisas existentes no Universo seriam constituídas? Há mais de 2500 anos, pensadores, filósofos e cientistas têm se dedicado a elucidar essa questão. As idéias têm evoluído muito. Hoje em dias acreditamos na existência de 61 dessas substâncias básicas a partir das quais podemos constituir tudo. Para entendermos a constituição de todos os objetos que existem, devemos começar pelas estruturas mais básicas. A tais estruturas damos o nome, hoje, de partículas elementares. O fato, é que hoje entendemos que toda a matéria ordinária, bem como a radiação existentes no Universo aão constituídos por um conjunto de objetos os quaïs, até o ponto que sabemos, são ïndïvïsïveis. Deveríamos chamá-los de átomos, mas esse nome já tem um sentido atualmente do qual não vale a pena abrir mão. Designamos, hoje, estes objetos indivisíveis de partículas elementares. As partículas elementares existem desde os primórdios do universo. Algumas particulas são muito instáveis, pois desaparecem num átmo. Ou seja, elas decaem devido ás interações fracas e, por isso, desapareceram. Podemos hoje produzi-las nos grandes laboratórios de pesquisa. Hoje são partículas de proveta. Não era isso que acontecia no inicio do universo. Nessa fase, elas estavam, todas elas sem exceção, presentes na composição do Universo. Elas e somente elas, era tudo do que o Universo era composto. O que restou delas formaram aglomerados pequenos, primeiramente, depois aglomerados maiores e assim sucessivamente.
Autor: Prof. Gil da Costa Marques Fig. 1- Tabela das partículas elementares. As particulas elementares resultam ser objetos muito curiosos. E isso, pelas seguintes razões: Poucas são eternas. Algumas particulas elementares sobrevivem um lapso curtissimo de tempo. Elas são instáveis. A maioria jamais, jamais mesmo, serão encontradas livres. Essas particulas elementares, a maioria na realidade, só são encontradas em associação com outras. Isso é dificil de entender. Algumas passam por processos de transmutação de um tipo em outro. A metade dos léptons, os neutrinos, são verdadeiras metamorfoses ambulantes. Passam, continuamente por um processo de transmutação de um tipo em outro. As particulas instáveis decaem dando lugar a diferentes objetos. O resultado final ocorre com as mais diversas probabilidades.
Autor: Prof. Gil da Costa Marques Fig. 4- Elétrons, ditos livres, ficam vagando no interior de um metal. Citamos, rapidamente, alguns tipos de partículas elementares já considerados na Introdução. Gostaríamos agora de nos aprofundar na apresentação das caracteristicas das mesmas. Para entendermos a classificação e, à vezes, a nomenclatura empregada na descrição das partículas é importante que analisemos alguns dos principais atributos das partículas. Alguns desses atributos nos são bastante familiares (como massa e carga) mas, outros, como spin e cor são bem mais dificeis de se entender. Especialmente o último o qual não tem sequer um análogo clássico. Ou seja, o análogo de uma coisa familiar.
Autor: Prof. Gil da Costa Marques ATRIBUTOS DAS PARTÍCULAS As partículas fundamentais, aquelas que compõem os átomos, possuem determinados atributos que lhe são próprios. Pode-se dizer que cada partícula é caracterizada exatamente por esse conjunto de atributos. Dentre eles, os mais conhecidos são a massa e a carga elétrica. Menos conhecido é o spin de uma particula. E menos conhecidos ainda são atributos como estranheza ou hipercarga. Abordaremos alguns desses atributos. Não temos uma explicação (ou seja, uma teoria convincente) para a origem da massa, da carga elétrica ou do spin das mesmas. Assim, a massa e a carga elétrica são atributos da matéria cuja origem desconhecemos. Sabemos, no entanto, que a matéria tem massa e que as partículas elementares têm carga elétrica. Como tomamos conhecimento da existência da massa e da carga elétrica e do spin? De uma forma muito simples: experimentalmente. O que é fundamental entender é que não temos uma teoria, qualquer seja, para explicar as massas, cargas ou spin das particulas. Elas são encaradas como parametros fundamentais. Assim, as particulas elementares são caracterizadas pelo fato de não serem compostas por outros objetos e se caracterizam, ou se distinguem uma das outras através de um conjunto de atributos: MASSA (M), CARGA (Q), SPIN (S), COR, ISOSPIN, ESTRANHEZA, HIPERCARGA Consideraremos apenas os mais simples e um dos mais curiosos, a cor. MASSA A massa de uma partícula é o atributo que lhe permite atrair outras partículas (em consequentemente, matéria). A intensidade dessa atração permite medir empiricamente a massa de um corpo. Medir é comparar essa força com a força exercida por uma massa padrão. A medida da massa baseada na atração gravitacional nos leva a uma determinação da mesma e, tendo em vista o nétodo, essa massa é denominada de massa gravitacional. No entanto, sabemos que a massa é a medida da inércia de um corpo. Ou seja, pode-se determinar a massa a partir da força sobre uma partícula e da aceleração que ela produz. Essa forma de determinar a massa de um objeto define sua massa inercial. Até o ponto que sabemos não há distinção entre a massa gravitacional e a a sua massa ïnercial.
Autor: Prof. Gil da Costa Marques A CARGA ELÉTRICA A carga elétrica é um outro atributo das partículas elementares e de todos os objetos formados por eles. Algumas partículas elementares, ou compostas, não têm carga elétrica. Dizemos que são partículas neutras. O nêutron é uma delas (esse é, de fato, o significado do seu nome). Como no caso das massas, não temos a uma explicação para elas. Sabemos apenas medi-las. Nesse sentido a carga elétrica é um conceito fundamental. Isto é a carga não deriva de outras grandezas fisicas. A existência da carga elétrica pode ser verificada, experimentalmente, da mesma forma que verificamos a existência da massa. Ou seja, através das forças exercidas, umas sobre as outras, por partículas com carga (a força elétrica). Fig. 7- Cargas elétricas existem em duas variedades, denominadas cargas positivas e cargas negativas. Existem duas diferenças básicas entre as forças elétricas e as forças gravitacionais. Em primeiro lugar, as forças elétricas podem ser tanto atrativas quanto repulsivas (a força gravitacional é sempre atrativa). Por isso dizemos que as cargas podem diferir entre si em relação à atração e repulsão provocadas por elas. As cargas são portanto, classificadas em duas categorias: cargas positivas e cargas negativas. Os elétrons têm carga negativa. Os prótons têm carga negativa. Em módulo as cargas dos elétrons e prótons são iguais. Disso resulta que o átomo é neutro. Cargas de sinais iguais se repelem. Cargas de sinais opostos se atraem.
Autor: Prof. Gil da Costa Marques Fig. 8- O elétron e o núcleo. Outra característica importante das forças elétricas é que no nível atomico elas são bem mais intensas do que as forças gravitacionaïs. Isto estabelece, nesse nível, uma clara distinção entre elas. SPIN Impossivel explicar o que é o spin de uma particula. Isso porque o spin é uma grandeza física sem um análogo clássico. Como no caso das massas, não temos a uma explicação o spin das diversas particulas elementares. Sabemos apenas como determinar o spin sw uma particula. Mas, nesse caso, não se trata de fazer comparações. O spin de uma particula é uma grandeza fisica fundamental. Isto é, o spin, como a carga e a massa, não deriva de outras grandezas fisicas. Com o intuito de entendermos o que é o spin, recorremos a uma imagem clássica. Consideremos um corpo rígido, como por exemplo, um pião. Quando em rotação um corpo rígido tem um momento angular. O spin é uma propriedade das partículas elementares que em muito se assemelha ao momento angular. No entanto, essa analogia peca pela imprecisão, uma vez que uma partícula elementar não pode ser pensada como um corpo rígido, uma vez que ela não é composta por outras que giram. O spin é uma grandeza quantizada. Assim o módulo desse vetor e a componente da mesma ao longo de um eixo são dados por
Autor: Prof. Gil da Costa Marques Fig. 11- A experiência de Stern-Gerlackh. O ATRIBUTO COR As particulas têm outros atributos alem da carga, da massa e do spin. No caso das interações fortes podemos mencionar tres tipos de atributos. A hipercarga, a extranheza e a cor. Não se trata de cor no sentido usual. Cor é apenas uma expressão cientifica para designar alguma coisa para a qual não se encontrou um outro nome. Quando nos referimos ao quark up devemos especificar um outros atributo: a cor. Por esse critério, os quarks vêm em 3 cores distintas. Ou seja, a rigor temos tres tipos de quarks up. Tres tipos de quark down e asssim por diante. Consequentemente temos não 6, mas 18 tipos de quarks. Fig. 12- Os quarks. Os quarks diferem entre si pelo atributo cor.
Autor: Prof. Gil da Costa Marques A cor é um atribuito muito estranho. Ela nunca pode ser vista. Ou seja, jamais conseguiremos observar uma particulas que carregue esse atributo. Essa propriedade é conhecida como confinamento da cor. Podemos, isso sim, observar objetos destituidos de cor. Ou seja, objetos que tenha a soma desses atributos iguais a zero. Fig. 13- As três “cores” dos quarks. CLASSIFICANDO AS PARTICULAS As partículas, elementares ou compostas têm, todas, tres atributos os quais nos permitem caracterizá-las e distitingui-las. A partir dessa distinção podemos classificar as particulas em grupos. QUANTO Á CARGA Podemos dividir as particulas em dois grandes grupos em função da sua carga elétrica. Dizemos que uma particula é neutra se ela não tem carga elétrica. Uma particula é dita carregada se ela tem carga elétrica. Todos os Quarks têm cargas elétricas. Metade dos léptons tambem.
Autor: Prof. Gil da Costa Marques Mésons são aglomerados de dois quarks cujo valor das massas se situa entre a massa do eletron e a massa do próton. A palavra méson deriva da palavra grega “mesos”, cujo significado é aquilo que está no meio, ou entre duas coisas. QUANTO AO SPIN: BOSONS E FERMIONS Em função do número quântico de spin ser um número inteiro ou semi-inteiro, classificamos as partículas em duas grandes categorias: Os bósons são partículas cujo número quântico de spin é nulo ou assume um valor inteiro. s 0,1, 2, Fótons são partículas cujo spin é zero. Átomos podem ter spin O. Esse é o caso do átomo de Hélio, por exemplo. Fig. 16- O átomo de hélio-4. Férmions são partículas para as quais o número quântico de spin é semi-inteiro, s 1 2,3 2,5 2, O elétron, o próton e o nêutron são partículas fermionicas. Como resultado disso, o átomo de hidrogênio se comporta como um férmion. Existe uma grande diferença do ponto de vista estatístico ao tratarmos férmions e bósons. Bósons se comportam como partículas indistinguíveis que podem ser colocadas em grande número num determinado nível quântico. Férmions são diferentes. Eles obedecem a um principio geral estabelecido por Pauli, conhecido como principio da exclusão. Por esse principio fica sendo excluída a possibilidade de se encontrar dois férmions iguais. Por iguais entendemos férmions que tenham todos os números quânticos associados a eles iguais. Assim, se num determinado átomo um elétron estiver numa determinada subcamada de energia, nele só podemos ter dois elétrons. Cada um deles tendo
Autor: Prof. Gil da Costa Marques numero quântico de spin m = +1/2 e m = -1/2. Veremos que o principio da exclusão de Pauli nos levará a duas estatísticas diferentes. QUANTO ÁS INTERAÇÕES Pode-se classificar as partículas quanto ás interações. Designamos de Bósons intermediários das interações fracas aos bósons que só participam dessa interação. Esses bósons são em número de 3. Fig. 17- Os bósons intermediários. Os Glúons participam apenas da interação forte. Por isso, eles são designados de bósons intermediários das interações fortes. A razão para a palavra intermediário será explicada oportunamente. As partículas compostas predominantemente como efeito das interações fortes são conhecidas. Genéricamente. como Hádrons. Os hádrons se dividem em duas grandes classes de partículas: Mésons e Bárions.
