Olá!
Com Maxwell, partimos do século XIX, quando o eletromagnetismo clássico atingiu o seu ápice, e entramos no século XX com a descoberta da Relatividade de Einstein e da Mecânica Quântica.
Agora, chegamos ao século XXI com o Modelo Padrão das partículas elementares.
Neste tópico, conheceremos as partículas indivisíveis que formam toda matéria conhecida e como elas interagem.
Veremos novas características das partículas que definem a forma como estas interagem.
Os alicerces dessa nova Física são a Mecânica Quântica e a Relatividade, que acabamos de ver. Neste tópico, será apresentada uma introdução da organização e características das partículas elementares, sem as equações de onda das partículas e suas soluções.
Recomendo a leitura dos artigos citados no item Ampliando o conhecimento, bem como um passeio pela Aventura das Partículas.
Para começar esta viagem, assista a este vídeo:
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Podemos dizer que a Física de partículas começou com a descoberta do elétron e o experimento de Rutherford, cujo método de estudo empregado, ou seja, jogar uma partícula contra outra e analisar o resultado da interação, até hoje é usado, apesar de, atualmente, as energias utilizadas serem muito maiores.
Até meados dos anos 50 do século XX, as novas partículas foram descobertas com experimentos, nos quais foram utilizados raios cósmicos de altas energias, interagindo com elementos da atmosfera terrestre ou alvos dos experimentos.
Na década de 60, quando os aceleradores de partículas construídos pelo homem alcançaram energias de GeV, a quantidade de novas partículas descobertas foi enorme. Foi quando Gell-Mann e Zweig propuseram a Hipótese dos Quarks (inicialmente foram três) como as partículas elementares que, junto com os léptons, que eram conhecidos (elétron, múon e neutrino), constituiriam os verdadeiros átomos indivisíveis da natureza.
Com a descoberta do neutrino do múon, em 1962, e depois de outras partículas, o número de partículas elementares do Modelo Padrão aumentou.
Entre as novas descobertas está uma propriedade dos quarks denominada de cargacor. As antipartículas, que também são partículas elementares, estão incluídas no Modelo Padrão, como veremos mais adiante.
Na figura acima e+ representa o pósitron, a antipartícula do elétron.
O Modelo Padrão descreve tanto a matéria como todas as forças do Universo (exceto a gravitacional). Sua beleza reside na sua capacidade de explicar as centenas de partículas e interações complexas com poucas partículas e interações fundamentais.
As principais características do Modelo Padrão são:
Os léptons podem existir sem a companhia de outras partículas. Já os quarks se juntam em dois ou três, para formar um grupo de partículas denominado hádrons.
São seis os tipos de quarks: up, down, charme, estranho, top e bottom. Para cada um destes quarks há um antiquark. Os quarks possuem carga elétrica fracionária de 2/3 ou -1/3 da carga elementar. Entretanto, essas cargas fracionárias nunca foram observadas diretamente, pois os quarks não existem isoladamente.
Os quarks possuem uma característica denominada de cargacor, que é a fonte da força forte, como a carga elétrica é a fonte da força eletromagnética.
A soma das cargas elétricas dos quarks que compõem um hádron é sempre um número inteiro. Enquanto cada quark tem uma cargacor, os hádrons têm cargacor neutra.
Existem duas classes de hádrons:
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Tanto quarks quanto léptons existem em três grupos distintos, denominados de geração de partículas de matéria. A primeira geração forma a matéria visível do Universo que conhecemos hoje e é composta por prótons (uud), nêutrons (udd) e elétrons. As partículas da segunda e terceira gerações são instáveis e decaem, tornando-se partículas de primeira geração, a única geração estável.
O Universo que conhecemos existe porque as partículas fundamentais interagem através de quatro interações fundamentais: nuclear forte, nuclear fraca, eletromagnética e gravitacional.
Assista agora a este vídeo sobre as interações fundamentais da natureza, que mostra onde elas atuam.
Mas como ocorrem as interações fundamentais para que as partículas elementares sejam mantidas juntas ou sejam separadas, ou para que decaiam ou se aniquilem?
Todas as interações (ou forças) entre as partículas materiais ocorrem
devido a uma troca entre elas de uma partícula mediadora de força,
que pode ser chamada de partícula virtual, pois
aparentemente, em algumas situações, estaria ocorrendo a violação da
Lei de Conservação da Energia. 
Vejamos o caso do decaimento do nêutron. A partícula mediadora da interação fraca neste caso é a W-. A interação faz com que um quark down do nêutron (udd) vire um quark up, aparecendo no lugar do nêutron um próton (uud) e uma partícula W-, conservando, assim, a carga elétrica. A massa de repouso de 80,38 GeV/c2 da partícula W- não pode ser explicada pela Lei da Conservação da Energia. Mas, de acordo com o princípio da incerteza de Heisenberg, esta violação pode ocorrer segundo a relação
onde h é a constante de Plank. A violação da conservação da energia pode ocorrer dentro do intervalo de tempo definido por esta equação. Logo, a partícula mediadora da força não é uma partícula livre, mas num curtíssimo intervalo de tempo ela desaparece. No caso do decaimento do nêutron, a W- gera um elétron e um antineutrino.
Veja na tabela abaixo algumas propriedades das interações fundamentais e suas partículas mediadoras de força.
Agora, vamos assistir a uma animação sobre o Modelo Padrão e suas partículas fundamentais. As figuras que ilustram as partículas são mera criação artística, outras publicações utilizam outras figuras. É muito difícil, quase impossível, encontrar uma representação gráfica para uma partícula que na Teoria Quântica é descrita por uma função de onda com diversos números quânticos.
Neste link, você também pode ler um breve histórico sobre a
descoberta de algumas partículas e a previsão da existência da
partícula higgs. Esta última é atualmente a partícula mais procurada.
Milhares de pesquisadores do LHC
no CERN estão trabalhando intensamente para observá-la
experimentalmente. Ela, sendo observada, explicará a origem da massa na
matéria (O anúncio da descoberta do Higgs foi realizado em Julho de 2012 no CERN e Prêmio Nobel em Física de 2013 foi dividido por François Englert e Peter W. Higgs pela previsão e descoberta desta partícula).
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(Clique aqui
para ampliar a imagem) |
Clicando na figura, você pode assistir a uma animação
da TV Cultura sobre o Modelo Padrão (se necessário, atualize
a animação e use a
codificação Unicode UTF-8)
Agora que você já conhece um pouco da Física de partículas elementares, teste os seus conhecimentos (clique na imagem).
Após verificar o resultado das suas respostas, clique em Responder outro Quiz, para responder a um novo conjunto de perguntas.
(Clique na imagem e teste seus conhecimentos)
Vou concluir esta disciplina, mostrando um pouco do trabalho científico do Prof. Cesar Lattes. Poderia escrever páginas sobre o legado por ele deixado, mas vou apenas citar alguns fatos e deixar vocês assistirem ao vídeo e lerem os artigos que selecionei.
O Prof. Cesar Lattes foi o físico brasileiro mais importante da sua época. Jovem, em 1947, participou decisivamente da descoberta da partícula méson π. Em Bristol, Inglaterra, aprimorou a técnica de detecção de partículas com emulsões nucleares, o que permitiu detectar alguns mésons na Europa. Viajou para Chacaltaya, Bolívia, a 5.200 metros acima do nível do mar, e expôs as suas emulsões aprimoradas, obtendo assim eventos de mésons suficientes para confirmar a descoberta do méson π, partícula prevista por Yukawa. A descoberta desta partícula portadora da força nuclear residual, que mantém o núcleo coeso, abriu o caminho para a construção do Modelo Padrão que temos hoje.
Em 1948, Lattes foi para Berkeley (EUA) e, em pouquíssimo tempo, junto com Gardner, detectou os mésons no Acelerador Sincrocíclotron, inaugurado em 1946. Lattes, assim, demonstrou dominar a Física dos mésons e a sua técnica de detecção.
Essa descoberta foi tão importante que Yukawa recebeu o Prêmio Nobel em 1949 pela previsão teórica do méson, e no ano seguinte Powell, chefe da equipe de Bristol, também foi premiado pela detecção do méson π.
Em 1949, com 25 anos, Lattes volta ao Brasil e com a sua enorme popularidade e prestígio participa da criação do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e na década de 60 da Unicamp. Lattes manteve durante décadas uma das mais importantes colaborações científicas brasileiras, a Colaboração Brasil-Japão, que teve o seu início com uma carta que recebeu de Yukawa.
Esta primeira
figura apresenta um dos mésons π observados por Lattes em 1947. No
Modelo Padrão das partículas elementares, o píon é composto por dois
quarks (ud),
que, via partícula mediadora da força nuclear fraca W+,
decaem nos léptons múon positivo e neutrino muônico.
Você pode ler agora um excelente artigo sobre a obra do Prof. Lattes, publicado na Revista Física na Escola: Lattes: Nosso Herói da Era Nuclear.
No Caderno Brasileiro de Ensino de Física, o Prof. Bassalo publicou este artigo que descreve a importância do trabalho do Prof. Lattes no contexto da Física brasileira e mundial: César Lattes: Um dos descobridores do então méson Pi.
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Agora assista ao vídeo do Globo Ciência, em homenagem ao Prof. Cesar Lattes. |
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Outras duas ótimas referências sobre o trabalho e vida do Prof. Lattes são:
Internet
