![Nebulosa Carina](<img src="https://2.bp.blogspot.com/-VN2kWtz4nF4/U7oHzfNkTiI/AAAAAAAAQYc/uCsFsPyoRxQ/s1600/ceu+10155641_651524224919255_6468291284803831739_n.jpg" /></div>)
Tabela do
Modelo Padrão
da Física de Partículas
O grito
Obra de Edvard Munch
1893
Bem!
depois do susto ...
vamos tentar entender...
Modelo Padrão
da
Física de Partículas
é a mais sofisticada teoria matemática, sobre a natureza da matéria, que já se teve conhecimento em toda a história.
A princípio se apresenta de modo simplificado, como uma teoria que identifica as partículas elementares e suas interações.
Depois no âmbito de sua teoria, focalizam-se aspectos como:
- Vácuo não é vazio
- Partículas nuas e vestidas
- Matéria escura e Vento escuro
- Matéria e Antimatéria
- Campo e o Bóson de Higgs
- Neutrinos Oscilantes
Todos estes temas podem ser motivadores, do ponto de vista do ensino e aprendizagem da física, já que as Teorias científicas estão sempre em construção, pois o conhecimento científico é um permanente questionar, para assim avançar o conhecimento, e consequentemente, superar uma teoria por outra mais completa.
Apesar da palavra “modelo” em seu nome, o Modelo Padrão como já dissemos, não é um modelo, e sim uma Teoria compreensiva, que identifica as partículas básicas, ou seja, as partículas elementares, e, especifica como elas interagem.
Apesar da palavra “modelo” em seu nome, o Modelo Padrão como já dissemos, não é um modelo, e sim uma Teoria compreensiva, que identifica as partículas básicas, ou seja, as partículas elementares, e, especifica como elas interagem.
Tudo o que acontece em nosso mundo, exceto os efeitos da gravidade, resultam das partículas do Modelo Padrão interagindo de acordo com suas regras e equações.
O átomo, é a unidade fundamental da matéria, ou seja, algo que ocupa espaço e tem massa, que normalmente é constituído de prótons, nêutrons e elétrons
Toda a matéria conhecida é formada por partículas elementares.
Em 1964, Murray Gell-Mann, Prêmio Nobel 1969, e George Zweig, postularam a existência dos quarks, comprovadas e identificadas nos aceleradores de partículas.
A grande maioria do volume do átomo é espaço dito "vazio" (vácuo) entre o núcleo e os eléctrons.
O centro de um átomo é chamado de núcleo, e consiste de núcleons (prótons e nêutrons).
Prótons e Nêutrons têm aproximadamente a mesma massa, os elétrons são por sua vez cerca de 1.800 vezes menor que os prótons e nêutrons, sendo:
Os nêutrons não tem carga elétrica, mas tem massa unitária 1
Os Elétrons tem carga elétrica (-) negativa e quase não possui massa. (9,10938291 × 10-22 microgramas)
As partículas do núcleo se mantem unidas, pela Força Nuclear Forte, que é uma das quatro forças fundamentais da natureza.
Os elétrons estão sempre em movimento na eletrosfera do átomo, além de se movimentar no espaço que o contém, ele como todas as partículas, giram sobre seu próprio eixo, movimento este, que é chamado de Spin e pode ser da direita para a esquerda e vice-versa.
O Spin é um fenômeno estritamente quântico, e sua associação com o movimento de rotação das partículas sobre seu eixo, deve ser utilizada para a correta descrição termodinâmica
( dinâmica da temperatura) dos entes físicos em questão.Quando no âmbito da Mecânica Quântica, (estruturas e comportamento das partículas) o Spin é associado diretamente ao momento angular intrínseco das partículas, sendo necessário para a descrição desta grandeza, e portanto, caracteriza-se não só como uma entidade matemática, mas também como uma entidade física indispensável à descrição dos Sistemas Quânticos.
O spin também estabelece qual é a estatística utilizada, quando se quer detalhar o comportamento de um sistema físico quântico a medida que o seu número de partículas é aumentada , pode-se imaginar como seria difícil descrever o movimento de uma molécula de um gás num sistema contendo milhares dessas partículas. Entretanto é possível estimar diversas variáveis macroscópicas do sistema tais como pressão e temperatura, equilíbrio térmico, sem a necessidade de conhecer detalhes dos movimentos de cada partículas, utilizando conforme o caso as estatísticas abaixo:
- Estatística de Fermi-Dirac para férmions que são partículas com spin semi-inteiro e descritas por auto funções anti simétricas é mais usualmente utilizada para o estudo do comportamento de eletróns em sólidos, como tal é a base da teoria dos dispositivos semi-condutores e da eletrônica.
- Estatística de Bose-Einstein é úma formulação matemática
utilizada para se obter o número de partículas num determinado estado de energia para bósons que são partículas com spin inteiro e descritas por auto funções simétricas entre eles,pode-se citar também fótons, mésons e compostos de números pares de partículas como 4He e outros
- Estatística de Maxwell–Boltzmann (para partículas clássicas não interagentes) útil para estudar gases.A estatística de Bose-Einstein reduz-se à estatística de Maxwell-Boltzmann para energias:
De acordo com o Modelo Padrão, as partículas elementares são os Fermions dos quais temos Quarks e Léptons, pois não possuem estrutura interna, ou seja, não são formados por outras partículas menores.
Partículas Elementares
Não tem estrutura interna
São seis tipos de partículas quarks e seis tipos de partículas léptons.
A primeira linha são partículas de 1ª geração (mais leve e matéria estável).
A segunda linha são partículas de 2ª geração.
A terceira linha de são partículas de 3ª geração são mais pesada e instáveis.
Qualquer partícula mais pesada logo decai para o próximo nível mais estável.
A segunda linha são partículas de 2ª geração.
A terceira linha de são partículas de 3ª geração são mais pesada e instáveis.
Qualquer partícula mais pesada logo decai para o próximo nível mais estável.
A Força Forte e a Força Fraca só atuam em níveis subatômicos.
As forças surgem quando entra em cena outro grupo de partículas chamado bósons (virtual ou real), que carregam a energia ou massa.
Bósons são virtuais quando, não aparecem num detector de partículas, mas são mensuráveis, pois o bóson emitido de uma partícula irá alterar a velocidade de outra partícula, como uma força.
Os Bósons são temporários, enquanto estão envolvidos num processo, e existem em cálculos matemáticos podendo até ter massa negativa.
Quando o Bóson se faz presente (real não seria o termo adequado, pois a partícula virtual tem que ser considerada), ele se comporta como onda.
Fótons reais são emitidos se um elétron passa por outro ou “troca” para um orbital mais perto do núcleo.
Fótons são absorvidos se um elétron “troca” para um orbital mais afastado do núcleo.
Fótons são virtuais na força eletromagnética repulsiva entre dois elétrons (lei de Coulomb).
Existe a dualidade “partícula - onda” na mecânica quântica.
Se uma força eletromagnética está atuando é porque tem transferência de energia pelo Bóson chamado Fóton.
A Força Forte é carregada pelo Bóson chamado Glúon.
A Força Fraca (na radioatividade) é carregada pelos Bósons W e Z (massa ou energia elevada - pequeno alcance).
Se for achado, o hipotético Bóson Gráviton seria a partícula correspondente (transporta) da gravidade.
Hádrons sentem a força forte (Glúon) - quarks se unem para formar prótons e nêutrons (3 quarks - bárions ou matéria - férmions) ou quarks/antiquarks, duram microsegundos, não são elementares e sim compostas, como píons e kaons (2 quarks - mésons - bósons). O primeiro méson real píon foi descoberto pela equipe de Cecil Powell e seu principal pesquisador César Lattes (de Curitiba), em 1947, nos raios cósmicos registrados em chapas fotográficas. Powell recebeu o prêmio Nobel, por ser o líder, assim como Hideki Yukawa por ter previsto teoricamente. Já o núcleo atômico tem 2 forças fortes em um instante: o píon virtual está ligado com a atração entre prótons e nêutrons (menor ou força nuclear - energia dos reatores nucleares ou bomba atômica), e o glúon com a atração entre os quarks dos prótons, nêutrons e do próprio píon (maior ou força forte - energia do aniquilamento ou criação matéria-antimatéria). Partículas compostas podem ser Férmions ou Bósons (se contiver nº par de férmions, será um bóson - spin inteiro). O quadro completo, onde os neutrinos têm pouquíssima massa e são eletricamente neutros (carga zero, não influenciados pelo campo magnético), os fótons e glúons não possuem massa nem carga, a força forte não diminui com o aumento da distância (atrativa) e a força fraca e o eletro magnetismo podem ser atrativas ou repulsivas:
Há seis tipos de Quarks cada um com sua própria nominação, e assim como a carga elétrica é uma propriedade de certas partículas, os Quarks também podem ter carga elétrica positiva ou negativa.
- Quark Up (u)
- Quark Down (d)
- Quark Charme (c)
- Quark Estranho (s)
- Quark Botton (b)
- Quark Top (t)
Cada Quarks possue a propriedade cor, que poderia ser chamada de carga cor, apresenta três variedades Vermelho Verde e Azul
De modo geral uma antipartícula tem a mesma massa e o mesmo spin da partícula em questão,
porém com cargas opostas.
porém com cargas opostas.
Os quarks up e down possuem as menores massas entre todos os quarks. Os quarks mais pesados mudam rapidamente para quarks up down por meio de um processo de decaimento, que é a transformação de um estado de maior massa a um estado de menor massa. Devido a isso, quarks up e quarks down são geralmente estáveis e são os mais comuns no universo, enquanto que os quarks strange, charm, bottom e top só podem ser produzidos em colisões de alta energia (como as que envolvem os raios cósmicos e em aceleradores de partículas).
Outra característica peculiar dos Quarks é que eles têm carga fracionária (+2/3 e) para alguns tipos e (-1/3 e) para outros, onde "e" significa elétron cuja carga era a menor conhecida, até a descoberta dos Quarks em meados do século XX, o que justifica o fato da carga do elétron ser considerada "carga elementar", a carga do elétron equivale e = 1,602 x 10-19 Coulomb).
As partículas de Quarks nunca foram detectados livres, elas estão sempre confinados em Hádrons, de tal modo que a soma algébrica das cargas dos Quarks que constituem um determinado Hádron, é sempre um múltiplo da carga do elétron.
Há seis Léptons, também com suas próprias nominações, e como para cada partícula há uma antipartícula teremos 12 Léptons, eles podem ou não terem carga:
- Elétron ( é o Lépton mais conhecido, sua carga é negativa)
- Múon -
- Tau
- Neutrino do Elétron
- Neutrino do Múon
- Neutrino do Tau
Hádrons
Partículas Compostas
Tem estrutura interna
Partículas que possuem estruturas internas, ou seja são constituídas por Quarks, são chamadas de Hádrons.
Quando a partícula é formada por um quark e anti quark recebe o nome de Méson. São seis as constituições e nomeações dos Mésons.
Quando a partícula é formados por três quarks e consequentemente três anti quarks recebe o nome de Bárion.
Segundo o Modelo Padrão, a grande quantidade de partículas elementares, cerca de 400 até hoje detectadas em aceleradores/colisores de partículas ou em raios cósmicos, podem ser agrupadas em Léptons, Quarks e Hádrons.
Ou em Léptons e Hadrons já que os Hadrons são constituídos por Quarks.
Ou ainda podem também serem agrupados em Léptons, Bárions e Mésons, pois os Hádrons podem ser divididos em Bárions e Mésons.
A estrutura interna do Próton é uud ( 2 Quarks Up e um Quark Down.
A estrutura interna do Nêutron é udd (1 Quark Up e dois Quark Down.
Segundo o Modelo Padrão, a grande quantidade de partículas elementares, cerca de 400 até hoje detectadas em aceleradores/colisores de partículas ou em raios cósmicos, podem ser agrupadas em Léptons, Quarks e Hádrons.
Ou em Léptons e Hadrons já que os Hadrons são constituídos por Quarks.
Ou ainda podem também serem agrupados em Léptons, Bárions e Mésons, pois os Hádrons podem ser divididos em Bárions e Mésons.
Interações
Na natureza há quatro tipos de interações fundamentais são elas:
Eletromagnética
Forte
Fraca
Gravitacional
Cada uma delas é devida a uma propriedade fundamental da matéria:
Massa (interação gravitacional)
Carga Elétrica (interação eletromagnética)
Cor (interação forte)
Carga (interação fraca)
Se chamarmos cada uma dessas propriedades de carga, teremos quatro cargas:
carga massa
carga elétrica
carga cor
carga fraca
Assim sendo, há também quatro forças fundamentais na natureza:
força gravitacional
força eletromagnética
força cor
força fraca
Todas aquelas forças que parecem ser distintas, como forças elásticas, forças de atrito, forças intermoleculares, interatômicas, interiônicas, forças de viscosidade, etc, são casos particulares ou resultantes dessas quatro forças fundamentais.
As interaçõe fundamentais ocorrem como se as partículas interagentes "trocassem" outras partículas entre si e as partícula imediadoras seriam:
As interaçõe fundamentais ocorrem como se as partículas interagentes "trocassem" outras partículas entre si e as partícula imediadoras seriam:
- Fótons na interação eletromagnética
Com isso queremos dizer que partículas eletricamente carregadas interagiriam trocando fótons.
- Glúons na interação forte
Partículas com carga cor interagiriam trocando glúons.
- As partículas W e Z n interação fraca
Partículas com carga fraca trocariam partículas W e Z
- Gravitons (ainda não detectados) na interação gravitacional
Partículas com massa trocariam gravitons
As partículas mediadoras podem não ter massa mas tem energia, ou seja são pulsos de energia, por isso são chamadas de virtuais.
Dos quatro tipos de partículas mediadoras, as do tipo W e Z no entanto é comum chama-las também de partículas virtuais. Poderíamos então dizer que as partículas de matéria ou partículas reais ( léptons, quarks e hádons ) interagem trocando partículas virtuais (fótons e glúons).
A interação forte pode ser dividida em fundamental e residual:
- Fundamental é a própria interação forte
- Residual decorre de balanços imperfeitos das atrações e repulsões entre os quarks que constituem os hádrons.
Assim como a Interação Forte, a Interação Cor pode ser diferenciada em:
- Força Cor Forte
- Força Cor Residual
ou seja, a cada interação corresponde uma força, então se a interação forte pode ser interpretada como fundamental ou residual, correspondentemente, pode-se falar em Força Cor Forte e Força Cor Residual.
- A Força Cor Residual pode ser entendida através de analogia com a Força Eletromagnética chamada de Van der Waal's, entre dois átomos neutros ou com a Força Molecular entre duas moléculas neutras.Assim como essas forças resultam de um balanço imperfeito das atrações e repulsões entre as cargas elétricas existentes nesses átomos e moléculas, a Força Forte entre duas partículas sem cor (i.e., neutras em relação à propriedade chamada cor) é uma Força ( residual) decorrente de um balanço imperfeito das atrações e repulsões entre os quarks que constituem essas partículas. Portanto a Força Forte entre hádrons ( partículas sem cor) que está sendo aquí chamada de força cor residual é apenas uma manifestação de uma Força mais forte e mais fundamental - a Força Cor - que atua entre quaeks existentes dentro de cada hádron.
Lembremos que há uma equivalência entre massa e energia respectivamente.
Mésons também podem atuar como partículas mediadoras, mas no caso da interação Forte Residual. São os quanta do campo mesônico, o qual não é um campo fundamental como o eletromagnético, o forte, o fraco e o gravitacionak.
As partículas que estão aqui sendo consideradas reais porque têm massa podem também ser virtuais como por exemplo os pares eletrón-pósitrons virtuais mencionados na secção vácuo não é vazio, tudo depende da energia. Partículas reais podem ir de um ponto A para um ponto B, conservam energia e fazem clicks em contadores Geiger. Partículas virtuais não fazem nada disso.
As partículas mensageiras, ou partículas de Força, podem ser reais, mas mais frequentemente aparecem na teoria como virtuais, de modo que muitas vezes são sinônimos, ou seja, considera-se que as partículas mediadoras são virtuais.
Partícula Virtual é um construto lógico: partículas podem ser criadas tomando energia "emprestada" de alguma fonte e a duração do empréstimo é governada pela relação da incerteza de Heisenberg ∆E∆T > h/2π, o que significa que quanto maior a energia "emprestada" menor o tempo que uma partícula virtual pode existir (Já mencionado).
Por exemplo, se houver disponibilidade de energia, um eletron pode emitir um fóton real que fará click em um detector geiger real (já mencionado). Em resumo, tanto as part´culas usuais (elétrons, múons, quarks...) como as partículas mediadoras podem ser reais ou virtuais, podem estar em um estado real ou virtual.O modelo Padrão da Física de Partículas 1306-3 W eZ, e grávitons).
Aqui é preciso levar em conta
que as partículas de matéria podem ter mais de uma
carga, de modo que experimentariam várias interações e foças, mas o âmbito da interação pode variar muito,
a tal modo que em um determinado domínio uma certa
interação seja irrelevante. A força gravitacional, por
exemplo, inegligenciavel no domínio subatômico. Quer
dizer, embora existam quatro interações fundamentais,
quatro cargas e quatro for¸cas isso n˜ao quer dizer que
todas as part´ıculas tenham as quatro cargas e experimentem
as quatro interações.
Mas faltam os campos! Os quatro campos. Sabemos
que, na gravitação de Newton, um corpo com massa cria
em torno de si um campo gravitacional, um campo de
força que exerce uma força sobre outro corpo massivo e
vice-versa. Analogamente, um corpo carregado eletricamente,
cria um campo eletromagnético (se estiver em
repouso, percebe-se apenas seu componente elétrico, se
estiver em movimento manifesta-se também o componente
magnético) e exerce uma força eletromagnética
sobre outro corpo eletrizado e vice-versa.
Da mesma forma, há o campo da força forte e o
campo da força fraca. Ou seja, há quatro campos fundamentais:
o
eletromagnético, o forte, o fraco e o gravitacional.
10
As partículas mediadoras são os quanta dos campos correspondentes: os fótons são os quanta do campo eletromagnético, os glúons são os quanta do campo forte, as partículas W e Z do campo fraco e os grávitons seriam os quanta do campo eletromagnético. Em outras palavras, os quatro campos fundamentais são o campo de fótons (eletromagnético), o de glúons (forte), o de partículas W e Z (fraco) e o de grávitons (gravitacional). O problema nessa bela simetria de quatro cargas, quatro interações, quatro forças, quatro tipos de partículas mediadoras e quatro campos já que nenhum gráviton foi ainda detectado e a gravidade, em si, não encaixa bem nessa teoria que se convencionou chamar de Modelo Padrão. Este assunto será retomado mais adiante. Para finalizar esta seção, apresenta-se, na Fig. 1, uma visão esquemática do Modelo Padrão. Como consta na legenda dessa figura, trata-se de uma simplificação. Feito isso, o restante deste trabalho será dedicado a abordar aspectos dessa teoria que poderão ser motivadores do ponto de vista do ensino e da aprendizagem da física.
2. O vácuo não é vazio Na seção anterior falamos de partículas virtuais, como os fótons e os glúons, ou seja, partículas sem massa. Pois bem, quando a na energia é mais que o dobro da massa do elétron (tal como ocorre a uma distância de aproximadamente 10−11 cm) algo muito estranho pode ocorrer no vácuo: a produção de um par de partículas consistindo de um elétron e um pósitron. Se, de alguma forma, houver um suprimento de energia de fora do vácuo esse par tornar-se-á um par de partículas reais, sem violar a conservação da energia. Se não acontecer isso, o par desaparecerá tão rápido quanto foi produzido. Ou seja, o par elétron - pósitron é virtual, mas isso significa então que o vácuo está cheio de um grande número (essencialmente infinito) de pares elétron-pósitron virtuais. [5, p. 146]. Então, além de fótons e glúons há também elétrons e pósitrons virtuais, e outras partículas como múons e antimuons virtuais. De um modo geral, uma partícula virtual é uma “partícula que não aconteceu”: não tem massa e existe apenas durante um curto período de tempo em uma pequena região do espaço. As relações de incerteza são responsáveis pelo aparecimento de partículas virtuais na física (ibid.). Elas têm importância em distâncias muito pequenas, mas são irrelevantes na física macroscópica. Por exemplo, podemos supor que o vácuo
está cheio de pares virtuais de múons e antimúons que normalmente não são detectados. Porém, em um experimento de aniquilação de um elétron e um pósitron (reais) em um acelerador/colisor de partículas aparecem múons reais que são observados nos detectores de partículas. De onde vieram? Um par múon-antimuon virtual recebeu a energia resultante da aniquilação e deixou a região (muito pequena) onde ocorreu a interação, como um par de múons reais. O interessante de tudo isso é que o vácuo então não é vazio. O que parece tão simples macroscopicamente é um sistema muito complicado na teoria quântica. Na verdade, identificar vácuo com espaço não ocupado por alguma coisa é uma concepção errônea inclusive no domínio da física clássica, pois, mesmo quando não há matéria em uma região do espaço ela continua preenchida e percorrida por campos e ondas. Não é desprovido de qualidades o espaço onde estão e se movem objetos ou sistemas e, ainda que possamos dizer que um objeto se desloca no vácuo quando não encontra outras partículas em seu trajeto, o espaço clássico nunca é literalmente vazio [6, p. 89]. Mas não se trata do velho conhecido éter que físicos de outras épocas propuseram como preenchendo todo o espaço e servindo de meio de propagação da luz e de outras ondas eletromagnéticas. Isso deverá ficar claro nas próximas seções. 10 O que se está buscando é manter a simetria, dizendo que há em quatro campos fundamentais, quatro cargas, quatro interações e quatro tipos de partículas mediadoras; na verdade, é só na gravitação newtoniana que um corpo com massa cria em torno de si um campo gravitacional, não na relatividade geral. 11 De acordo com as relações de incerteza de Heisenberg quanto mais precisas as medidas do momentum ou da energia de uma partícula maiores as incertezas em medições no espaço e no tempo. 1306-4 Moreira transmitida por transmitida por transmitida por que exerce que exerce que exerce que exerce transmitida por que cria que cria que cria que cria devida à devida à devida à devida à que são compostas; têm estrutura interna há seis tipos há seis tipos há dois tipos que são que são que são interagem trocando que são que são que são que são identifica especifica O Modelo Padrão das partículas elementares Partículas básicas Interações fundamentais Léptons Quarks Hádrons Quark up (u) Quark down (d) Quark charme (c) Quark estranho (s) Quark bottom (b) Quark top (t) Elétron Neutrino do elétron Múon Neutrino do múon Tau Neutrino do tau Bárions (formados por três quarks ou três antiquarks) Mésons (formados por pares de quarkantiquark) Eletromagnética Forte Fraca Gravitacional Carga elétrica Campo eletromagnético Força eletromagnética Fótons Carga cor Campo forte Força forte Glúons Carga fraca Campo fraco Força fraca Partículas W e Z Carga massa Campo gravitacional Força gravitacional Grávitons interna Partículas reais (Partículas de matéria) Partículas virtuais (Partículas de força) elementares; não têm estrutura que são verdadeiramente que são de quatro tipos Figura 1 - Um esquema simplificado para o Modelo Padrão. Nesse esquema não é feita nenhuma alusão ao fato de que para cada partícula existe uma antipartícula, não se considera que os quarks têm a propriedade cor que se apresenta em três variedades (de modo que seria 18 o número de quarks) e que a interação forte pode se apresentar como fundamental ou residual (que seria mediada por mésons). Além disso, sugere que a interação gravitacional está perfeitamente integrada ao Modelo Padrão, o que ainda não ocorreu e talvez nem venha a ocorrer. Sugere também que as partículas W e Z são, de fato, virtuais, mas elas podem ser também reais como foi explicado na nota 8. E uma visão simplificada buscando destacar a simetria da teoria. Por isso, é preciso aceitá-la criticamente. 3. Partículas nuas e vestidas Suponhamos que um elétron fosse colocado no vácuo. Poder-se-ia pensar que nada aconteceria, por´em como o vácuo está cheio de pares elétron-pósitron virtuais, o elétron sendo negativo repeliria todos os elétrons virtuais e atrairia todos os pósitrons virtuais dos pares existentes na região do vácuo em torno de si. O elétron ficaria, assim, envolto por uma nuvem de pósitrons virtuais. O vácuo ficaria então polarizado pelo elétron [5, p. 148]. Qual o efeito disso? A carga do elétron fica parcialmente blindada pela nuvem do pósitrons virtuais. De longe não faz diferença. O que se “vê” é o elétron e a nuvem como um todo e náo se pode distinguir que parte da carga do elétron é dele mesmo e que parte é da nuvem polarizadora. E o elétron físico, conhecido, que gera corrente nos fios e que tem carga -e. E o elétron do “dia-a-dia”: o elétron “vestido”, ou seja, com a nuvem. Um elétron sem a nuvem de pósitrons virtuais é chamado de “elétron nu”. Em altas energias, o efeito da polarização pode ser percebido: à medida que o elétron vai sendo “despido”, sua carga elétrica aumenta. Ou seja, a carga elétrica do “elétron nu” é maior do que a do elétron “vestido” (o velho conhecido elétron), o que explica porque a lei de Coulomb não vale para dois elétrons a uma distância inferior a 10−11cm. Quer dizer, em distancias dessa ordem a força entre dois elétrons é um pouco maior do que aquela que se esperaria a partir da lei de Coulomb (ibid). Interessante como as coisas mudam no domínio do muito pequeno: as partículas virtuais violam a conservação da energia, mas por muito pouco tempo (se não há um aporte de energia para que uma partícula virtual vire partícula real ela logo desaparece); a lei de Coulomb não dá o resultado esperado porque nesse domínio o elétron pode “ficar nu” e sua carga aumenta porque diminui o efeito da polarização. Assim como na eletrodinâmica quântica os elétrons estão envolvidos por uma nuvem de pósitrons virtuais, O Modelo Padrão da Física de Partículas 1306-5 na cromodinâmica os quarks estão envoltos em uma nuvem de glúons (o vácuo também está cheio de glúons, partículas igualmente virtuais). Pode-se, então, falar também de quarks “nus” e quarks “vestidos” ou, de um modo geral, em “partículas nuas” e “vestidas”. 4. O campo e o bóson de Higgs Teoricamente, o vácuo é preenchido não só pelas partículas virtuais (fantasmas?) e pelos quatro campos fundamentais, mas também por um outro campo fundamental, chamado campo de Higgs e, consequentemente, por uma partícula mediadora que seria o bóson12 de Higgs [7]. Bósons de Higgs são partículas previstas teoricamente, em 1964, pelo físico escocês Peter Higgs e usadas, posteriormente, por Steven Weinberg (1967) e Abdus Salam (1968) para explicar porque outras partículas, os bósons W e Z, têm massa. Havia na teoria eletrofraca, formulada em 1962 por Sheldon Glashow, um paradoxo envolvendo as partículas W e Z. Por um lado, a debilidade das interações fracas requereria que tais partículas tivessem massas relativamente elevadas. Por outro, a simetria da teoria que dava conta dessas interações exigia que suas massas fossem nulas. Tal contradição desapareceria se as massas dos bósons W e Z fossem aparentes. Quer dizer, se suas massas fossem “dadas” por outras partículas: os bósons de Higgs. De acordo com o chamado mecanismo de Higgs13, as partículas W e Z se chocariam incessantemente com outras partículas presentes em todo o espaço, as partículas de Higgs, que explicariam suas massas. Ou seja, a massa das partículas W e Z seria dada pela massa das partículas com as quais estariam permanentemente chocando-se. Existiria um campo de Higgs, fundamentalmente diferente dos demais campos pois, segundo a teoria, o estado de energia mínima desse campo ocorreria não quando se anulasse (como é o caso, por exemplo, do campo eletromagnético) mas em um determinado valor específico distinto de zero [1]. Consequentemente, um campo de Higgs não-nulo permeia o universo, e as partículas estão sempre interagindo com ele, deslocando-se através dele como pessoas vadeando na água. Essa interação lhes dá sua massa, sua inércia (ibid., p. 62). Hoje, o mecanismo de Higgs ´e considerado como a origem da massa de todas as partículas elementares, mas o paradoxo teórico envolvendo as partículas W e Z foi identificado antes que as próprias partículas tivessem sido detectadas. Então, uma vez detectadas as partéculas (massivas) W e Z, o problema passou a ser a detecção do bóson de Higgs, o que até agora, passados mais de quarenta anos, ainda não aconteceu, mas que se espera que aconteça antes de 2010. Isso porque as máquinas, ou seja, os aceleradores/colisores/detetores de partículas ate hoje construídos não foram capazes de alcançar uma energia suficiente para criar/detectar bósons de Higgs.
O que é massa afinal? Paradoxalmente, a massa, uma propriedade tão familiar da matéria, é um dos assuntos mais pesquisados na física de partículas. Os físicos querem explicar essa propriedade, querem explicar por que as partículas têm massa. Isso, como visto na seção anterior, tem a ver com o bóson de Higgs e melhorará e estenderá o Modelo Padrão. Nesta seção, esse assunto será explorado um pouco mais. Mas antes, vejamos o que hoje se considera concepções alternativas (misconceptions) sobre massa, na visão de Okun [8, p. 12-13]. “Massa de repouso” e “massa relativística” é uma terminologia antiga, do início do século XX, para manter a relação newtoniana entre momentum, massa e velocidade (p = mv). No entanto, a relação correta é
a expressão relativística p = mv/ p 1 − v 2/c2 de modo que levando em conta que F = dp/dt, a expressão F = ma é válida apenas no limite n˜ao-relativista onde v/c << 1. Na mecˆanica relativista, a “massa de repouso” n˜ao ´e nem a massa inercial (i.e., o coeficiente de proporcionalidade entre for¸ca e acelera¸c˜ao) nem a massa gravitacional (i.e., o coeficiente de proporcionalidade entre 12B´osons s˜ao part´ıculas com spin (momentum angular intr´ınseco) inteiro que n˜ao obedecem o Princ´ıpio da Exclus˜ao de Pauli (duas part´ıculas com o mesmo spin n˜ao podem ocupar o mesmo estado ao mesmo tempo). 13Os f´ısicos Robert Brout e Fran¸cois Englert tamb´em s˜ao respons´aveis pelo desenvolvimento desse aparato te´orico, mas na literatura ele ´e usualmente referido apenas como mecanismo de Higgs. 14A expectativa era que essa m´aquina, cujo custo ´e de cerca de 8 bilh˜oes de d´olares, come¸casse a funcionar em 2008 e, de fato, os primeiros testes foram feitos em setembro de 2008, mas precisou ser desligada por problemas t´ecnicos (aquecimento de supercondutores). Os reparos levaram um certo tempo e, ent˜ao, novos testes ter˜ao que esperar o t´ermino do inverno europeu, por quest˜oes de economia de energia el´etrica. Espera-se, assim, que 2009 seja o ano do LHC (e do b´oson de Higgs). 1306-6 Moreira o campo gravitacional e a for¸ca gravitacional atuando em um corpo). A atra¸c˜ao gravitacional n˜ao ´e determinada pela “massa de repouso”, pois um f´oton ´e defletido pelo campo gravitacional apesar de ter massa nula. Como a atra¸c˜ao gravitacional sobre um f´oton aumenta com a energia do f´oton somos tentados a aceitar que pelo menos nesse caso tem sentido falar em massa relativ´ıstica, ou massa de movimento, mas isso n˜ao ´e correto. Uma teoria consistente do movimento de um f´oton (ou qualquer outro objeto movendo-se com velocidade compar´avel `a da luz) em um campo gravitacional mostrar´a que a energia de um corpo n˜ao ´e equivalente a sua massa gravitacional. Outro exemplo dessa desafortunada terminologia ´e a falsa afirma¸c˜ao de que na f´ısica de altas energias e na f´ısica nuclear ´e poss´ıvel transformar energia em mat´eria e mat´eria em energia. A energia se conserva. A energia n˜ao se transforma em coisa alguma, s˜ao apenas distintas part´ıculas que se transformam umas em outras. Ou seja, a energia se conserva mas os portadores de energia, e a forma em que ela aparece, de fato, mudam. Concluindo, os termos “massa de repouso” e “massa relativ´ıstica” (ou “massa de movimento”) n˜ao devem ser mais usados e massa deve significar sempre a massa relativisticamente invariante da mecˆanica de Einstein (op. cit.). Massa ´e, ent˜ao, simplesmente massa, uma propriedade intr´ınseca de certas part´ıculas elementares. Os quarks, por exemplo, tˆem massa. Os f´otons e outras part´ıculas virtuais n˜ao tˆem massa. Mas a gravidade atua tamb´em em f´otons, ou seja, atua sobre energia, n˜ao s´o sobre massa. Energia e massa est˜ao relacionadas pela equa¸c˜ao de Einstein E = mc2 , mas isso n˜ao significa que a massa seja dependente da velocidade. Este assunto est´a muito bem discutido no artigo E = mc2 : origem e significados [9]. Mas por que tˆem massa as part´ıculas que tˆem massa? Como se explica a massa? Este ´e um problema que o Modelo Padr˜ao espera resolver com o campo e o b´oson de Higgs. A aquisi¸c˜ao de massa por uma part´ıcula poderia ser explicada da seguinte maneira: o campo de Higgs estaria permeando todo o espa¸co; a part´ıcula mediadora desse campo seria o b´oson de Higgs. Uma part´ıcula real nesse espa¸co interagiria com o campo e ficaria polarizada com b´osons de Higgs que lhe dariam ent˜ao massa. Haveria uma nuvem de b´osons de Higgs associada `a part´ıcula dando-lhe massa. Metaforicamente seria an´alogo ao que aconteceria com uma pessoa muito importante, ou muito conhecida, que chegasse a uma festa, ou seja, a um “campo de pessoas”, e imediatamente muitas outras pessoas viessem cumpriment´a-la e permanecessem ao redor dela onde ela fosse. Ou o que aconteceria com um vendedor de sorvete que passasse por um “campo de crian¸cas” [1]. Note-se que, a rigor, o que daria massa `as part´ıculas seria o campo de Higgs, caso contr´ario seria necess´ario outro mecanismo para explicar a massa do b´oson de Higgs. Um ´unico campo de Higgs seria suficiente para explicar a massa das part´ıculas, mas poderia haver outros tipos de campos de Higgs. Ali´as, o Modelo Padr˜ao Supersim´etrico (uma extens˜ao do Modelo Padr˜ao) prevˆe a existˆencia de cinco b´osons de Higgs (op. cit., p. 34). At´e agora nenhum foi detectado, mas no LEP (Large Electron-Positron Collider ) j´a foram obtidas evidˆencias experimentais indiretas de que eles existem. Sua detec¸c˜ao, como j´a foi dito, parece ser uma quest˜ao de tempo. E de m´aquina! 6. A antimat´eria A antipart´ıcula de uma dada part´ıcula tem a mesma massa e spin dessa part´ıcula, por´em carga el´etrica oposta, assim como opostos o n´umero bariˆonico,15 o n´umero leptˆonico, e assim por diante. Para cada part´ıcula existe uma antipart´ıcula. Assim, a antimat´eria ´e constitu´ıda de antipr´otons, antinˆeutrons, antiel´etrons (chamados p´ositrons), antil´eptons, antiquarks. Part´ıculas neutras como os f´otons s˜ao iguais as suas antipart´ıculas [5]. (Gr´avitons tamb´em seriam iguais as suas antipart´ıculas.) No in´ıcio dos anos trinta, parecia que a mat´eria era constitu´ıda de pr´otons, nˆeutrons e el´etrons, e a intera¸c˜ao eletromagn´etica explicava porque os el´etrons (negativos) ficavam ligados aos n´ucleos (positivos) nos ´atomos. Mas isso n˜ao durou muito porque para explicar a estabilidade do n´ucleo foi preciso postular uma nova intera¸c˜ao fundamental, a intera¸c˜ao forte, e para uma descri¸c˜ao do el´etron que satisfizesse `a teoria quˆantica e `a teoria da relatividade foi necess´ario prever a existˆencia de antipart´ıculas. Isso foi feito por Paul Dirac e, logo depois, em 1933, Carl Anderson detectou em raios c´osmicos a antipart´ıcula do el´etron (antiel´etron ou p´ositron) Antipr´otons e antinˆeutrons foram descobertos nos anos cinquenta. Desde 1955, os f´ısicos de part´ıculas vˆem criando feixes de antipr´otons e desde 1995 conseguem criar anti´atomos (pares antipr´oton-antiel´etron, formando anti´atomos de hidrogˆenio) [10]. Mas por que “criar” antipart´ıculas e anti´atomos? N˜ao existem na natureza? Existem, mas h´a no universo uma assimetria mat´eria/antimat´eria: h´a mais mat´eria do que antimat´eria. H´a no universo uma imensa quantidade de mat´eria, mas s˜ao raras as antipart´ıculas que ocorrem naturalmente. Esta situa¸c˜ao pode ser embara¸cosa para a f´ısica de part´ıculas, mas ´e afortunada para o mundo em que vivemos: mat´eria e antimat´eria quando em con- 15N´umero bariˆonico ´e o n´umero total de b´arions presentes em um sistema menos o n´umero total de antib´arions. Analogamente, n´umero leptˆonico ´e o n´umero total de l´eptons presentes em um sistema menos o n´umero total de antil´eptons. O Modelo Padr˜ao da F´ısica de Part´ıculas 1306-7 tato se aniquilam mutuamente e convertem sua massa total em uma quantidade equivalente de energia, ou seja, pr´oton e antipr´oton se aniquilam produzindo um raio gama com a energia equivalente `a soma de suas massas; el´etron e antiel´etron se aniquilam, e assim por diante, mat´eria e antimat´eria se aniquilando mutuamente. Isso significa que um universo composto da mesma quantidade de mat´eria e antimat´eria seria hostil e inst´avel, n˜ao o tipo de lugar onde grandes quantidades de mat´eria do tamanho de planetas poderiam existir em relativa paz e estabilidade durante bilh˜oes de anos [11]. O processo de produ¸c˜ao de antipart´ıculas ´e o contr´ario da aniquila¸c˜ao. Parte da energia produzida em colis˜oes provocadas nos aceleradores de part´ıculas ´e convertida, por exemplo, em pares de pr´otons e antipr´otons. 7. A simetria CPT O interesse por pesquisar antipart´ıculas ´e, primariamente, te´orico: o chamado teorema da simetria CPT que relaciona as propriedades das part´ıculas e suas antipart´ıculas; de acordo com a teoria, ambas devem seguir as mesmas leis f´ısicas. CPT significa “revers˜ao da Carga”, “invers˜ao da Paridade” e “revers˜ao do Tempo”. Revers˜ao da carga ´e a substitui¸c˜ao de todas as part´ıculas por antipart´ıculas. Invers˜ao da paridade ´e a reflex˜ao especular ou invers˜ao do espa¸co em rela¸c˜ao a um ponto e revers˜ao do tempo significa passar o “filme” da realidade de tr´as para frente [10, p. 58]. Dizer que a natureza ´e invariante frente `a simetria P significa que qualquer processo f´ısico observado em um espelho segue as mesmas leis do processo n˜ao refletido. Embora pare¸ca ´obvia, tal simetria ´e quebrada na intera¸c˜ao fraca envolvida em certos decaimentos radioativos. De um modo geral, em muitas situa¸c˜oes em que a simetria P ´e quebrada a simetria CP ´e preservada, mas em raras ocasi˜oes a simetria CP ´e tamb´em quebrada e essa quebra pode ter a ver com a predominˆancia da mat´eria sobre a antimat´eria no universo (ibid.). A viola¸c˜ao da simetria CP permitiria que part´ıculas e antipart´ıculas deca´ıssem com taxas diferentes. Outro aspecto intrigante da assimetria mat´eria/antimat´eria ´e que das quatro for¸cas fundamentais - eletromagn´etica, gravitacional, forte e fraca - apenas a fraca afetaria diferentemente a mat´eria e a antimat´eria. Ou seja, em qualquer rea¸c˜ao causada pelas for¸cas eletromagn´etica, gravitacional e forte, se novas part´ıculas fossem produzidas elas o seriam em iguais quantidades e tipos de mat´eria e antimat´eria. Estas for¸cas n˜ao poderiam ent˜ao explicar o predom´ınio da mat´eria sobre a antimat´eria. A for¸ca fraca talvez sim, mas isso permanece ainda como um grande desafio para os f´ısicos de part´ıculas [11, p. 16]. Voltando `a quest˜ao das simetrias, se a simetria CP tamb´em ´e violada em certos processos, resta a simetria CPT. A expectativa dentro do Modelo Padr˜ao das part´ıculas elementares ´e que qualquer viola¸c˜ao da simetria CPT deve ser muito pequena. No Modelo Padr˜ao, a simetria CPT ´e uma propriedade fundamental do universo. Viola¸c˜oes significativas dessa simetria indicariam problemas no Modelo Padr˜ao e sugeririam a necessidade de uma teoria que fosse al´em dele. Da´ı o interesse em produzir antipart´ıculas e anti´atomos, nos grandes aceleradores nos Estados Unidos e na Europa, a fim de estudar profundamente suas propriedades. 8. EDQ & CDQ A teoria das intera¸c˜oes entre f´otons e el´etrons ´e chamada Eletrodinˆamica Quˆantica (EDQ); correspondentemente, a teoria das intera¸c˜oes entre gl´uons e quarks ´e chamada de Cromodinˆamica Quˆantica (CQD); (quarks tˆem a propriedade cor; chromos em grego significa cor). H´a, no entanto, uma grande diferen¸ca entre as duas quando se leva em conta a natureza das part´ıculas fundamentais envolvidas (el´etrons e quarks): el´etrons podem ser detectados livremente, quarks n˜ao. Al´em disso, trˆes quarks formam h´adrons e estes s˜ao “brancos”, mas trˆes el´etrons formariam um estado (n˜ao ligado) com carga - 3e, pois a carga el´etrica se conserva. Isso significa que ao inv´es de uma carga, como na eletrodinˆamica, na cromodinˆamica h´a v´arias cargas cor (s˜ao oito) e que a adi¸c˜ao destas cargas n˜ao ´e uma simples soma escalar. Lembremos que cor ´e uma propriedade da mat´eria que no caso dos quarks apresenta trˆes variedades (vermelho, verde e azul), por´em no caso dos gl´uons, combinando estas trˆes cores e suas anticores, chega-se a nove gl´uons, mas um deles ´e branco, restando, ent˜ao, oito gl´uons coloridos. Da´ı dizer-se que na CQD h´a oito cargas cor [5, p. 142]. Prosseguindo com a analogia entre essas duas teorias, observa-se que um campo eletrodinˆamico cria uma for¸ca de atra¸c˜ao entre dois objetos carregados com cargas opostas, a qual em termos quˆanticos ´e criada atrav´es da troca de f´otons virtuais entre esses objetos, da mesma forma que um campo cromodinˆamico criaria uma for¸ca de atra¸c˜ao entre quarks atrav´es da troca de algumas part´ıculas virtuais an´alogas aos f´otons virtuais. Tais part´ıculas, como foi visto, s˜ao chamadas gl´uons. Pode-se ent˜ao “construir” um espa¸co cromodinˆamico no qual as cargas cor fazem o papel da carga el´etrica no espa¸co eletrodinˆamico e os gl´uons o dos f´otons virtuais. Contudo, o acoplamento de gl´uons a quarks ´e mais complicado do que o acoplamento de f´otons a el´etrons, pois quando um f´oton interage com um el´etron este permanece sendo um el´etron, por´em um gl´uon interagindo com um quark pode mudar a cor do quark, isto ´e, transform´a-lo em um outro quark. Quer dizer, as cores dos quarks podem mudar quando eles interagem com gl´uons. E preciso, no entanto, reiterar que a analogia n˜ao ´e ´ total porque, como foi dito, na eletrodinˆamica h´a uma 1306-8 Moreira ´unica carga, a el´etrica, enquanto que na cromodinˆamica h´a oito cargas cor distintas, ou oito gl´uons coloridos. 9. A mat´eria escura Estrelas, planetas, cometas, poeira c´osmica e outras formas ordin´arias de mat´eria parecem constituir aproximadamente 5% da massa do universo. Os outros 95% seriam de “mat´eria escura” e “energia escura”,16 se ´e que isso, que n˜ao se sabe o que ´e, de fato existe. Astrˆonomos h´a d´ecadas buscam registros da existˆencia da mat´eria escura e, aparentemente, est˜ao convencidos de que ela existe, mas a evidˆencia obtida n˜ao ´e, ainda, de todo convincente. H´a alguns anos os f´ısicos de part´ıculas passaram a participar do esfor¸co dos astrˆonomos tentando detectar, experimentalmente, part´ıculas de mat´eria escura. E uma tarefa, em ´ princ´ıpio, muito dif´ıcil, que conduz a um dilema an´alogo ao do b´oson de Higgs: ou se as detecta e verifica-se que a mat´eria escura existe ou as teorias que subjazem `a f´ısica moderna ter˜ao que ser modificadas [13]. A hip´otese da mat´eria escura est´a ligada `a quest˜ao de se o universo continuar´a em expans˜ao ou se esta diminuir´a e ser´a revertida levando eventualmente a um per´ıodo de contra¸c˜ao. Essa quest˜ao est´a relacionada a outra: quanta massa existe no universo? Dependendo da quantidade, a expans˜ao poder´a ser revertida e, inclusive, ocorrer um “Big Crunch”,17 ou continuar´a para sempre. A primeira possibilidade ´e conhecida como universo fechado, a segunda como universo aberto. Entre elas, h´a a do universo plano, ou seja, existiria uma “massa cr´ıtica” do universo, suficiente para reduzir a expans˜ao mas n˜ao suficiente para revertˆe-la. Estimando a massa do universo a partir da mat´eria vis´ıvel, o resultado seria, como foi dito antes, muito pequeno e ter´ıamos o chamado universo aberto. No entanto, h´a evidˆencias experimentais, ainda que n˜ao totalmente convincentes, sobre a existˆencia de uma mat´eria escura que permearia o universo. Combinando a massa da mat´eria observ´avel com a massa estimada da mat´eria escura, o resultado ´e bastante pr´oximo da “massa cr´ıtica”, deixando ainda aberta a quest˜ao de se o universo continuar´a em expans˜ao ou acabar´a se contraindo [4, p. 394]. Supondo, ent˜ao, que a mat´eria escura existe, a pergunta que surge de imediato ´e “de que tipo de part´ıcula seria ela constitu´ıda?”. Neutrinos eram fortes candidatos porque deve haver no universo uma enorme quantidade dessas part´ıculas elusivas resultantes do Big Bang, os chamados neutrinos primordiais, produzidos nos primeiros segundos de Big Bang. Na verdade, seriam candidatos ideais se n˜ao fosse o problema de sua massa ser muito pequena. Mesmo existindo em abundˆancia contribuiriam com uma pequena fra¸c˜ao da mat´eria escura [13, p. 59]. 10. O vento escuro Na verdade, nenhuma das part´ıculas do Modelo Padr˜ao responde `a pergunta da constitui¸c˜ao da mat´eria escura. Consequentemente, tentativas de extens˜oes do Modelo Padr˜ao est˜ao sendo feitas. Uma delas ´e a da Supersimetria, a qual pressup˜oe a existˆencia de toda uma nova fam´ılia de part´ıculas: cada part´ıcula elementar do Modelo Padr˜ao teria uma “superparceira” mais pesada. Sendo mais pesadas, essas part´ıculas seriam, portanto, mais lentas do que as part´ıculas conhecidas, constituindo, ent˜ao, o que se poderia chamar de mat´eria escura “fria”.18 Destas, uma possibilidade atraente para f´ısicos e astrˆonomos ´e o neutralino, uma am´algama das superparceiras do f´oton, do b´oson Z (que transmite a for¸ca fraca) e talvez de part´ıculas de outros tipos (ibid.). O neutralino seria a mais leve das superpart´ıculas; como sugere o nome, teria carga el´etrica zero (portanto, n˜ao afetada por for¸cas eletromagn´eticas) e seria est´avel. Sua estabilidade e neutralidade associadas a uma determinada massa, satisfariam todos os requisitos da mat´eria escura fria. A teoria do Big Bang permite uma estimativa do n´umero de neutralinos que teriam sido criados no plasma quente inicial do universo. Esse plasma era uma sopa ca´otica de todos os tipos de part´ıculas, nenhuma das quais sobreviveu por muito tempo: imediatamente colidiam com outras part´ıculas aniquilando-se mutuamente e produzindo novas part´ıculas que tamb´em colidiam com outras e assim por diante em um processo c´ıclico de cria¸c˜ao e destrui¸c˜ao. Mas `a medida que o universo esfriava e se tornava menos denso as colis˜oes eram menos violentas e menos frequentes, permitindo que as part´ıculas condensassem progressivamente. O neutralino seria uma part´ıcula menos propensa a colis˜oes de modo que teria sido uma das primeiras a condensar.19 Ent˜ao, nesse per´ıodo teria sido produzida uma imensa quantidade de neutralinos cuja massa to- 16Apesar do nome similar, mat´eria e energia escura s˜ao substˆancias distintas: mat´eria escura ´e uma forma ex´otica de mat´eria que n˜ao emite, n˜ao absorve, nem espalha luz; a ´unica intera¸c˜ao `a qual ela reage ´e a gravita¸c˜ao. Energia escura ´e um novo ingrediente que entrou em cena recentemente para explicar o universo porque as formas conhecidas de mat´eria e a mat´eria escura d˜ao conta de apenas aproximadamente 30% dele. Os outros 70% seriam explicados pela energia escura que se distingue da mat´eria escura pelo fato de ser gravitacionalmente repulsiva levando o universo a uma expans˜ao acelerada. Ou seja, o universo estaria dominado por uma energia escura que permeia todo o cosmos e que ainda n˜ao sabemos o que ´e. (12, pp.306-311). 17Crunch significa esmagamento ruidoso. 18A mat´eria escura “quente” seria aquela dos prim´ordios do universo, constitu´ıda de part´ıculas que se moviam com velocidades compar´aveis `a luz. 19Nessa sopa primordial, quarks e gl´uons tamb´em teriam reduzido muito suas velocidades de modo que ap´os alguns microssegundos acabaram unidos por for¸cas muito fortes e permanentemente confinados dentro de pr´otons, nˆeutrons e outras part´ıculas chamadas h´adrons [14, p. 40]. O Modelo Padr˜ao da F´ısica de Part´ıculas 1306-9 tal corresponde bastante bem com a massa estimada de mat´eria escura existente no universo (op. cit., p. 60). Teoricamente, ent˜ao, a existˆencia do neutralino resolve o problema da mat´eria escura. Consequentemente ´e preciso detect´a-lo. Mas para isso ´e necess´ario saber como interage com a mat´eria normal. Se a intera¸c˜ao for apenas a gravitacional, n˜ao h´a esperan¸cas de detect´a-lo pois a for¸ca gravitacional ´e a mais fraca de todas no dom´ınio das part´ıculas elementares. No entanto, a teoria da supersimetria prevˆe que o neutralino interagiria com a mat´eria atrav´es da for¸ca nuclear fraca. Se assim for, h´a possibilidades de detect´a-lo pois embora a for¸ca seja fraca o n´umero previsto de part´ıculas ´e imenso. Como foi dito no in´ıcio desta se¸c˜ao, a mat´eria escura ´e dominante no universo. Sendo escura n˜ao emite radia¸c˜ao, n˜ao perde energia e n˜ao se aglomera para formar estrelas e planetas. Quer dizer, a mat´eria escura permeia o espa¸co interestelar como se fosse um g´as. Seria um g´as estagnado, ou seja, as part´ıculas que o constituem se moveriam, mas aleatoriamente, sem movimento organizado. No entanto, como nosso sistema solar est´a orbitando em torno do centro de nossa gal´axia a 220 km por segundo estar´ıamos sofrendo o impacto de um “vento escuro” que segundo estimativas dos cientistas seria da ordem de um milh˜ao de part´ıculas escuras por metro quadrado por segundo. H´a pelo menos uma dezena de laborat´orios tentando detectar o neutralino desde 1997. Al´em da dificuldade inerente ao fato de que a intera¸c˜ao da mat´eria escura com a mat´eria comum ´e fraca, h´a o problema de que os detectores, sendo constru´ıdos de metal, contˆem tra¸cos radioativos de elementos como urˆanio e t´orio que decaem produzindo part´ıculas que s˜ao confundidas com part´ıculas escuras. A dificuldade n˜ao ´e tanto de sensibilidade, mas de impureza intr´ınseca aos detectores (op. cit., p. 61). At´e meados dos anos setenta a f´ısica de part´ıculas e a cosmologia eram ´areas de pesquisa completamente separadas, por´em, nessa ´epoca, talvez em fun¸c˜ao de grandes cortes de verbas, pesquisadores em f´ısica de part´ıculas se deram conta que estudos sobre os prim´ordios do universo ofereciam uma possibilidade ´unica de investigar fenˆomenos de alta energia que n˜ao podiam ser recriados em laborat´orio [15]. Surgiu assim a cosmologia de part´ıculas, uma ´area h´ıbrida e altamente promissora em f´ısica. 11. Neutrinos oscilantes O Modelo Padr˜ao inclui trˆes tipos distintos de neutrinos: neutrino do el´etron, neutrino do m´uon e neutrino do tau. Haveria, ent˜ao, trˆes “sabores” distintos de neutrinos. De acordo com a teoria proposta pelo f´ısico inglˆes Arthur Eddington, em 1920, a energia do Sol seria proveniente de rea¸c˜oes de fus˜ao nuclear que ocorreriam no seu interior. Mais tarde, com a hip´otese de Pauli (1930) sobre a existˆencia do neutrino e ainda depois com o Modelo Padr˜ao, chegou-se, teoricamente, `a conclus˜ao de que tais rea¸c˜oes produziriam neutrinos do el´etron em abundˆancia. Contudo, desde os anos 60 at´e 2002 os experimentos para detectar esses neutrinos solares sempre davam resultados significativamente inferiores aos previstos pela teoria. Essa incˆomoda diferen¸ca que ficou conhecida como o problema dos neutrinos solares [16] era tamb´em um problema do Modelo Padr˜ao. Quer dizer, uma previs˜ao do Modelo Padr˜ao n˜ao era confirmada pelos resultados experimentais. Em alguns casos, o n´umero de neutrinos detectados era apenas um ter¸co do previsto. Somente em 2002, f´ısicos do Observat´orio de Neutrinos SudBury, em Ont´ario, resolveram este problema confirmando experimentalmente a hip´otese dos f´ısicos Gribove e Pontecorvo, feita em 1969, supondo que os neutrinos produzidos no interior do Sol mudam de sabor antes de chegar `a Terra. Ou seja, o n´umero de neutrinos do el´etron produzidos nas rea¸c˜oes de fus˜ao nuclear, previsto teoricamente, estava bem, mas o n´umero detectado na Terra seria menor porque os neutrinos do el´etron se convertiam em outros neutrinos n˜ao detect´aveis pelos experimentos montados at´e ent˜ao para detectar neutrinos solares. Essa hip´otese dos neutrinos oscilantes depois de confirmada experimentalmente resolveu o problema dos neutrinos solares, confirmou a teoria de Eddington e eliminou essa anomalia existente no Modelo Padr˜ao. Por outro lado, levou a uma modifica¸c˜ao no Modelo Padr˜ao pois, segundo a teoria, os neutrinos seriam part´ıculas sem massa, mas os novos resultados implicavam que eles teriam massa, ainda que muito pequena (op. cit., p. 24). A hip´otese da oscila¸c˜ao dos neutrinos requer que os trˆes sabores de neutrino (do el´etron, do mu´on e do tau) sejam constitu´ıdos de misturas de estados de neutrinos (identificados como 1, 2 e 3) com diferentes massas. Um neutrino do el´etron poderia ser ent˜ao uma mistura de estados 1 e 2 enquanto que um neutrino do mu´on seria uma mistura diferente desses mesmos estados. De acordo com essa hip´otese, enquanto viajam (8 min!) at´e a Terra, esses neutrinos, constitu´ıdos de distintas misturas, oscilam entre um e outro sabor. H´a v´arios modelos para a oscila¸c˜ao dos neutrinos, supondo que a oscila¸c˜ao ocorre ainda no pr´oprio Sol, ou que ocorre no espa¸co vazio ou, tamb´em, que acontece no interior da Terra (eles praticamente n˜ao interagem com a mat´eria), tudo dependendo da mistura e da diferen¸ca de massas. Resultados experimentais recentes, no observat´orio de neutrinos antes referido, indicam que do total de aproximadamente 5 milh˜oes de neutrinos solares que chegam `a Terra por cm2 por segundo cerca de dois ter¸cos s˜ao neutrinos do tau ou neutrinos do mu´on. Como as rea¸c˜oes de fus˜ao nuclear no interior do Sol s´o produzem neutrinos do el´etron, tais resultados confirmam a hip´otese dos neutrinos oscilantes. Oscilantes ou n˜ao, os neutrinos constituem um dos mais fascinantes t´opicos da f´ısica de part´ıculas. S˜ao di- 1306-10 Moreira tos elusivos, ou seja, ariscos, evasivos, fugidios, de dif´ıcil compreens˜ao. Ao que parece, quanto mais os f´ısicos de part´ıculas souberem sobre os neutrinos mais saberemos sobre a natureza da mat´eria, sobre a forma¸c˜ao de gal´axias, sobre a assimetria mat´eria - antimat´eria. 12. Conclus˜ao Como foi dito no in´ıcio, o Modelo Padr˜ao ´e uma excelente teoria, a melhor que j´a tivemos sobre a natureza da mat´eria. E uma teoria que identifica as part´ıculas ´ constituintes da mat´eria e descreve como elas interagem. Al´em disso, o faz apresentando v´arias simetrias e sempre buscando outras. Mas n˜ao ´e uma teoria acabada, nem definitiva. Ao contr´ario ´e, como todas as demais teorias cient´ıficas, uma verdade provis´oria, no sentido de que, seguramente, ser´a modificada, completada, extrapolada, a fim de explicar melhor o que se prop˜oe e, em algum momento, dar´a lugar a outras teorias que, de alguma forma, nela estar˜ao apoiadas. Dentre os problemas que enfrenta o Modelo Padr˜ao pode-se destacar os seguintes [1, pp. 61-62]. - A assimetria mat´eria - antimat´eria: se o universo come¸cou no Big Bang como uma imensa explos˜ao de energia, ele deveria ter evolvido em partes iguais de mat´eria e antimat´eria (simetria CP). Ao inv´es disso, estrelas e nebulosas s˜ao feitas de pr´otons, el´etrons e nˆeutrons e n˜ao de suas antipart´ıculas. Essa assimetria n˜ao ´e explicada pelo Modelo Padr˜ao. H´a no universo muito mais mat´eria do que antimat´eria. - A mat´eria escura e a energia escura: a maior parte do universo ´e constitu´ıda da chamada mat´eria escura e da energia escura, que n˜ao s˜ao formadas pelas part´ıculas do Modelo Padr˜ao. - O campo de Higgs: a intera¸c˜ao com o campo de Higgs, mediada pelo b´oson de Higgs, daria massa `as part´ıculas. Espera-se que o b´oson de Higgs seja detectado nos pr´oximos anos, mas mesmo que isso venha, de fato, a ocorrer, o Modelo Padr˜ao tem dificuldades para explicar formas particulares dessa intera¸c˜ao. Uma delas ´e que pelos c´alculos da teoria atual a massa do b´oson de Higgs seria muito grande e, consequentemente, as part´ıculas do Modelo Padr˜ao teriam massas tamb´em muito grandes. - A gravidade: o gr´aviton nunca foi detectado e o Modelo Padr˜ao n˜ao consegue incluir a intera¸c˜ao gravitacional porque ela n˜ao tem a mesma estrutura das outras trˆes intera¸c˜oes. Tais problemas poder˜ao ser resolvidos. A detec¸c˜ao do b´oson de Higgs ser´a mais um ˆexito espetacular do Modelo Padr˜ao. A hip´otese dos neutrinos oscilantes resolveu o problema da grande diferen¸ca entre o n´umero de neutrinos previstos e o n´umero de neutrinos detectados na Terra. A detec¸c˜ao do neutralino resolveria o problema da mat´eria escura. A gravidade poder´a continuar sendo a grande “dor de cabe¸ca” do Modelo Padr˜ao [4, p. 99). Mas mesmo que se encontre alguma solu¸c˜ao para este problema conceitual da teoria, os f´ısicos acreditam que ela dever´a ser suplantada por outra mais completa. Modelos Padr˜ao Supersim´etricos [1, 17] s˜ao s´erios candidatos. Mas se o Modelo Padr˜ao, apesar das anomalias, ´e uma teoria t˜ao bem sucedida por que os f´ısicos buscam suplant´a-la? N˜ao seria o caso de conviver com as dificuldades? A resposta ´e sim e n˜ao. Por um lado, ´e normal que as teorias cient´ıficas tenham problemas que n˜ao conseguem resolver, desde que resolvam muitos outros. Por outro, o progresso do conhecimento cient´ıfico depende de novas teorias, com maior poder explicativo. Para Bachelard [18], por exemplo, . A filosofia do n˜ao de Bachelard surge n˜ao como uma atitude de recusa, mas sim como de reconcilia¸c˜ao. A nova teoria diz n˜ao `a anterior, mas surge a partir dela. Essa filosofia do n˜ao ´e tamb´em uma filosofia da desilus˜ao. Ou seja, o conhecimento cient´ıfico ´e sempre a reforma de uma ilus˜ao, ´e fruto da desilus˜ao com o que julg´avamos saber [19]. A supera¸c˜ao do Modelo Padr˜ao, na ´optica de Bachelard, ser´a uma consequˆencia natural da desilus˜ao que teremos com ele, da necessidade de dizer n˜ao a ele se quisermos aprender mais sobre part´ıculas elementares e suas intera¸c˜oes, sobre a mat´eria escura, a antimat´eria, o campo de Higgs e outros t´opicos abordados neste artigo.
eletromagnético, o forte, o fraco e o gravitacional.
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As partículas mediadoras são os quanta dos campos correspondentes: os fótons são os quanta do campo eletromagnético, os glúons são os quanta do campo forte, as partículas W e Z do campo fraco e os grávitons seriam os quanta do campo eletromagnético. Em outras palavras, os quatro campos fundamentais são o campo de fótons (eletromagnético), o de glúons (forte), o de partículas W e Z (fraco) e o de grávitons (gravitacional). O problema nessa bela simetria de quatro cargas, quatro interações, quatro forças, quatro tipos de partículas mediadoras e quatro campos já que nenhum gráviton foi ainda detectado e a gravidade, em si, não encaixa bem nessa teoria que se convencionou chamar de Modelo Padrão. Este assunto será retomado mais adiante. Para finalizar esta seção, apresenta-se, na Fig. 1, uma visão esquemática do Modelo Padrão. Como consta na legenda dessa figura, trata-se de uma simplificação. Feito isso, o restante deste trabalho será dedicado a abordar aspectos dessa teoria que poderão ser motivadores do ponto de vista do ensino e da aprendizagem da física.
2. O vácuo não é vazio Na seção anterior falamos de partículas virtuais, como os fótons e os glúons, ou seja, partículas sem massa. Pois bem, quando a na energia é mais que o dobro da massa do elétron (tal como ocorre a uma distância de aproximadamente 10−11 cm) algo muito estranho pode ocorrer no vácuo: a produção de um par de partículas consistindo de um elétron e um pósitron. Se, de alguma forma, houver um suprimento de energia de fora do vácuo esse par tornar-se-á um par de partículas reais, sem violar a conservação da energia. Se não acontecer isso, o par desaparecerá tão rápido quanto foi produzido. Ou seja, o par elétron - pósitron é virtual, mas isso significa então que o vácuo está cheio de um grande número (essencialmente infinito) de pares elétron-pósitron virtuais. [5, p. 146]. Então, além de fótons e glúons há também elétrons e pósitrons virtuais, e outras partículas como múons e antimuons virtuais. De um modo geral, uma partícula virtual é uma “partícula que não aconteceu”: não tem massa e existe apenas durante um curto período de tempo em uma pequena região do espaço. As relações de incerteza são responsáveis pelo aparecimento de partículas virtuais na física (ibid.). Elas têm importância em distâncias muito pequenas, mas são irrelevantes na física macroscópica. Por exemplo, podemos supor que o vácuo
está cheio de pares virtuais de múons e antimúons que normalmente não são detectados. Porém, em um experimento de aniquilação de um elétron e um pósitron (reais) em um acelerador/colisor de partículas aparecem múons reais que são observados nos detectores de partículas. De onde vieram? Um par múon-antimuon virtual recebeu a energia resultante da aniquilação e deixou a região (muito pequena) onde ocorreu a interação, como um par de múons reais. O interessante de tudo isso é que o vácuo então não é vazio. O que parece tão simples macroscopicamente é um sistema muito complicado na teoria quântica. Na verdade, identificar vácuo com espaço não ocupado por alguma coisa é uma concepção errônea inclusive no domínio da física clássica, pois, mesmo quando não há matéria em uma região do espaço ela continua preenchida e percorrida por campos e ondas. Não é desprovido de qualidades o espaço onde estão e se movem objetos ou sistemas e, ainda que possamos dizer que um objeto se desloca no vácuo quando não encontra outras partículas em seu trajeto, o espaço clássico nunca é literalmente vazio [6, p. 89]. Mas não se trata do velho conhecido éter que físicos de outras épocas propuseram como preenchendo todo o espaço e servindo de meio de propagação da luz e de outras ondas eletromagnéticas. Isso deverá ficar claro nas próximas seções. 10 O que se está buscando é manter a simetria, dizendo que há em quatro campos fundamentais, quatro cargas, quatro interações e quatro tipos de partículas mediadoras; na verdade, é só na gravitação newtoniana que um corpo com massa cria em torno de si um campo gravitacional, não na relatividade geral. 11 De acordo com as relações de incerteza de Heisenberg quanto mais precisas as medidas do momentum ou da energia de uma partícula maiores as incertezas em medições no espaço e no tempo. 1306-4 Moreira transmitida por transmitida por transmitida por que exerce que exerce que exerce que exerce transmitida por que cria que cria que cria que cria devida à devida à devida à devida à que são compostas; têm estrutura interna há seis tipos há seis tipos há dois tipos que são que são que são interagem trocando que são que são que são que são identifica especifica O Modelo Padrão das partículas elementares Partículas básicas Interações fundamentais Léptons Quarks Hádrons Quark up (u) Quark down (d) Quark charme (c) Quark estranho (s) Quark bottom (b) Quark top (t) Elétron Neutrino do elétron Múon Neutrino do múon Tau Neutrino do tau Bárions (formados por três quarks ou três antiquarks) Mésons (formados por pares de quarkantiquark) Eletromagnética Forte Fraca Gravitacional Carga elétrica Campo eletromagnético Força eletromagnética Fótons Carga cor Campo forte Força forte Glúons Carga fraca Campo fraco Força fraca Partículas W e Z Carga massa Campo gravitacional Força gravitacional Grávitons interna Partículas reais (Partículas de matéria) Partículas virtuais (Partículas de força) elementares; não têm estrutura que são verdadeiramente que são de quatro tipos Figura 1 - Um esquema simplificado para o Modelo Padrão. Nesse esquema não é feita nenhuma alusão ao fato de que para cada partícula existe uma antipartícula, não se considera que os quarks têm a propriedade cor que se apresenta em três variedades (de modo que seria 18 o número de quarks) e que a interação forte pode se apresentar como fundamental ou residual (que seria mediada por mésons). Além disso, sugere que a interação gravitacional está perfeitamente integrada ao Modelo Padrão, o que ainda não ocorreu e talvez nem venha a ocorrer. Sugere também que as partículas W e Z são, de fato, virtuais, mas elas podem ser também reais como foi explicado na nota 8. E uma visão simplificada buscando destacar a simetria da teoria. Por isso, é preciso aceitá-la criticamente. 3. Partículas nuas e vestidas Suponhamos que um elétron fosse colocado no vácuo. Poder-se-ia pensar que nada aconteceria, por´em como o vácuo está cheio de pares elétron-pósitron virtuais, o elétron sendo negativo repeliria todos os elétrons virtuais e atrairia todos os pósitrons virtuais dos pares existentes na região do vácuo em torno de si. O elétron ficaria, assim, envolto por uma nuvem de pósitrons virtuais. O vácuo ficaria então polarizado pelo elétron [5, p. 148]. Qual o efeito disso? A carga do elétron fica parcialmente blindada pela nuvem do pósitrons virtuais. De longe não faz diferença. O que se “vê” é o elétron e a nuvem como um todo e náo se pode distinguir que parte da carga do elétron é dele mesmo e que parte é da nuvem polarizadora. E o elétron físico, conhecido, que gera corrente nos fios e que tem carga -e. E o elétron do “dia-a-dia”: o elétron “vestido”, ou seja, com a nuvem. Um elétron sem a nuvem de pósitrons virtuais é chamado de “elétron nu”. Em altas energias, o efeito da polarização pode ser percebido: à medida que o elétron vai sendo “despido”, sua carga elétrica aumenta. Ou seja, a carga elétrica do “elétron nu” é maior do que a do elétron “vestido” (o velho conhecido elétron), o que explica porque a lei de Coulomb não vale para dois elétrons a uma distância inferior a 10−11cm. Quer dizer, em distancias dessa ordem a força entre dois elétrons é um pouco maior do que aquela que se esperaria a partir da lei de Coulomb (ibid). Interessante como as coisas mudam no domínio do muito pequeno: as partículas virtuais violam a conservação da energia, mas por muito pouco tempo (se não há um aporte de energia para que uma partícula virtual vire partícula real ela logo desaparece); a lei de Coulomb não dá o resultado esperado porque nesse domínio o elétron pode “ficar nu” e sua carga aumenta porque diminui o efeito da polarização. Assim como na eletrodinâmica quântica os elétrons estão envolvidos por uma nuvem de pósitrons virtuais, O Modelo Padrão da Física de Partículas 1306-5 na cromodinâmica os quarks estão envoltos em uma nuvem de glúons (o vácuo também está cheio de glúons, partículas igualmente virtuais). Pode-se, então, falar também de quarks “nus” e quarks “vestidos” ou, de um modo geral, em “partículas nuas” e “vestidas”. 4. O campo e o bóson de Higgs Teoricamente, o vácuo é preenchido não só pelas partículas virtuais (fantasmas?) e pelos quatro campos fundamentais, mas também por um outro campo fundamental, chamado campo de Higgs e, consequentemente, por uma partícula mediadora que seria o bóson12 de Higgs [7]. Bósons de Higgs são partículas previstas teoricamente, em 1964, pelo físico escocês Peter Higgs e usadas, posteriormente, por Steven Weinberg (1967) e Abdus Salam (1968) para explicar porque outras partículas, os bósons W e Z, têm massa. Havia na teoria eletrofraca, formulada em 1962 por Sheldon Glashow, um paradoxo envolvendo as partículas W e Z. Por um lado, a debilidade das interações fracas requereria que tais partículas tivessem massas relativamente elevadas. Por outro, a simetria da teoria que dava conta dessas interações exigia que suas massas fossem nulas. Tal contradição desapareceria se as massas dos bósons W e Z fossem aparentes. Quer dizer, se suas massas fossem “dadas” por outras partículas: os bósons de Higgs. De acordo com o chamado mecanismo de Higgs13, as partículas W e Z se chocariam incessantemente com outras partículas presentes em todo o espaço, as partículas de Higgs, que explicariam suas massas. Ou seja, a massa das partículas W e Z seria dada pela massa das partículas com as quais estariam permanentemente chocando-se. Existiria um campo de Higgs, fundamentalmente diferente dos demais campos pois, segundo a teoria, o estado de energia mínima desse campo ocorreria não quando se anulasse (como é o caso, por exemplo, do campo eletromagnético) mas em um determinado valor específico distinto de zero [1]. Consequentemente, um campo de Higgs não-nulo permeia o universo, e as partículas estão sempre interagindo com ele, deslocando-se através dele como pessoas vadeando na água. Essa interação lhes dá sua massa, sua inércia (ibid., p. 62). Hoje, o mecanismo de Higgs ´e considerado como a origem da massa de todas as partículas elementares, mas o paradoxo teórico envolvendo as partículas W e Z foi identificado antes que as próprias partículas tivessem sido detectadas. Então, uma vez detectadas as partéculas (massivas) W e Z, o problema passou a ser a detecção do bóson de Higgs, o que até agora, passados mais de quarenta anos, ainda não aconteceu, mas que se espera que aconteça antes de 2010. Isso porque as máquinas, ou seja, os aceleradores/colisores/detetores de partículas ate hoje construídos não foram capazes de alcançar uma energia suficiente para criar/detectar bósons de Higgs.
O que é massa afinal? Paradoxalmente, a massa, uma propriedade tão familiar da matéria, é um dos assuntos mais pesquisados na física de partículas. Os físicos querem explicar essa propriedade, querem explicar por que as partículas têm massa. Isso, como visto na seção anterior, tem a ver com o bóson de Higgs e melhorará e estenderá o Modelo Padrão. Nesta seção, esse assunto será explorado um pouco mais. Mas antes, vejamos o que hoje se considera concepções alternativas (misconceptions) sobre massa, na visão de Okun [8, p. 12-13]. “Massa de repouso” e “massa relativística” é uma terminologia antiga, do início do século XX, para manter a relação newtoniana entre momentum, massa e velocidade (p = mv). No entanto, a relação correta é
a expressão relativística p = mv/ p 1 − v 2/c2 de modo que levando em conta que F = dp/dt, a expressão F = ma é válida apenas no limite n˜ao-relativista onde v/c << 1. Na mecˆanica relativista, a “massa de repouso” n˜ao ´e nem a massa inercial (i.e., o coeficiente de proporcionalidade entre for¸ca e acelera¸c˜ao) nem a massa gravitacional (i.e., o coeficiente de proporcionalidade entre 12B´osons s˜ao part´ıculas com spin (momentum angular intr´ınseco) inteiro que n˜ao obedecem o Princ´ıpio da Exclus˜ao de Pauli (duas part´ıculas com o mesmo spin n˜ao podem ocupar o mesmo estado ao mesmo tempo). 13Os f´ısicos Robert Brout e Fran¸cois Englert tamb´em s˜ao respons´aveis pelo desenvolvimento desse aparato te´orico, mas na literatura ele ´e usualmente referido apenas como mecanismo de Higgs. 14A expectativa era que essa m´aquina, cujo custo ´e de cerca de 8 bilh˜oes de d´olares, come¸casse a funcionar em 2008 e, de fato, os primeiros testes foram feitos em setembro de 2008, mas precisou ser desligada por problemas t´ecnicos (aquecimento de supercondutores). Os reparos levaram um certo tempo e, ent˜ao, novos testes ter˜ao que esperar o t´ermino do inverno europeu, por quest˜oes de economia de energia el´etrica. Espera-se, assim, que 2009 seja o ano do LHC (e do b´oson de Higgs). 1306-6 Moreira o campo gravitacional e a for¸ca gravitacional atuando em um corpo). A atra¸c˜ao gravitacional n˜ao ´e determinada pela “massa de repouso”, pois um f´oton ´e defletido pelo campo gravitacional apesar de ter massa nula. Como a atra¸c˜ao gravitacional sobre um f´oton aumenta com a energia do f´oton somos tentados a aceitar que pelo menos nesse caso tem sentido falar em massa relativ´ıstica, ou massa de movimento, mas isso n˜ao ´e correto. Uma teoria consistente do movimento de um f´oton (ou qualquer outro objeto movendo-se com velocidade compar´avel `a da luz) em um campo gravitacional mostrar´a que a energia de um corpo n˜ao ´e equivalente a sua massa gravitacional. Outro exemplo dessa desafortunada terminologia ´e a falsa afirma¸c˜ao de que na f´ısica de altas energias e na f´ısica nuclear ´e poss´ıvel transformar energia em mat´eria e mat´eria em energia. A energia se conserva. A energia n˜ao se transforma em coisa alguma, s˜ao apenas distintas part´ıculas que se transformam umas em outras. Ou seja, a energia se conserva mas os portadores de energia, e a forma em que ela aparece, de fato, mudam. Concluindo, os termos “massa de repouso” e “massa relativ´ıstica” (ou “massa de movimento”) n˜ao devem ser mais usados e massa deve significar sempre a massa relativisticamente invariante da mecˆanica de Einstein (op. cit.). Massa ´e, ent˜ao, simplesmente massa, uma propriedade intr´ınseca de certas part´ıculas elementares. Os quarks, por exemplo, tˆem massa. Os f´otons e outras part´ıculas virtuais n˜ao tˆem massa. Mas a gravidade atua tamb´em em f´otons, ou seja, atua sobre energia, n˜ao s´o sobre massa. Energia e massa est˜ao relacionadas pela equa¸c˜ao de Einstein E = mc2 , mas isso n˜ao significa que a massa seja dependente da velocidade. Este assunto est´a muito bem discutido no artigo E = mc2 : origem e significados [9]. Mas por que tˆem massa as part´ıculas que tˆem massa? Como se explica a massa? Este ´e um problema que o Modelo Padr˜ao espera resolver com o campo e o b´oson de Higgs. A aquisi¸c˜ao de massa por uma part´ıcula poderia ser explicada da seguinte maneira: o campo de Higgs estaria permeando todo o espa¸co; a part´ıcula mediadora desse campo seria o b´oson de Higgs. Uma part´ıcula real nesse espa¸co interagiria com o campo e ficaria polarizada com b´osons de Higgs que lhe dariam ent˜ao massa. Haveria uma nuvem de b´osons de Higgs associada `a part´ıcula dando-lhe massa. Metaforicamente seria an´alogo ao que aconteceria com uma pessoa muito importante, ou muito conhecida, que chegasse a uma festa, ou seja, a um “campo de pessoas”, e imediatamente muitas outras pessoas viessem cumpriment´a-la e permanecessem ao redor dela onde ela fosse. Ou o que aconteceria com um vendedor de sorvete que passasse por um “campo de crian¸cas” [1]. Note-se que, a rigor, o que daria massa `as part´ıculas seria o campo de Higgs, caso contr´ario seria necess´ario outro mecanismo para explicar a massa do b´oson de Higgs. Um ´unico campo de Higgs seria suficiente para explicar a massa das part´ıculas, mas poderia haver outros tipos de campos de Higgs. Ali´as, o Modelo Padr˜ao Supersim´etrico (uma extens˜ao do Modelo Padr˜ao) prevˆe a existˆencia de cinco b´osons de Higgs (op. cit., p. 34). At´e agora nenhum foi detectado, mas no LEP (Large Electron-Positron Collider ) j´a foram obtidas evidˆencias experimentais indiretas de que eles existem. Sua detec¸c˜ao, como j´a foi dito, parece ser uma quest˜ao de tempo. E de m´aquina! 6. A antimat´eria A antipart´ıcula de uma dada part´ıcula tem a mesma massa e spin dessa part´ıcula, por´em carga el´etrica oposta, assim como opostos o n´umero bariˆonico,15 o n´umero leptˆonico, e assim por diante. Para cada part´ıcula existe uma antipart´ıcula. Assim, a antimat´eria ´e constitu´ıda de antipr´otons, antinˆeutrons, antiel´etrons (chamados p´ositrons), antil´eptons, antiquarks. Part´ıculas neutras como os f´otons s˜ao iguais as suas antipart´ıculas [5]. (Gr´avitons tamb´em seriam iguais as suas antipart´ıculas.) No in´ıcio dos anos trinta, parecia que a mat´eria era constitu´ıda de pr´otons, nˆeutrons e el´etrons, e a intera¸c˜ao eletromagn´etica explicava porque os el´etrons (negativos) ficavam ligados aos n´ucleos (positivos) nos ´atomos. Mas isso n˜ao durou muito porque para explicar a estabilidade do n´ucleo foi preciso postular uma nova intera¸c˜ao fundamental, a intera¸c˜ao forte, e para uma descri¸c˜ao do el´etron que satisfizesse `a teoria quˆantica e `a teoria da relatividade foi necess´ario prever a existˆencia de antipart´ıculas. Isso foi feito por Paul Dirac e, logo depois, em 1933, Carl Anderson detectou em raios c´osmicos a antipart´ıcula do el´etron (antiel´etron ou p´ositron) Antipr´otons e antinˆeutrons foram descobertos nos anos cinquenta. Desde 1955, os f´ısicos de part´ıculas vˆem criando feixes de antipr´otons e desde 1995 conseguem criar anti´atomos (pares antipr´oton-antiel´etron, formando anti´atomos de hidrogˆenio) [10]. Mas por que “criar” antipart´ıculas e anti´atomos? N˜ao existem na natureza? Existem, mas h´a no universo uma assimetria mat´eria/antimat´eria: h´a mais mat´eria do que antimat´eria. H´a no universo uma imensa quantidade de mat´eria, mas s˜ao raras as antipart´ıculas que ocorrem naturalmente. Esta situa¸c˜ao pode ser embara¸cosa para a f´ısica de part´ıculas, mas ´e afortunada para o mundo em que vivemos: mat´eria e antimat´eria quando em con- 15N´umero bariˆonico ´e o n´umero total de b´arions presentes em um sistema menos o n´umero total de antib´arions. Analogamente, n´umero leptˆonico ´e o n´umero total de l´eptons presentes em um sistema menos o n´umero total de antil´eptons. O Modelo Padr˜ao da F´ısica de Part´ıculas 1306-7 tato se aniquilam mutuamente e convertem sua massa total em uma quantidade equivalente de energia, ou seja, pr´oton e antipr´oton se aniquilam produzindo um raio gama com a energia equivalente `a soma de suas massas; el´etron e antiel´etron se aniquilam, e assim por diante, mat´eria e antimat´eria se aniquilando mutuamente. Isso significa que um universo composto da mesma quantidade de mat´eria e antimat´eria seria hostil e inst´avel, n˜ao o tipo de lugar onde grandes quantidades de mat´eria do tamanho de planetas poderiam existir em relativa paz e estabilidade durante bilh˜oes de anos [11]. O processo de produ¸c˜ao de antipart´ıculas ´e o contr´ario da aniquila¸c˜ao. Parte da energia produzida em colis˜oes provocadas nos aceleradores de part´ıculas ´e convertida, por exemplo, em pares de pr´otons e antipr´otons. 7. A simetria CPT O interesse por pesquisar antipart´ıculas ´e, primariamente, te´orico: o chamado teorema da simetria CPT que relaciona as propriedades das part´ıculas e suas antipart´ıculas; de acordo com a teoria, ambas devem seguir as mesmas leis f´ısicas. CPT significa “revers˜ao da Carga”, “invers˜ao da Paridade” e “revers˜ao do Tempo”. Revers˜ao da carga ´e a substitui¸c˜ao de todas as part´ıculas por antipart´ıculas. Invers˜ao da paridade ´e a reflex˜ao especular ou invers˜ao do espa¸co em rela¸c˜ao a um ponto e revers˜ao do tempo significa passar o “filme” da realidade de tr´as para frente [10, p. 58]. Dizer que a natureza ´e invariante frente `a simetria P significa que qualquer processo f´ısico observado em um espelho segue as mesmas leis do processo n˜ao refletido. Embora pare¸ca ´obvia, tal simetria ´e quebrada na intera¸c˜ao fraca envolvida em certos decaimentos radioativos. De um modo geral, em muitas situa¸c˜oes em que a simetria P ´e quebrada a simetria CP ´e preservada, mas em raras ocasi˜oes a simetria CP ´e tamb´em quebrada e essa quebra pode ter a ver com a predominˆancia da mat´eria sobre a antimat´eria no universo (ibid.). A viola¸c˜ao da simetria CP permitiria que part´ıculas e antipart´ıculas deca´ıssem com taxas diferentes. Outro aspecto intrigante da assimetria mat´eria/antimat´eria ´e que das quatro for¸cas fundamentais - eletromagn´etica, gravitacional, forte e fraca - apenas a fraca afetaria diferentemente a mat´eria e a antimat´eria. Ou seja, em qualquer rea¸c˜ao causada pelas for¸cas eletromagn´etica, gravitacional e forte, se novas part´ıculas fossem produzidas elas o seriam em iguais quantidades e tipos de mat´eria e antimat´eria. Estas for¸cas n˜ao poderiam ent˜ao explicar o predom´ınio da mat´eria sobre a antimat´eria. A for¸ca fraca talvez sim, mas isso permanece ainda como um grande desafio para os f´ısicos de part´ıculas [11, p. 16]. Voltando `a quest˜ao das simetrias, se a simetria CP tamb´em ´e violada em certos processos, resta a simetria CPT. A expectativa dentro do Modelo Padr˜ao das part´ıculas elementares ´e que qualquer viola¸c˜ao da simetria CPT deve ser muito pequena. No Modelo Padr˜ao, a simetria CPT ´e uma propriedade fundamental do universo. Viola¸c˜oes significativas dessa simetria indicariam problemas no Modelo Padr˜ao e sugeririam a necessidade de uma teoria que fosse al´em dele. Da´ı o interesse em produzir antipart´ıculas e anti´atomos, nos grandes aceleradores nos Estados Unidos e na Europa, a fim de estudar profundamente suas propriedades. 8. EDQ & CDQ A teoria das intera¸c˜oes entre f´otons e el´etrons ´e chamada Eletrodinˆamica Quˆantica (EDQ); correspondentemente, a teoria das intera¸c˜oes entre gl´uons e quarks ´e chamada de Cromodinˆamica Quˆantica (CQD); (quarks tˆem a propriedade cor; chromos em grego significa cor). H´a, no entanto, uma grande diferen¸ca entre as duas quando se leva em conta a natureza das part´ıculas fundamentais envolvidas (el´etrons e quarks): el´etrons podem ser detectados livremente, quarks n˜ao. Al´em disso, trˆes quarks formam h´adrons e estes s˜ao “brancos”, mas trˆes el´etrons formariam um estado (n˜ao ligado) com carga - 3e, pois a carga el´etrica se conserva. Isso significa que ao inv´es de uma carga, como na eletrodinˆamica, na cromodinˆamica h´a v´arias cargas cor (s˜ao oito) e que a adi¸c˜ao destas cargas n˜ao ´e uma simples soma escalar. Lembremos que cor ´e uma propriedade da mat´eria que no caso dos quarks apresenta trˆes variedades (vermelho, verde e azul), por´em no caso dos gl´uons, combinando estas trˆes cores e suas anticores, chega-se a nove gl´uons, mas um deles ´e branco, restando, ent˜ao, oito gl´uons coloridos. Da´ı dizer-se que na CQD h´a oito cargas cor [5, p. 142]. Prosseguindo com a analogia entre essas duas teorias, observa-se que um campo eletrodinˆamico cria uma for¸ca de atra¸c˜ao entre dois objetos carregados com cargas opostas, a qual em termos quˆanticos ´e criada atrav´es da troca de f´otons virtuais entre esses objetos, da mesma forma que um campo cromodinˆamico criaria uma for¸ca de atra¸c˜ao entre quarks atrav´es da troca de algumas part´ıculas virtuais an´alogas aos f´otons virtuais. Tais part´ıculas, como foi visto, s˜ao chamadas gl´uons. Pode-se ent˜ao “construir” um espa¸co cromodinˆamico no qual as cargas cor fazem o papel da carga el´etrica no espa¸co eletrodinˆamico e os gl´uons o dos f´otons virtuais. Contudo, o acoplamento de gl´uons a quarks ´e mais complicado do que o acoplamento de f´otons a el´etrons, pois quando um f´oton interage com um el´etron este permanece sendo um el´etron, por´em um gl´uon interagindo com um quark pode mudar a cor do quark, isto ´e, transform´a-lo em um outro quark. Quer dizer, as cores dos quarks podem mudar quando eles interagem com gl´uons. E preciso, no entanto, reiterar que a analogia n˜ao ´e ´ total porque, como foi dito, na eletrodinˆamica h´a uma 1306-8 Moreira ´unica carga, a el´etrica, enquanto que na cromodinˆamica h´a oito cargas cor distintas, ou oito gl´uons coloridos. 9. A mat´eria escura Estrelas, planetas, cometas, poeira c´osmica e outras formas ordin´arias de mat´eria parecem constituir aproximadamente 5% da massa do universo. Os outros 95% seriam de “mat´eria escura” e “energia escura”,16 se ´e que isso, que n˜ao se sabe o que ´e, de fato existe. Astrˆonomos h´a d´ecadas buscam registros da existˆencia da mat´eria escura e, aparentemente, est˜ao convencidos de que ela existe, mas a evidˆencia obtida n˜ao ´e, ainda, de todo convincente. H´a alguns anos os f´ısicos de part´ıculas passaram a participar do esfor¸co dos astrˆonomos tentando detectar, experimentalmente, part´ıculas de mat´eria escura. E uma tarefa, em ´ princ´ıpio, muito dif´ıcil, que conduz a um dilema an´alogo ao do b´oson de Higgs: ou se as detecta e verifica-se que a mat´eria escura existe ou as teorias que subjazem `a f´ısica moderna ter˜ao que ser modificadas [13]. A hip´otese da mat´eria escura est´a ligada `a quest˜ao de se o universo continuar´a em expans˜ao ou se esta diminuir´a e ser´a revertida levando eventualmente a um per´ıodo de contra¸c˜ao. Essa quest˜ao est´a relacionada a outra: quanta massa existe no universo? Dependendo da quantidade, a expans˜ao poder´a ser revertida e, inclusive, ocorrer um “Big Crunch”,17 ou continuar´a para sempre. A primeira possibilidade ´e conhecida como universo fechado, a segunda como universo aberto. Entre elas, h´a a do universo plano, ou seja, existiria uma “massa cr´ıtica” do universo, suficiente para reduzir a expans˜ao mas n˜ao suficiente para revertˆe-la. Estimando a massa do universo a partir da mat´eria vis´ıvel, o resultado seria, como foi dito antes, muito pequeno e ter´ıamos o chamado universo aberto. No entanto, h´a evidˆencias experimentais, ainda que n˜ao totalmente convincentes, sobre a existˆencia de uma mat´eria escura que permearia o universo. Combinando a massa da mat´eria observ´avel com a massa estimada da mat´eria escura, o resultado ´e bastante pr´oximo da “massa cr´ıtica”, deixando ainda aberta a quest˜ao de se o universo continuar´a em expans˜ao ou acabar´a se contraindo [4, p. 394]. Supondo, ent˜ao, que a mat´eria escura existe, a pergunta que surge de imediato ´e “de que tipo de part´ıcula seria ela constitu´ıda?”. Neutrinos eram fortes candidatos porque deve haver no universo uma enorme quantidade dessas part´ıculas elusivas resultantes do Big Bang, os chamados neutrinos primordiais, produzidos nos primeiros segundos de Big Bang. Na verdade, seriam candidatos ideais se n˜ao fosse o problema de sua massa ser muito pequena. Mesmo existindo em abundˆancia contribuiriam com uma pequena fra¸c˜ao da mat´eria escura [13, p. 59]. 10. O vento escuro Na verdade, nenhuma das part´ıculas do Modelo Padr˜ao responde `a pergunta da constitui¸c˜ao da mat´eria escura. Consequentemente, tentativas de extens˜oes do Modelo Padr˜ao est˜ao sendo feitas. Uma delas ´e a da Supersimetria, a qual pressup˜oe a existˆencia de toda uma nova fam´ılia de part´ıculas: cada part´ıcula elementar do Modelo Padr˜ao teria uma “superparceira” mais pesada. Sendo mais pesadas, essas part´ıculas seriam, portanto, mais lentas do que as part´ıculas conhecidas, constituindo, ent˜ao, o que se poderia chamar de mat´eria escura “fria”.18 Destas, uma possibilidade atraente para f´ısicos e astrˆonomos ´e o neutralino, uma am´algama das superparceiras do f´oton, do b´oson Z (que transmite a for¸ca fraca) e talvez de part´ıculas de outros tipos (ibid.). O neutralino seria a mais leve das superpart´ıculas; como sugere o nome, teria carga el´etrica zero (portanto, n˜ao afetada por for¸cas eletromagn´eticas) e seria est´avel. Sua estabilidade e neutralidade associadas a uma determinada massa, satisfariam todos os requisitos da mat´eria escura fria. A teoria do Big Bang permite uma estimativa do n´umero de neutralinos que teriam sido criados no plasma quente inicial do universo. Esse plasma era uma sopa ca´otica de todos os tipos de part´ıculas, nenhuma das quais sobreviveu por muito tempo: imediatamente colidiam com outras part´ıculas aniquilando-se mutuamente e produzindo novas part´ıculas que tamb´em colidiam com outras e assim por diante em um processo c´ıclico de cria¸c˜ao e destrui¸c˜ao. Mas `a medida que o universo esfriava e se tornava menos denso as colis˜oes eram menos violentas e menos frequentes, permitindo que as part´ıculas condensassem progressivamente. O neutralino seria uma part´ıcula menos propensa a colis˜oes de modo que teria sido uma das primeiras a condensar.19 Ent˜ao, nesse per´ıodo teria sido produzida uma imensa quantidade de neutralinos cuja massa to- 16Apesar do nome similar, mat´eria e energia escura s˜ao substˆancias distintas: mat´eria escura ´e uma forma ex´otica de mat´eria que n˜ao emite, n˜ao absorve, nem espalha luz; a ´unica intera¸c˜ao `a qual ela reage ´e a gravita¸c˜ao. Energia escura ´e um novo ingrediente que entrou em cena recentemente para explicar o universo porque as formas conhecidas de mat´eria e a mat´eria escura d˜ao conta de apenas aproximadamente 30% dele. Os outros 70% seriam explicados pela energia escura que se distingue da mat´eria escura pelo fato de ser gravitacionalmente repulsiva levando o universo a uma expans˜ao acelerada. Ou seja, o universo estaria dominado por uma energia escura que permeia todo o cosmos e que ainda n˜ao sabemos o que ´e. (12, pp.306-311). 17Crunch significa esmagamento ruidoso. 18A mat´eria escura “quente” seria aquela dos prim´ordios do universo, constitu´ıda de part´ıculas que se moviam com velocidades compar´aveis `a luz. 19Nessa sopa primordial, quarks e gl´uons tamb´em teriam reduzido muito suas velocidades de modo que ap´os alguns microssegundos acabaram unidos por for¸cas muito fortes e permanentemente confinados dentro de pr´otons, nˆeutrons e outras part´ıculas chamadas h´adrons [14, p. 40]. O Modelo Padr˜ao da F´ısica de Part´ıculas 1306-9 tal corresponde bastante bem com a massa estimada de mat´eria escura existente no universo (op. cit., p. 60). Teoricamente, ent˜ao, a existˆencia do neutralino resolve o problema da mat´eria escura. Consequentemente ´e preciso detect´a-lo. Mas para isso ´e necess´ario saber como interage com a mat´eria normal. Se a intera¸c˜ao for apenas a gravitacional, n˜ao h´a esperan¸cas de detect´a-lo pois a for¸ca gravitacional ´e a mais fraca de todas no dom´ınio das part´ıculas elementares. No entanto, a teoria da supersimetria prevˆe que o neutralino interagiria com a mat´eria atrav´es da for¸ca nuclear fraca. Se assim for, h´a possibilidades de detect´a-lo pois embora a for¸ca seja fraca o n´umero previsto de part´ıculas ´e imenso. Como foi dito no in´ıcio desta se¸c˜ao, a mat´eria escura ´e dominante no universo. Sendo escura n˜ao emite radia¸c˜ao, n˜ao perde energia e n˜ao se aglomera para formar estrelas e planetas. Quer dizer, a mat´eria escura permeia o espa¸co interestelar como se fosse um g´as. Seria um g´as estagnado, ou seja, as part´ıculas que o constituem se moveriam, mas aleatoriamente, sem movimento organizado. No entanto, como nosso sistema solar est´a orbitando em torno do centro de nossa gal´axia a 220 km por segundo estar´ıamos sofrendo o impacto de um “vento escuro” que segundo estimativas dos cientistas seria da ordem de um milh˜ao de part´ıculas escuras por metro quadrado por segundo. H´a pelo menos uma dezena de laborat´orios tentando detectar o neutralino desde 1997. Al´em da dificuldade inerente ao fato de que a intera¸c˜ao da mat´eria escura com a mat´eria comum ´e fraca, h´a o problema de que os detectores, sendo constru´ıdos de metal, contˆem tra¸cos radioativos de elementos como urˆanio e t´orio que decaem produzindo part´ıculas que s˜ao confundidas com part´ıculas escuras. A dificuldade n˜ao ´e tanto de sensibilidade, mas de impureza intr´ınseca aos detectores (op. cit., p. 61). At´e meados dos anos setenta a f´ısica de part´ıculas e a cosmologia eram ´areas de pesquisa completamente separadas, por´em, nessa ´epoca, talvez em fun¸c˜ao de grandes cortes de verbas, pesquisadores em f´ısica de part´ıculas se deram conta que estudos sobre os prim´ordios do universo ofereciam uma possibilidade ´unica de investigar fenˆomenos de alta energia que n˜ao podiam ser recriados em laborat´orio [15]. Surgiu assim a cosmologia de part´ıculas, uma ´area h´ıbrida e altamente promissora em f´ısica. 11. Neutrinos oscilantes O Modelo Padr˜ao inclui trˆes tipos distintos de neutrinos: neutrino do el´etron, neutrino do m´uon e neutrino do tau. Haveria, ent˜ao, trˆes “sabores” distintos de neutrinos. De acordo com a teoria proposta pelo f´ısico inglˆes Arthur Eddington, em 1920, a energia do Sol seria proveniente de rea¸c˜oes de fus˜ao nuclear que ocorreriam no seu interior. Mais tarde, com a hip´otese de Pauli (1930) sobre a existˆencia do neutrino e ainda depois com o Modelo Padr˜ao, chegou-se, teoricamente, `a conclus˜ao de que tais rea¸c˜oes produziriam neutrinos do el´etron em abundˆancia. Contudo, desde os anos 60 at´e 2002 os experimentos para detectar esses neutrinos solares sempre davam resultados significativamente inferiores aos previstos pela teoria. Essa incˆomoda diferen¸ca que ficou conhecida como o problema dos neutrinos solares [16] era tamb´em um problema do Modelo Padr˜ao. Quer dizer, uma previs˜ao do Modelo Padr˜ao n˜ao era confirmada pelos resultados experimentais. Em alguns casos, o n´umero de neutrinos detectados era apenas um ter¸co do previsto. Somente em 2002, f´ısicos do Observat´orio de Neutrinos SudBury, em Ont´ario, resolveram este problema confirmando experimentalmente a hip´otese dos f´ısicos Gribove e Pontecorvo, feita em 1969, supondo que os neutrinos produzidos no interior do Sol mudam de sabor antes de chegar `a Terra. Ou seja, o n´umero de neutrinos do el´etron produzidos nas rea¸c˜oes de fus˜ao nuclear, previsto teoricamente, estava bem, mas o n´umero detectado na Terra seria menor porque os neutrinos do el´etron se convertiam em outros neutrinos n˜ao detect´aveis pelos experimentos montados at´e ent˜ao para detectar neutrinos solares. Essa hip´otese dos neutrinos oscilantes depois de confirmada experimentalmente resolveu o problema dos neutrinos solares, confirmou a teoria de Eddington e eliminou essa anomalia existente no Modelo Padr˜ao. Por outro lado, levou a uma modifica¸c˜ao no Modelo Padr˜ao pois, segundo a teoria, os neutrinos seriam part´ıculas sem massa, mas os novos resultados implicavam que eles teriam massa, ainda que muito pequena (op. cit., p. 24). A hip´otese da oscila¸c˜ao dos neutrinos requer que os trˆes sabores de neutrino (do el´etron, do mu´on e do tau) sejam constitu´ıdos de misturas de estados de neutrinos (identificados como 1, 2 e 3) com diferentes massas. Um neutrino do el´etron poderia ser ent˜ao uma mistura de estados 1 e 2 enquanto que um neutrino do mu´on seria uma mistura diferente desses mesmos estados. De acordo com essa hip´otese, enquanto viajam (8 min!) at´e a Terra, esses neutrinos, constitu´ıdos de distintas misturas, oscilam entre um e outro sabor. H´a v´arios modelos para a oscila¸c˜ao dos neutrinos, supondo que a oscila¸c˜ao ocorre ainda no pr´oprio Sol, ou que ocorre no espa¸co vazio ou, tamb´em, que acontece no interior da Terra (eles praticamente n˜ao interagem com a mat´eria), tudo dependendo da mistura e da diferen¸ca de massas. Resultados experimentais recentes, no observat´orio de neutrinos antes referido, indicam que do total de aproximadamente 5 milh˜oes de neutrinos solares que chegam `a Terra por cm2 por segundo cerca de dois ter¸cos s˜ao neutrinos do tau ou neutrinos do mu´on. Como as rea¸c˜oes de fus˜ao nuclear no interior do Sol s´o produzem neutrinos do el´etron, tais resultados confirmam a hip´otese dos neutrinos oscilantes. Oscilantes ou n˜ao, os neutrinos constituem um dos mais fascinantes t´opicos da f´ısica de part´ıculas. S˜ao di- 1306-10 Moreira tos elusivos, ou seja, ariscos, evasivos, fugidios, de dif´ıcil compreens˜ao. Ao que parece, quanto mais os f´ısicos de part´ıculas souberem sobre os neutrinos mais saberemos sobre a natureza da mat´eria, sobre a forma¸c˜ao de gal´axias, sobre a assimetria mat´eria - antimat´eria. 12. Conclus˜ao Como foi dito no in´ıcio, o Modelo Padr˜ao ´e uma excelente teoria, a melhor que j´a tivemos sobre a natureza da mat´eria. E uma teoria que identifica as part´ıculas ´ constituintes da mat´eria e descreve como elas interagem. Al´em disso, o faz apresentando v´arias simetrias e sempre buscando outras. Mas n˜ao ´e uma teoria acabada, nem definitiva. Ao contr´ario ´e, como todas as demais teorias cient´ıficas, uma verdade provis´oria, no sentido de que, seguramente, ser´a modificada, completada, extrapolada, a fim de explicar melhor o que se prop˜oe e, em algum momento, dar´a lugar a outras teorias que, de alguma forma, nela estar˜ao apoiadas. Dentre os problemas que enfrenta o Modelo Padr˜ao pode-se destacar os seguintes [1, pp. 61-62]. - A assimetria mat´eria - antimat´eria: se o universo come¸cou no Big Bang como uma imensa explos˜ao de energia, ele deveria ter evolvido em partes iguais de mat´eria e antimat´eria (simetria CP). Ao inv´es disso, estrelas e nebulosas s˜ao feitas de pr´otons, el´etrons e nˆeutrons e n˜ao de suas antipart´ıculas. Essa assimetria n˜ao ´e explicada pelo Modelo Padr˜ao. H´a no universo muito mais mat´eria do que antimat´eria. - A mat´eria escura e a energia escura: a maior parte do universo ´e constitu´ıda da chamada mat´eria escura e da energia escura, que n˜ao s˜ao formadas pelas part´ıculas do Modelo Padr˜ao. - O campo de Higgs: a intera¸c˜ao com o campo de Higgs, mediada pelo b´oson de Higgs, daria massa `as part´ıculas. Espera-se que o b´oson de Higgs seja detectado nos pr´oximos anos, mas mesmo que isso venha, de fato, a ocorrer, o Modelo Padr˜ao tem dificuldades para explicar formas particulares dessa intera¸c˜ao. Uma delas ´e que pelos c´alculos da teoria atual a massa do b´oson de Higgs seria muito grande e, consequentemente, as part´ıculas do Modelo Padr˜ao teriam massas tamb´em muito grandes. - A gravidade: o gr´aviton nunca foi detectado e o Modelo Padr˜ao n˜ao consegue incluir a intera¸c˜ao gravitacional porque ela n˜ao tem a mesma estrutura das outras trˆes intera¸c˜oes. Tais problemas poder˜ao ser resolvidos. A detec¸c˜ao do b´oson de Higgs ser´a mais um ˆexito espetacular do Modelo Padr˜ao. A hip´otese dos neutrinos oscilantes resolveu o problema da grande diferen¸ca entre o n´umero de neutrinos previstos e o n´umero de neutrinos detectados na Terra. A detec¸c˜ao do neutralino resolveria o problema da mat´eria escura. A gravidade poder´a continuar sendo a grande “dor de cabe¸ca” do Modelo Padr˜ao [4, p. 99). Mas mesmo que se encontre alguma solu¸c˜ao para este problema conceitual da teoria, os f´ısicos acreditam que ela dever´a ser suplantada por outra mais completa. Modelos Padr˜ao Supersim´etricos [1, 17] s˜ao s´erios candidatos. Mas se o Modelo Padr˜ao, apesar das anomalias, ´e uma teoria t˜ao bem sucedida por que os f´ısicos buscam suplant´a-la? N˜ao seria o caso de conviver com as dificuldades? A resposta ´e sim e n˜ao. Por um lado, ´e normal que as teorias cient´ıficas tenham problemas que n˜ao conseguem resolver, desde que resolvam muitos outros. Por outro, o progresso do conhecimento cient´ıfico depende de novas teorias, com maior poder explicativo. Para Bachelard [18], por exemplo, . A filosofia do n˜ao de Bachelard surge n˜ao como uma atitude de recusa, mas sim como de reconcilia¸c˜ao. A nova teoria diz n˜ao `a anterior, mas surge a partir dela. Essa filosofia do n˜ao ´e tamb´em uma filosofia da desilus˜ao. Ou seja, o conhecimento cient´ıfico ´e sempre a reforma de uma ilus˜ao, ´e fruto da desilus˜ao com o que julg´avamos saber [19]. A supera¸c˜ao do Modelo Padr˜ao, na ´optica de Bachelard, ser´a uma consequˆencia natural da desilus˜ao que teremos com ele, da necessidade de dizer n˜ao a ele se quisermos aprender mais sobre part´ıculas elementares e suas intera¸c˜oes, sobre a mat´eria escura, a antimat´eria, o campo de Higgs e outros t´opicos abordados neste artigo.
??????Os Quarks mais familiares são Prótons e Néutrons.
A estrutura interna do Próton é uud ( 2 Quarks Up e um Quark Down.
O pr´oton, por exemplo, ´e formado por dois quarks de carga (+2/3 e) e um quark de carga (-1/3 e) de modo que sua carga ´e (2/3, +2/3, -l/3) e, ou, simplesmente, e. Quer dizer, o quantum da carga elétrica continua sendo e (1,6 × 10−19 C).
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