Física de Partículas

Tabela do

Modelo Padrão

da Física de Partículas

(wikipédia Obra :

O grito de Edvard Munch 1893)

Bem!
depois do susto ...

vamos tentar entender o ...

"Modelo Padrão

da

Física de Partículas"

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 (elementares), e, especifica como elas interagem.

O Modelo Padrão de Partículas é a mais sofisticada Teoria Matemática sobre a natureza da matéria, que já se tenha tido conhecimento em toda a história.

1. A princípio se apresenta de modo simplificado, como uma teoria que identifica as partículas elementares e suas interações conforme imagem a seguir:

                                                                                Slide Player

2. 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.

As Teorias científicas estão sempre em construção, já que o conhecimento científico é um permanente questionar, para assim avançar o conhecimento e consequentemente superar uma teoria por outra mais completa.

 Avanço da Física - Depositphotos

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. Quanto a Gravidade temos hipoteticamente o GRAVITON como a partícula elementar.

https://pt.wikipedia.org/wiki/Gr%C3%A1viton

Toda a matéria conhecida é formada por partículas elementares.

Em 1964 Murray Gell-Mann, Prêmio Nobel 1969, e George Zweig, postularam a existência das partículas elementares denominadas quarks, comprovadas e identificadas nos Aceleradores de Partículas.

                                  Mundo Educação  

Acelerador e partículas identificadas

                                                                                 Mundo Educação

O átomo, é a unidade fundamental da matéria.

cursinho pré enem

É algo que ocupa espaço e tem massa, que  é constituído de prótons, nêutrons em seu núcleo e elétrons na eletrosfera.

         
sitedecuriosidade.com

O centro do átomo é chamado de núcleo e consiste de núcleons chamados de prótons e nêutrons, e estes são formados por Quarks e Gluons.

algosobre.com.br

sendo que:

• Os nêutrons não tem carga elétrica, mas tem massa unitária(1).

                           InfoEscola

• O próton é formando por três quarks, dois quarks são do tipo up e um quark é do tipo down.

                                     wikipédia

O próton é positivo; sua carga é de 1,6 x 10-19C. Ele se concentra no núcleo do átomo junto com o nêutron que é neutro porque não possui carga.

• Os Elétrons tem carga elétrica (-) negativa e quase não possui massa. (9,10938291 × 10-22 microgramas)

          eletronenergia.com.br

Os elétrons são partículas de menor massa que compõem o átomo, e circulam na eletrosfera do átomo ou seja ao redor do núcleo com velocidade e posição bem definidas chamadas de camadas eletrônicas .

engenhariand

Pinteresti

info escola

Nuvem eletrônica ou Densidade eletrônica é a região externa do núcleo do átomo onde se localizam os elétrons.

Nuvem eletrônica é um lugar propício de se encontrar vários elétrons. Eletrosfera é o lugar onde os elétrons praticam o movimento circular e os demais movimentos.

Ela é dividida em sete camadas que recebem as letras: K, L, M, N, O, P, Q. De acordo com a distância entre a camada e o Núcleo Atômico, sendo K a camada mais próxima e menos energética e a Q a mais afastada e mais energética.

dconteudo.wordpress.com

Em 1913 o físico dinamarquês Niels Bohr, baseando-se em trabalhos anteriores, propôs que os elétrons giravam ao redor do núcleo em camadas eletrônicas, ou níveis de energia. Também afirmou que estes não ganham nem perdem energia ao se movimentarem em sua camada.

Porém, os elétrons podem ganhar energia e saltar para uma camada mais externa, deixando os seus respectivos átomos em estado de maior energia. Quando os elétrons voltam para sua camada original, liberam a energia adquirida  na forma de fótons,  liberando energia luminosa.

Blog Papo Físico - Tumbir

Nuvem eletrônica é um lugar propício de se encontrar vários elétrons. Eletrosfera é o lugar onde os elétrons praticam o movimento circular e os demais movimentos.

• Estatística de Fermi-Dirac para férmions (partículas com spin semi-inteiro)

Estatística de Fermi Dirac - You Tube- Univesp

• Estatística de Maxwell–Boltzmann (para partículas clássicas não interagentes)

• Estatística de Bose-Einstein para bósons (partículas com spin inteiro)

Férmions

Quarks e Léptons

CK-12

QUARKS

                              a beleza da física

• Quark Up (u)
• Quark Down (d)
• Quark Charme (c)
• Quark Estranho (s)
• Quark Botton (b)
• Quark Top (t)

Cada Quark possue a propriedade cor, que poderia ser chamada de carga cor, apresentando 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.

Os quarks up e down possuem as menores massas entre todos os quarks.

canal ciência

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).

Aqui Notícias

wiki.stoa.usp.br

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 Coulomb.

Tal modo que a soma algébrica das cargas dos Quarks que constituem um determinado Hádron, é sempre um múltiplo da carga do elétron.

LÉPTONS

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

BÓSONS

                                        IF/UERJ

• Fótons
• Z Bósons
• W Bósons
• gluons

Fótons

Se uma força eletromagnética está atuando é porque tem transferência de energia pelo Bóson chamado Fóton.

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).

Na Mecânica Quântica existe a dualidade “partícula - onda”.

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.

Os 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 nominação, e assim como a carga elétrica é uma propriedade de certas partículas, os Quarks também podem ter carga elétrica positiva ou negativa.

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.

Na natureza há quatro tipos de interações fundamentais e cada uma delas, é devida a uma propriedade fundamental da matéria

• Interação Eletromagnética................ devido a carga elétrica
• Interação Forte...........................devido a carga Cor
• Interação Fraca...........................devido a carga
• Interações da ação Gravitacional......... devido a massa

Se chamarmos cada uma dessas propriedades de carga, teremos quatro cargas: carga elétrica,carga fraca.

Assim sendo, há também quatro forças fundamentais na natureza:

força gravitacional,

                                força eletromagnética,

                                                força forte,

                                                                                       força fraca

Todas estas forças que parecem ser distintas, como forças elásticas, forças de atrito, forças intermoleculares, forças interatômicas, forças interiônicas, forças de viscosidade etc, são casos particulares ou resultantes dessas quatro forças fundamentais.

As interações fundamentais ocorrem como se as partículas interagentes "trocassem" outras partículas entre si e onde as partícula mediadoras 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, o mesmo se  pode falar em relação a Força Cor Forte e Força Cor Residual.

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 (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 aqui chamada de força cor residual é apenas uma manifestação de uma Força mais forte e mais fundamental - a Força Cor - que atua entre quarks 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 gravitacional.

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 elétron pode emitir um fóton real que fará click em um detector geiger real (já mencionado). Em resumo, tanto as partículas 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 forças, 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, é negligenciável  no domínio subatômico. Quer dizer, embora existam quatro interações fundamentais, quatro cargas e quatro forças isso não quer dizer que todas as partículas 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.

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 para o 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 doe glúons (forte) o de partículas W e Z (fraco) e o de gravitons (gravitacional). O problema nessa bela simetria de quatro cargas, quatro interações, quatro forças, quatro tipo de partícula mediadoras e quatro campos é 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 figura 1 uma visão esquemática do Modelo Padrão.

Como consta na legenda dessa figura, trata-se de uma simplificação. Feito isso, o restante desse 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 como os fótons e os glúons que são partículas sem massa.

Pois bem quando a incerteza 11 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 de elétron-pósitron é virtual, mas isso significa então que o vácuo está cheio de um grande número (essencialmente infinito) de pares elétron-pósitron virtuais. Então, além de fótons e glúons há também elétrons e pósitrons virtuais, e outras partículas como muons 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 parecimento de partículas virtuais na física. 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 prepuseram 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. 100 que se está buscando é manter a simetria dizendo que há em quatro campos fundamentais, quatro cargas, quatro interações e quatro tipo de partículas mediadoras; na verdade, é só na gravitação newtoniana que um corpo com massa cria em torno de si um campo gravitacional o que não ocorre na relatividade geral.

De acordo com as relações de incerteza de Heisenberg quanto mais precisas as medidas do momentum ou da energia transmitida de uma partícula, maiores as incertezas em medições no espaço e no tempo, por que exerce e por que cria à devida energia de que são compostas, têm estrutura interna. há seis tipos há dois tipos que são interagem trocando que são identifica especifica O  Modelo Padrão das partículas elementares Partículas básica 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)

Méson são formados por pares de quark antiquark.

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 Grávitons interna

Partículas reais (Partículas de matéria)

Partículas virtuais (Partículas de força) elementares - não têm estrutura e 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 vestida. Suponhamos que um elétron fosse colocado no vácuo. Poder-se-ia pensar que nada aconteceria, porém 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?

Mecânica Quântica

Mecânica Quântica é a teoria física que obtém sucesso no estudo dos sistemas físicos cujas dimensões são próximas ou abaixo da escala atômica, tais como moléculas, átomos, elétrons, prótons e outras partículas subatômicas, muito embora também possa descrever fenômenos macroscópicos em diversos casos.

O que é massa afinal?

Os Quarks mais familiares são Prótons e Néutrons.

A estrutura interna do Próton é uud ( 2 Quarks Up e um Quark Down e a estrutura interna do Nêutron é udd (1 Quark Up e dois Quark Down.

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 Próton  é formado por dois quarks Up de carga (+2/3 ) 

e um quark de carga Down (-1/3 e) 

de modo que a carga total do Próton é (2/3, +2/3, -l/3) 

e ou simplesmente e que significa que o quantum da carga elétrica continua sendo e (1,6 × 10−19 C)