segunda-feira, 14 de janeiro de 2013

Modelo Padrão - Parte 6

Vamos continuar a desvendar o Modelo Padrão?


Na última postagem faltou falarmos das partículas mediadoras não é mesmo?


As partículas mediadoras são responsáveis pelas interações entre as partículas. Precisamos então saber quais são os tipos de interações fundamentais presentes na natureza, que são as seguintes: interação gravitacionalinteração eletromagnética, interação forte e interação fraca. Elas se manifestam através da  força gravitacional, força eletromagnética, força forte e força fraca respectivamente. Todas as demais forças que conhecemos (força elástica, força normal, força de atrito, força elétrica etc) são derivadas destas quatro forças fundamentais. Mas para que a mensagem da força seja transmitida de uma partícula para outra é necessário algum mensageiro. Aí é que entram em ação as partículas mediadoras, também chamadas de partículas de força ou bósons de calibre. Então as partículas interagem trocando partículas entre si. 

Para a interação eletromagnética a partícula mediadora é o fóton. Sabemos que objetos com cargas elétricas iguais se repelem e com cargas opostas se atraem. Também sabemos que os pólos iguais de imãs se repelem e pólos opostos se atraem. Nestes exemplos a força eletromagnética está presente. A força se manifesta por conta da troca de fótons entre as partículas. Temos fótons de quantidades diferentes de energia (ondas de rádio, micro ondas, infravermelho, luz visível, ultravioleta, raio X e raio gama) como vemos no espectro eletromagnético abaixo:
Figura 1: Espectro eletromagnético

Os fótons não possuem massa e sua velocidade no vácuo é a velocidade da luz (300.000 km/s ou 3. 108 m/s).

A  interação eletromagnética também é responsável por manter átomo juntos para formarem moléculas. Se formos pensar bem, os átomos na sua maioria tem carga elétrica neutra, pois possuem mesma quantidade de elétrons e de prótons. O que se observa é que os elétrons de um átomo são atraídos pelos prótons de outro átomo, o que permite então que os átomos sejam atraídos mutuamente, mesmo tendo carga elétrica nula. Chamamos isso de interação eletromagnética residual. Se este fato não acontecesse, não se formariam moléculas e estruturas conhecidas no Universo.
            
interação forte por sua vez tem o glúon como partícula mediadora. Você já se perguntou como é que o núcleo de um átomo fica coeso, sendo que lá existem prótons com carga elétrica positiva? Nós sabemos que cargas iguais se repelem... Aí entra em ação a força forte, que é uma força de curto alcance. Se formos olhar para os prótons e nêutrons constituintes do núcleo, sabemos que cada um deles é formado por 3 quarks. Estes por sua vez tem carga de cor e a força de atração que estas cargas de cor tem entre si é bastante forte. Os glúons são como se fossem um tipo de cola que mantêm os quarks confinados dentro dos hádrons.
            
Porém, como vimos anteriormente, cada um dos 3 quarks possui uma cor diferente, que juntas, resultam a cor branca, ou seja, com carga neutra de cor. Como se explica o núcleo ficar coeso então? Isso ocorre pois a força forte dentro dos hádrons consegue superar a força eletromagnética de repulsão entre os prótons. Chamamos isso de interação forte residual, permitindo então que o núcleo fique coeso.
            
A interação fraca é mediada pelas partículas W e Z. Esta interação é responsável pelo decaimento de léptons e quarks da segunda e terceira gerações em versões mais leves da primeira geração.
            
A última interação das quatro fundamentais é a interação gravitacional, que tem o gráviton como partícula mediadora teoricamente, porém até o momento não foi detectado. Nós estudamos a força gravitacional entre corpos que possuem massa na escola. Mas até o fóton que não possui massa também é influenciado pela gravitação. O Modelo Padrão não consegue explicar esta interação muito bem como a Teoria da Relatividade Geral o faz. Mas como os efeitos desta interação são desprezíveis no nível subatômico, este problema de não saber descrevê-la inteiramente acaba não atrapalhando os avanços da teoria.
           
Para termos uma ideia da intensidade destas forças fundamentais, supondo que a força forte tenha intensidade 1, vejamos no quadro abaixo a comparação com as demais forças:

Forças da Natureza
Tipo
Intensidade Relativa
Partícula mediadora
Exemplos
Força nuclear forte
1
glúons (sem massa)
núcleos dos átomos
Força eletromagnética
 10-2
fótons (sem massa)
átomos, eletricidade
Força nuclear fraca
  10-12
Bósons Z e W (pesados)
decaimento beta
Força gravitacional
  10-38
gráviton (ainda não detectado)
corpos com massa
Figura 2: Interações fundamentais – comparação entre intensidades.

Resumindo, vimos que existem além de quarks e léptons, as partículas mediadoras das interações fundamentais da natureza. Temos o fóton, os glúons (existem 8 tipos) e os bósons Z e W (este último pode ter carga positiva ou negativa) já detectados. Destes totalizam mais 12 partículas elementares. Falta detectar o gráviton e a confirmação de detecção do famoso bóson de Higgs

Vejamos abaixo uma tabela (ABDALLA, 2005) com todas as partículas elementares do Modelo Padrão detectadas até hoje:


E aí? Vocês tinham noção de que já eram conhecidas 60 partículas elementares? Legal né?

Na próxima postagem, vamos falar um pouquinho mais sobre o Bóson de Higgs, que até caiu na prova da segunda fase da Unicamp deste ano. Para vocês verem como ele anda famoso!

Deixem seus comentários e dúvidas. Acompanhem!

Referências:
- ABDALLA, M.C.B. Sobre o discreto charme das partículas elementares. Física na Escola, 2005 6(1): p. 38-44. Disponível em: http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol6/Num1/charme.pdf
http://www.sprace.org.br/aventuradasparticulas/index.html
- MOREIRA, M.A. O Modelo Padrão da Física de Partículas. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 31, n. 1, 1306, 2009.