Nas profundezas dos átomos que compõem nossos corpos e até mesmo dentro dos prótons e nêutrons que compõem os núcleos atômicos, existem pequenas partículas chamadas quarks

Ilustração do artista com padrões de redemoinho brancos e fundo azul. Crédito da imagem: bestdesigns via Getty Images

Os quarks são os últimos blocos de construção da matéria visível no universo. 

Se pudéssemos dar um zoom em um átomo em seu corpo, veríamos que ele consiste em um enxame de elétrons em órbitas ao redor de um núcleo de prótons e nêutrons. E se pudéssemos ampliar um desses prótons ou nêutrons, descobriríamos que eles próprios são compostos de um trio de partículas tão pequenas que quase não têm tamanho algum e são pouco mais que pontos. Essas partículas pontuais são os quarks.

Quarks são partículas elementares. Como o elétron, eles não são feitos de nenhuma outra partícula. Você poderia dizer que eles estão no piso térreo do Modelo Padrão da física de partículas.

A DESCOBERTA DOS QUARKS

A existência de quarks foi teorizada pela primeira vez em 1964 no trabalho de dois físicos, Murray Gell-Mann e George Zweig, ambos do Instituto de Tecnologia da Califórnia (CalTech), mas que chegaram à conclusão de que os quarks existem independentemente um do outro. Ao contrário de como a ciência é frequentemente retratada na mídia, as conclusões de Gell-Mann e Zweig não foram um "a-ha!" de momento, mas foram construídos com base em muitos anos de trabalho árduo e descobertas cuidadosas da comunidade de física de partículas.

Na década de 1950, os físicos estavam construindo uma biblioteca de partículas conhecidas. Era um pouco como a botânica, catalogando os vários tipos e suas propriedades, mas o que faltava era uma teoria subjacente por trás de sua existência. Essa teoria acabou se tornando conhecida como Modelo Padrão, mas para chegar lá várias descobertas vitais tiveram que ser feitas, incluindo a dos quarks.

O mais intrigante era a existência de partículas chamadas hyperons, que eram instáveis e decaíam muito rapidamente, mas não nas partículas em que se esperava que decaíssem. Gell-Mann percebeu que deveria haver uma propriedade quântica desconhecida em ação, que ele chamou de "estranheza" por causa do inesperado de tudo.

Números quânticos, como estranheza, carga e rotação, devem ser conservados. Se uma partícula com um número quântico específico decai, então seus subprodutos devem somar aqueles números quânticos que a partícula decaída tinha. Além disso, os números quânticos de uma determinada partícula têm "graus de liberdade" — basicamente a faixa de valores que esses números podem ter. Esses graus de liberdade são chamados de multipletos, e o padrão no qual esses multipletos podem ser arranjados entre diferentes partículas levou Gell-Mann e Zweig a acreditar que as partículas e seus multipletos poderiam ser explicados se cada partícula fosse formada por duas ou três partículas menores. 

Zweig chamou essas minúsculas partículas elementares de "ases", mas o nome não pegou. Gell-Mann, que sempre gostou de nomes complicados e memoráveis, chamou-os de quarks, derivado de uma frase do romance experimental de James Joyce, Finnegan's Wake: "Três quarks para Muster Mark!" No romance, os quarks se referem aos três filhos do personagem principal, o Sr. Mark. 

Esses quarks foram referidos como quarks "up", "down" e "strange". O up e down realmente não se referem a nada, enquanto o quark strange tinha um número quântico de estranheza de -1, daí o motivo de ser chamado de "strange", enquanto os quarks up e down têm uma estranheza de 0.

QUARKS NA FÍSICA QUÂNTICA

O Grande Colisor de Hádrons ocupa um túnel subterrâneo circular com quase 27 quilômetros de circunferência. Crédito da imagem: xenotar via Getty Images

Embora a teoria fosse inteligente, ela não foi bem recebida imediatamente porque não havia evidências experimentais de quarks. Isso aconteceu quatro anos depois, em 1968, no Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) na Califórnia. Os pesquisadores dispararam elétrons e, posteriormente, múons, contra prótons, e encontraram evidências de que os elétrons e múons estavam se espalhando em três partículas menores contidas nos prótons, cada uma dessas partículas menores tendo sua própria carga elétrica. Essas partículas eram os quarks.

Acontece que na verdade existem seis tipos, ou sabores, de quarks no total. Além dos quarks up, down e strange, existem também os quarks "charm", "top" e "bottom". Cada um tem seu próprio conjunto de números quânticos, e suas massas são muito diferentes, com os quarks up e down sendo os menos massivos, e o quark top sendo o mais pesado com uma massa 61.000 vezes maior que o quark up. O por que deveria ser tão massivo não é totalmente compreendido, mas decai rapidamente em quarks menos massivos. A única razão pela qual os cientistas sabem que os quarks top e bottom existem é porque os aceleradores de partículas, como o Grande Colisor de Hádrons, são capazes de produzi-los brevemente.

Além da dificuldade de estudar os quarks está o fato de que, em condições normais, eles não existem sozinhos. Eles estão sempre unidos pela força nuclear forte, o que lhes permite formar partículas compostas chamadas hádrons. Partículas feitas de dois quarks são chamadas de mésons, e partículas feitas de três quarks são chamadas de bárions, que incluem prótons (dois quarks up e um down) e nêutrons (um quark up e dois quarks down). Existem partículas chamadas tetraquarks que são feitas de quatro quarks e pentaquarks que possuem cinco quarks, e algumas delas são quase estáveis, mas eventualmente decaem.

Para se encaixar na teoria da física quântica, o comportamento dos quarks é governado por um modelo chamado cromodinâmica quântica, ou QCD para abreviar. O "cromo" no nome refere-se a "cor" - não como em vermelho, verde ou azul, mas o nome dado a um número quântico específico que os quarks possuem. Pense na cor como desempenhando o mesmo papel na força forte que a carga elétrica desempenha na força eletromagnética. Assim, cores semelhantes se repelem e cores diferentes (ou seja, uma cor e sua anticor) se atraem, formando pares estáveis de quarks e, como outros números quânticos, também devem ser conservados.

O BIG BANG E O PLASMA QUARK-GLUON

O universo surgiu há cerca de 13,8 bilhões de anos. Crédito da imagem: ALFRED PASIEKA/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images

A força forte que liga os quarks dentro dos hádrons é transportada por outro tipo de minúscula partícula elementar chamada glúon, que é trocada entre os quarks. Separar quarks individuais requer uma enorme quantidade de energia (não é chamada de força forte sem motivo). Essa quantidade de energia bruta só existiu na natureza cerca de 10 bilionésimos de segundo a cerca de um milionésimo de segundo após o Big Bang, quando a temperatura era de aproximadamente 3,6 trilhões de graus Fahrenheit (2 trilhões de graus Celsius). Durante esse breve período inicial, o universo jovem foi preenchido com uma forma de matéria conhecida como plasma quark-gluon, uma sopa de partículas de quarks e gluons flutuantes. À medida que a temperatura e a pressão caíram rapidamente à medida que o universo jovem se expandia, os quarks se uniram, formando hádrons que formaram a base de toda a matéria visível que vemos hoje no cosmos, de estrelas e galáxias a planetas e pessoas.

Embora o plasma de quark-gluon tenha existido apenas 13,8 bilhões de anos atrás, logo após o Big Bang, os cientistas o recriaram com sucesso em experimentos com aceleradores de partículas, esmagando dois núcleos pesados, como o de chumbo, um no outro, próximo à velocidade de luz. A primeira vez que isso foi alcançado foi no Super Proton Synchrotron do CERN em 2000.

Como tal, estudar plasmas de quark-glúon em experimentos de aceleradores de partículas é uma maneira importante de entender melhor as condições do universo após o Big Bang.

ESTRELAS QUARK

O outro local na natureza onde as condições podem ser tão extremas que os quarks se tornam ilimitados é em um objeto hipotético chamado "estrela de quark".

Se existirem, as estrelas de quark são uma espécie de estrela de nêutrons extremas, que são os objetos mais compactos conhecidos no universo que não colapsaram sob a gravidade para formar um buraco negro. Uma estrela de nêutrons nasce em uma supernova, que é uma explosão violenta que sinaliza a destruição de uma estrela massiva. Enquanto as camadas externas da estrela são exauridas, o núcleo da estrela colapsa sob a gravidade e a pressão torna-se tão grande que os prótons com sua carga elétrica positiva se fundem com os elétrons carregados negativamente, suas cargas cancelando-se para formar nêutrons neutros. As estrelas de nêutrons têm cerca de 10 quilômetros de diâmetro, e uma colher de material de uma estrela de nêutrons pode ter tanta massa quanto uma montanha.

No entanto, teoricamente, pode ser possível que os núcleos de estrelas moribundas se tornem ainda mais compactos. Nesse cenário, os nêutrons se desintegrariam, liberando seus quarks para a liberdade. Esta seria uma estrela quark.

No entanto, por enquanto, as estrelas quark permanecem puramente hipotéticas; os astrônomos ainda não descobriram uma de forma conclusiva, embora haja um punhado de candidatos que parecem ter propriedades ligeiramente diferentes das estrelas de nêutrons comuns, como um diâmetro menor e uma massa maior. 

Um candidato é um objeto que na verdade não foi formado em uma supernova, mas a partir da fusão de duas estrelas de nêutrons que produziram um evento de onda gravitacional conhecido como GW 190425, que foi captado pelos detectores de ondas gravitacionais LISA e Virgo aqui na Terra em 2019. A massa do objeto fundido está entre 3,11 e 3,54 massas solares. Isso é muito grande para ser uma estrela de nêutrons (que em teoria não pode ter mais massa do que cerca de 2,4 massas solares), mas não é grande o suficiente para ser um buraco negro (que precisa ter cerca de cinco massas solares no mínimo). Poderia ser uma estrela quark em vez disso?

Uma outra possibilidade é que algumas estrelas de nêutrons possam ser objetos híbridos, com material comum de estrelas de nêutrons em suas camadas externas e quarks no fundo de seus núcleos.

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RECURSOS ADICIONAIS

Leia mais sobre quarks com esses recursos do CERN. Saiba mais sobre a descoberta de quarks com o CERN e explore os quarks e gluons em mais detalhes com o Departamento de Energia.

BIBLIOGRAFIA

• Os primeiros 3 minutos: Uma visão moderna da origem do universo por Steven Weinberg (1977, edição revisada de 1993, Harper-Collins)
• Física de partículas por Brian R. Martin (2011, One-World Publications)
• Crease, RP (17 de junho de 2019). Murray Gell-Mann (1929–2019). Nature News. Acesso em 1º de novembro de 2022, em https://www.nature.com/articles/d41586-019-01907-y
• Primeira observação de plasma quark-gluon? Sociedade Americana de Física. (1998, julho). Acesso em 1º de novembro de 2022, em https://www.aps.org/publications/apsnews/199807/observation.cfm
• Fritzsch, H. (27 de setembro de 2012). A história do CDC. Correio do CERN. Acesso em 1º de novembro de 2022, em https://cerncourier.com/a/the-history-of-qcd/
• Lopes, A. (2 de junho de 2020). Estrelas de nêutrons mostram seus núcleos. CERN. Acesso em 1º de novembro de 2022, em https://home.cern/news/news/physics/neutron-stars-show-their-cores
• Rayner, M. (29 de julho de 2021). Novo tetraquark a um triz da estabilidade. Correio do CERN. Acesso em 1º de novembro de 2022, em https://cerncourier.com/a/new-tetraquark-a-whisker-away-from-stability/
• Recriando a matéria do Big Bang na Terra. CERN. Acesso em 1º de novembro de 2022, em https://home.cern/news/series/lhc-physics-ten/recreating-big-bang-matter-earth
• Página inicial do SLAC. Laboratório Acelerador Nacional SLAC. Acesso em 1º de novembro de 2022, em https://www6.slac.stanford.edu/
• O super próton síncrotron. CERN. Acesso em 1º de novembro de 2022, em https://home.cern/science/accelerators/super-proton-synchrotron

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Referência:

COOPER, Keith. Quarks: What are they? Space, Nova York, 01, nov. 2022. References. Disponível em: <https://www.space.com/quarks-explained>. Acesso em: 27, dez. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.