Algumas dessas minúsculas partículas elementares estão entre as partículas mais importantes do universo

Os neutrinos são uma forma de lépton. A maior parte da energia de uma supernova em colapso é irradiada na forma de neutrinos, produzidos quando prótons e elétrons no núcleo se combinam para formar nêutrons. Crédito da imagem: Naeblys via Getty Images

Os Léptons são partículas elementares, o que significa que eles não são feitos de partículas menores. 

Existem seis tipos conhecidos de léptons (12 se você contar suas antipartículas). Três delas são partículas carregadas negativamente: Elétrons, múons e partículas tau. As outras três são neutrinos, que são eletricamente neutros. Existe um neutrino correspondente para cada tipo de lépton carregado, então temos o neutrino do elétron, o neutrino do múon e o neutrino do tau.

Os Léptons são uma parte crucial do Modelo Padrão da física de partículas. Os elétrons são componentes importantes dos átomos, enquanto os neutrinos inundam o universo e são produzidos por reações de fusão nuclear em estrelas, bem como pelo decaimento de partículas.

O QUE É O NÚMERO LEPTÔNICO?

Um exemplo de léptons envolvidos no decaimento de partículas é o de um nêutron. Os nêutrons são estáveis quando ligados a outros nêutrons e prótons em núcleos atômicos, mas quando estão sozinhos fora dos núcleos atômicos, são instáveis e decaem após cerca de 15 minutos em um próton, um elétron e um neutrino anti-elétron.

Essa reação de decaimento demonstra algumas das propriedades fundamentais dos léptons. Em primeiro lugar, ele conserva uma propriedade conhecida como Número Lépton, definida por físicos da Georgia State University como o número de léptons menos o número de anti-léptons. Um nêutron é um bárion, não um lépton, então seu Número Leptônico é 0. Portanto, seus produtos de decaimento também devem somar um Número Leptônico de 0. O Número Leptônico de um elétron é 1, e o Número Leptônico de um anti-neutrino é -1, portanto, eles se cancelam e conservam o número geral de léptons da reação.

Para complicar as coisas, estão as três famílias de léptons (neutrinos de elétrons e elétrons, múons e neutrinos de múons e partículas tau e neutrinos tau) e as regras dos números de léptons dizem que eles não podem ser misturados e combinados. Assim, um nêutron jamais poderia decair e produzir um elétron e um neutrino antimúon, pois pertencem a famílias diferentes de léptons. 

No entanto, uma vez que um neutrino anti-elétron é produzido a partir do decaimento de um nêutron, o próprio neutrino pode mudar de sabor para um múon ou neutrino tau. Isso é conhecido como oscilação de neutrinos e é descrito por físicos do Grupo de Neutrinos da Universidade de Stanford. Oscilações de neutrinos são a solução para o mistério do problema do neutrino solar, onde parecia que apenas um terço do número esperado de neutrinos de elétrons do sol estava atingindo a Terra. Descobriu-se que eles não estavam desaparecendo, mas oscilando em neutrinos muon e tau em seu caminho para cá.

PROPRIEDADES DOS LÉPTONS

O elétron foi o primeiro lépton a ser descoberto, em 1897 pelo físico britânico Joseph John Thomson. Um elétron tem uma energia de massa de repouso de 0,511 MeV (Mega elétron-volt) (que equivale a 9,1 x 10^-31 quilogramas). Os elétrons são componentes importantes dos átomos, orbitando o núcleo de um átomo composto de prótons e nêutrons. Um átomo terá o mesmo número de elétrons e prótons, garantindo que as cargas positivas dos prótons e as negativas dos elétrons se anulem para criar um átomo eletricamente neutro. Muitos processos químicos estão relacionados à presença desses elétrons nos átomos.

O físico britânico Joseph John Thomson descobriu o elétron em 1897. Ele é fotografado aqui no Cavendish Laboratory, Cambridge, Reino Unido. Crédito da imagem: Photo12/Universal Images Group via Getty Images

Os Múons foram descobertos em 1936 por Carl Anderson e Seth Neddermeyer, que realizavam experimentos com raios cósmicos do espaço profundo (Anderson já havia descoberto a antipartícula do elétron, o pósitron, quatro anos antes). Raio cósmico é um nome impróprio, na verdade não é um 'raio', mas uma partícula de energia imensamente alta produzida por processos violentos no universo, como quasares, supernovas e remanescentes de supernova altamente magnetizados. Quando os raios cósmicos entram na atmosfera da Terra, eles colidem com as moléculas atmosféricas e se desintegram, produzindo uma chuva de partículas filhas criadas na colisão. Múons estão entre essas partículas filhas, mas têm vida curta, decaindo de volta para um elétron depois de apenas 2,2 milionésimos de segundo. Felizmente, como viajam quase à velocidade da luz, podem atingir a superfície da Terra antes de se decomporem, permitindo aos cientistas detetá-los.

Os múons são mais massivos que os elétrons; 207 vezes mais massivo para ser preciso, com uma energia-massa de repouso de 105,7 MeV (equivalente a 1,9 x 10^-28 kg).

As partículas Tau foram descobertas por experimentos de aceleradores de partículas de Martin Perl em 1975 e, como os múons, também são criadas apenas em violentas colisões de partículas. As partículas Tau são ainda mais massivas que os múons, com uma energia-massa de repouso de 1.777 MeV (equivalente a 3,1x 10^-27 kg), o que significa que eles são cerca de 3.700 vezes mais massivos que um elétron. Como os múons, as partículas tau têm vida incrivelmente curta, decaindo após apenas 29 trilionésimos de segundo. Literalmente, pisque e você sentirá falta deles, por isso eles demoraram muito mais para serem detectados.

O nome 'lepton' foi cunhado em 1948 pelo físico Léon Rosenfeld e o lépton final a ser descoberto, o neutrino tau foi encontrado no ano 2000. Não há previsão de existência de mais léptons no Modelo Padrão, embora tenha havido alguma sugestão de que poderia haver um quarto tipo hipotético de neutrino chamado de neutrino estéril. O neutrino estéril é uma possível explicação para a identidade da matéria escura. Se os neutrinos estéreis realmente existissem, eles seriam uma indicação da física além do Modelo Padrão.

A DIFERENÇA IMPORTANTE ENTRE LÉPTONS E QUARKS

Os léptons são férmions, o que significa que eles têm um spin de 1/2 (os férmions têm spins quânticos semi-inteiros, ou seja, 1/2 ou 3/2). Quarks, que são os blocos de construção de prótons e nêutrons que formam a base dos núcleos atômicos, também são férmions e partículas elementares. Então, existe alguma diferença entre léptons e quarks?

Sim existe. Crucialmente, os quarks são as únicas partículas a experimentar todas as quatro forças fundamentais: A força nuclear forte, a interação fraca, a força eletromagnética e a gravidade. Por outro lado, os léptons experimentam apenas três delas: A interação fraca, a força eletromagnética e a gravidade. 

A força forte é a cola que une os quarks para formar núcleos atômicos. Por causa disso, nenhum quark pode existir isoladamente. Como os léptons não sentem a força forte, eles são livres para existir sozinhos, fora dos átomos, flutuando no espaço. Embora as partículas de múons e tau não existam por tempo suficiente antes de decair por meio da interação fraca para aproveitar ao máximo sua liberdade, elétrons livres e neutrinos são componentes-chave do universo de partículas.

As quatro forças fundamentais da natureza são ilustradas aqui do canto superior esquerdo no sentido horário, gravidade, eletromagnética, forte e fraca. Crédito da imagem: MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images

Os elétrons livres, por exemplo, espalham fótons. Quando o universo era muito jovem e quente, o espaço era inundado por elétrons livres que espalhavam a luz, o que significava que os fótons não podiam percorrer nenhuma distância apreciável e o universo permanecia bastante escuro. Cerca de 379.000 anos após o Big Bang, o universo havia esfriado o suficiente para que os núcleos atômicos pudessem se unir aos elétrons para formar átomos completos de hidrogênio e hélio. Com a maioria dos elétrons livres sendo varridos, esse caminho foi liberado para permitir que os fótons finalmente viajassem pelo espaço sem impedimentos. Esses primeiros fótons são o que vemos hoje como a radiação cósmica de fundo (CMB) que nos diz muito sobre o início do universo e o Big Bang.

Claro, ainda existem muitos elétrons livres hoje; a energia de um fóton impactando um átomo pode ser suficiente para liberar um elétron e 'ionizar' o átomo. Dentro do sol e da Terra, onde as temperaturas podem chegar a 15 milhões de graus Celsius no núcleo, essas colisões acontecem o tempo todo. Fótons de energia gerados no núcleo do sol por reações de fusão nuclear continuamente espalham elétrons livres dentro da "zona radiativa" interna do sol, o que significa que, dependendo de quais suposições você usa em seus cálculos, eles podem levar entre 4.000 anos e um milhão de anos para atingir a superfície do sol e ser emitido como luz. Como resultado, a luz do sol que vemos é realmente muito antiga!

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RECURSOS ADICIONAIS

Explore o Modelo Padrão da física de partículas com mais detalhes com esses recursos do Departamento de Energia. Saiba mais sobre léptons com chemeurope.com, um portal especializado para o setor químico. Mergulhe mais fundo na física de partículas com este curso de aprendizado on-line gratuito da The Open University.  

BIBLIOGRAFIA

Física de partículas, por Brian R. Martin (2011, One-World Publications)

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Referência:

COOPER, Keith. Leptons: The elementary particles explained. Space, Nova York, 20, jan. 2023. References. Disponível em: <https://www.space.com/leptons-facts-explained>. Acesso em: 25, jan. 2023.

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.