A força forte liga quarks dentro de nêutrons e prótons e mantém os núcleos atômicos juntos

Prótons, feitos de três quarks, colidindo. Os quarks são mantidos juntos pela força nuclear forte transportada pelos glúons. Crédito da imagem: MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images

A força forte ou força nuclear forte é uma das quatro forças fundamentais da natureza, juntamente com a gravidade, o eletromagnetismo e a força fraca. Como o nome sugere, a força forte é a força mais forte das quatro. Ela liga partículas fundamentais da matéria, conhecidas como quarks, para formar partículas maiores.

A FORÇA FORTE NO MODELO PADRÃO

A teoria dominante da física de partículas é o Modelo Padrão, que descreve os blocos básicos de construção da matéria e como eles interagem. A teoria foi desenvolvida no início dos anos 1970 e, ao longo do tempo e através de muitos experimentos, estabeleceu-se como uma teoria da física bem testada, de acordo com o CERN, a Organização Europeia para a Investigação Nuclear. 

O modelo padrão é a coleção de teorias que descrevem as menores partículas de matéria observadas experimentalmente e as interações entre energia e matéria. Crédito da imagem: Karl Tate, Artista infográfico da LiveScience

Sob o Modelo Padrão, uma das partículas elementares menores e mais fundamentais, ou aquelas que não podem ser divididas em partes menores, é o quark. Essas partículas são os blocos de construção de uma classe de partículas massivas conhecidas como hádrons, que incluem prótons e nêutrons. Os cientistas não obtiveram nenhuma indicação de que haja algo menor que um quark, mas ainda estão procurando.

A força forte foi proposta pela primeira vez para explicar por que os núcleos atômicos não se separam. Parecia que o fariam devido à força eletromagnética repulsiva entre os prótons carregados positivamente localizados no núcleo. Os físicos descobriram mais tarde que a força forte não apenas mantém os núcleos juntos, mas também é responsável por ligar os quarks que compõem os hádrons.

"As interações de força forte são importantes para manter os hádrons juntos", de acordo com "As Quatro Forças". A interação fundamental forte mantém os quarks constituintes de um hádron juntos, e a força residual mantém os hádrons juntos, como o próton e os nêutrons em um núcleo".

QUARKS E HÁDRONS

Os quarks foram teorizados em 1964, independentemente pelos físicos Murray Gell-Mann e George Zweig, e o físico observou pela primeira vez as partículas no Laboratório Nacional do Acelerador Linear de Stanford em 1968. De acordo com a Fundação Nobel, Gell-Mann escolheu o nome, que se diz ter vindo de um poema do romance "Finnegans Wake", de James Joyce: 

"Três quarks para Muster Mark! Claro que ele não tem muito latido, E com certeza qualquer que ele tenha está fora da marca"

"Experiências em aceleradores de partículas nos anos 50 e 60 mostraram que prótons e nêutrons são meros representantes de uma grande família de partículas agora chamadas de hádrons. Mais de 100 [agora mais de 200] hádrons, às vezes chamados de 'zoológico hadrônico', foram detectados até agora, segundo o livro "Particles and Nuclei: An Introduction to the Physical Concepts" (Springer, 2008). 

Os cientistas detalharam as maneiras pelas quais os quarks constituem essas partículas de hádrons. "Existem dois tipos de hádrons: Bárions e mésons", escreveu Lena Hansen em "The Color Force," um artigo publicado online pela Duke University. "Todo bárion é composto de três quarks, e todo méson é feito de um quark e um antiquark", onde um antiquark é a contrapartida de antimatéria de um quark com a carga elétrica oposta. Bárions são a classe de partículas que compreende prótons e nêutrons. Mesons são partículas de vida curta produzidas em grandes aceleradores de partículas e em interações com raios cósmicos de alta energia. 

SABORES E CORES DO QUARK

Quarks vêm em diferentes sabores. Crédito da imagem: Shutterstock

Quarks vêm em seis variedades que os físicos chamam de "sabores". Em ordem crescente de massa, eles são referidos como: up, down, strange, charm, bottom e top. Os quarks up e down são estáveis e formam prótons e nêutrons, segundo a Live Science. Por exemplo, o próton é composto de dois quarks up e um quark down, e é denotado como (uud).

Os outros sabores mais massivos são produzidos apenas em interações de alta energia e decaem com extrema rapidez. Eles são normalmente observados em mésons, que podem conter diferentes combinações de sabores como pares quark-antiquark. O último deles, o quark top, foi teorizado em 1973 por Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa, mas não foi observado até 1995, em um experimento do acelerador no Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab). Kobayashi e Maskawa foram agraciados com o Prêmio Nobel de Física de 2008 pela sua previsão. 

Os quarks têm outra propriedade, também com seis manifestações. Essa propriedade foi rotulada como "cor", mas não deve ser confundida com o entendimento comum de cor. As seis manifestações são denominadas vermelho, azul, verde, antivermelho, antiazul e antiverde. As anticores pertencem, apropriadamente, aos antiquarks. As propriedades de cor explicam como os quarks podem obedecer ao princípio de exclusão de Pauli, que afirma que dois objetos idênticos não podem ocupar o mesmo estado quântico, disse Hansen. Ou seja, os quarks que compõem o mesmo hádron devem ter cores diferentes. Assim, todos os três quarks em um bárion são de cores diferentes, e um méson deve conter um quark colorido e um antiquark da anticor correspondente.

GLÚONS E A FORÇA FORTE

Partículas de matéria transferem energia trocando partículas portadoras de força, conhecidas como bósons, umas com as outras. A força forte é transportada por um tipo de bóson chamado "glúon", assim chamado porque essas partículas funcionam como a "cola" que mantém o núcleo e seus bárions constituintes juntos. Uma coisa estranha acontece na atração entre dois quarks: A força forte não diminui com a distância entre as duas partículas, como faz a força eletromagnética; na verdade, aumenta, mais parecido com o estiramento de uma mola mecânica.

Tal como acontece com uma mola mecânica, há um limite para a distância que dois quarks podem ser separados um do outro, que é aproximadamente o diâmetro de um próton. Quando esse limite é atingido, a tremenda energia necessária para realizar a separação é subitamente convertida em massa na forma de um par quark-antiquark. Essa conversão de energia em massa acontece de acordo com a famosa equação de Einstein E = mc² ou, neste caso, m = E/c² — onde E é energia, m é massa e c é a velocidade da luz. Como essa conversão ocorre toda vez que tentamos separar os quarks uns dos outros, os quarks livres não foram observados e os físicos não acreditam que existam como partículas individuais. Em seu livro "Teorias de calibre das interações fortes, fracas e eletromagnéticas: segunda edição" (Princeton University Press, 2013), Chris Quigg do Fermilab afirma: "A observação definitiva de quarks livres seria revolucionária".

FORÇA FORTE RESIDUAL

Quando três quarks estão ligados em um próton ou um nêutron, a força forte produzida pelos glúons é neutralizada principalmente, porque quase toda ela vai para unir os quarks. Como resultado, a força é confinada principalmente dentro da partícula. No entanto, uma pequena fração da força atua fora do próton ou nêutron. Essa fração da força pode operar entre prótons e nêutrons, coletivamente conhecidas como núcleons. 

Segundo Constantinos G. Vayenas e Stamatios N.-A. Souentie em seu livro "Gravity, Special Relativity and the Strong Force" (Springer, 2012), "tornou-se evidente que a força entre núcleons é o resultado, ou efeito colateral, de uma força mais forte e mais fundamental que une quarks em prótons e nêutrons." Este "efeito colateral" é chamado de "força forte residual" ou a "força nuclear", e é o que mantém os núcleos atômicos juntos, apesar da força eletromagnética repulsiva entre os prótons carregados positivamente que age para separá-los. 

Ao contrário da força forte, porém, a força forte residual diminui rapidamente em distâncias curtas e é significativa apenas entre partículas adjacentes dentro do núcleo. A força eletromagnética repulsiva, no entanto, diminui mais lentamente, então atua em todo o núcleo. Portanto, em núcleos pesados, particularmente aqueles com números atômicos maiores que 82 (chumbo), enquanto a força nuclear em uma partícula permanece quase constante, a força eletromagnética total sobre essa partícula aumenta com o número atômico até o ponto em que, eventualmente, pode separar o núcleo. "A fissão pode ser vista como um 'cabo-de-guerra' entre a força nuclear forte atrativa e a força eletrostática repulsiva", de acordo com o ABC's of Nuclear Science do Lawrence-Berkeley National Laboratory. "Nas reações de fissão, a repulsão eletrostática vence". 

A energia liberada pela quebra da ligação da força forte residual toma a forma de partículas de alta velocidade e raios gama, produzindo o que chamamos de radioatividade. Colisões com partículas do decaimento de núcleos próximos podem precipitar esse processo, causando uma reação nuclear em cadeia. A energia da fissão de núcleos pesados, como urânio-235 e plutônio-239, é o que alimenta reatores nucleares e bombas atômicas.

LIMITAÇÕES DO MODELO PADRÃO

Além de todas as partículas subatômicas conhecidas e previstas, o Modelo Padrão inclui as forças fortes e fracas e o eletromagnetismo, e explica como essas forças agem nas partículas da matéria. No entanto, a teoria não inclui a gravidade. Encaixar a força gravitacional na estrutura do modelo deixou os cientistas estupefatos por décadas. Mas, segundo o CERN, na escala dessas partículas, o efeito da gravidade é tão minúsculo que o modelo funciona bem apesar da exclusão dessa força fundamental.

RECURSOS ADICIONAIS

• O CERN criou um site abundante descrevendo todos os meandros de nossos esforços para entender a força forte, que você pode ver aqui. 
• Você também pode conferir demos interativas na web ou por meio de um aplicativo, cortesia de The Particle Adventure. 
• Se você estiver com mais disposição para ouvir, confira este episódio de podcast cavando na força forte.

BIBLIOGRAFIA

• Constantinos, G. et al. Gravidade, Relatividade Especial e Força Forte (Springer Science & Business Media, 2012)
• Quigg, C. Teorias de calibre das interações fortes, fracas e eletromagnéticas (Princeton University Press, 2013)
• Povh, B. et al. Partículas e Núcleos: Uma Introdução aos Conceitos Físicos (Springer Science & Business Media, 2008)
• Thacker, T. (1995, 29 de janeiro) As Quatro Forças https://webhome.phy.duke.edu/~kolena/modern/forces.html#005
• Hansen, L. (1997, 27 de fevereiro) The Color Force https://webhome.phy.duke.edu/~kolena/modern/hansen.html

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— Este artigo foi atualizado em 27 de julho de 2022 pelo editor da Gaia Ciência.

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Referência:

LUCAS, Jim; SUTTER, Paul. What is the strong force? Live Science, Nova York, 21, jul. 2022. References. Disponível em: <https://www.livescience.com/48575-strong-force.html>. Acesso em: 27, jul. 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.