O Modelo Padrão é nossa melhor teoria sobre como o universo funciona, mas há algumas peças faltando que os físicos estão lutando para encontrar

O Modelo Padrão da física é a teoria das partículas, campos e as forças fundamentais que os governam. Uma ilustração da estrutura dentro de um átomo. Crédito da imagem: KTSDesign/SCIENCEPHOTOLIBRARY/Getty Images

O Modelo Padrão da física é a teoria das partículas, campos e as forças fundamentais que os governam. 

Ele nos fala sobre como as famílias de partículas elementares se agrupam para formar partículas compostas maiores, como uma partícula pode interagir com outra e como as partículas respondem às forças fundamentais da natureza. Ele fez previsões bem-sucedidas, como a existência do bóson de Higgs, e atua como a pedra angular da física teórica.

Uma maneira de pensar sobre o Modelo Padrão é como uma árvore genealógica de partículas. Por exemplo, o Modelo Padrão nos diz como os átomos que compõem nossos corpos são feitos de prótons e nêutrons, que por sua vez são feitos de partículas elementares chamadas quarks.

O Modelo Padrão

O Modelo Padrão é considerado por físicos, como Glenn Starkman da Case Western Reserve University, como uma das teorias científicas de maior sucesso de todos os tempos, mas por outro lado, os cientistas também reconheceram que ela é incompleta, da mesma forma que a teoria da gravitação universal de Isaac Newton derivada de suas leis do movimento, embora notavelmente bem-sucedida, não era o quadro completo e exigia a Teoria Geral da Relatividade de Albert Einstein para preencher as lacunas que faltavam.

A HISTÓRIA DO MODELO PADRÃO

O Modelo Padrão foi elaborado na década de 1960 e início da década de 1970 a partir do trabalho de um grupo de cientistas pioneiros, mas na verdade suas origens remontam a quase 100 anos antes. Na década de 1880, tornou-se evidente que havia partículas carregadas positiva e negativamente produzidas quando os gases são ionizados, e que essas partículas devem ser menores que os átomos, que eram as menores estruturas conhecidas na época. A primeira partícula subatômica a ser identificada, em raios catódicos, foi o elétron negativo em 1897 pelo físico britânico e subsequente vencedor do Prêmio Nobel, JJ Thomson.

Então, em 1911, Hans Geiger e Ernest Madsen, sob a supervisão do Prêmio Nobel Ernest Rutherford na Universidade de Manchester, realizaram seu famoso experimento 'folha de ouro', no qual partículas alfa (núcleos de hélio) foram disparadas em uma fina folha de ouro. Algumas das partículas alfa passaram direto pelos átomos na folha, enquanto outras foram espalhadas para a esquerda e para a direita e uma pequena fração saltou de volta.

Uma ilustração do experimento da folha de ouro. Crédito da imagem: Wikimedia Commons/Kurzon

Rutherford interpretou isso como significando que os átomos continham muito espaço vazio pelo qual as partículas alfa estavam passando, mas que sua carga positiva estava concentrada em um núcleo em seu centro e, nas ocasiões em que uma partícula alfa atingia esse núcleo, era espalhada. Outras experiências de Rutherford em 1919-20 descobriram que uma partícula alfa lançada no ar poderia derrubar uma partícula carregada positivamente de um átomo de nitrogênio no ar, transformando-a em carbono no processo. Essa partícula era o próton, que dá ao núcleo atômico sua carga positiva. O parceiro de carga neutra do próton, o nêutron, foi identificado em 1932 por James Chadwick em Cambridge, que também ganhou o Prêmio Nobel.

Assim, a imagem da física de partículas no início da década de 1930 parecia relativamente direta, os átomos eram feitos de dois tipos de 'núcleons', sob a forma de prótons e nêutrons, e os elétrons os orbitavam. 

Mas as coisas já estavam rapidamente começando a se tornar mais complicadas. A existência do fóton já era conhecida, então tecnicamente era uma quarta partícula. Em 1932, o físico americano Carl Anderson descobriu o pósitron, que é o equivalente a antimatéria de um elétron. O múon foi identificado em 1936 por Anderson e Seth Neddermeyer, e então o píon foi descoberto em 1947 por Cecil Powell. Na década de 1960, com o advento dos aceleradores de partículas incipientes, centenas de partículas estavam sendo descobertas, e o quadro científico estava se tornando realmente muito complicado. Os cientistas precisavam de uma maneira de organizar e simplificar tudo, e sua resposta para isso foi criar o Modelo Padrão, que é a coroação do trabalho cumulativo da comunidade física daquela época.

GERAÇÕES DE PARTÍCULAS

De acordo com o Modelo Padrão, existem três famílias de partículas elementares. Quando dizemos 'elementares', os cientistas querem dizer partículas que não podem ser decompostas em partículas ainda menores. Estas são as menores partículas que juntas formam todas as outras partículas.

As três famílias são léptons, quarks e bósons. Léptons e quarks são conhecidos como férmions porque têm um spin semi-inteiro. Os bósons, por outro lado, têm um spin inteiro. O que isto significa?

Spin, no contexto da física quântica, refere-se ao momento angular de spin. Isso é diferente do momento angular orbital, que descreve a rotação da Terra em torno do Sol, a rotação da Terra em torno de seu eixo de rotação e até mesmo a rotação de um pião. Por outro lado, o momento angular de spin é uma propriedade quântica intrínseca a cada partícula, mesmo que essa partícula seja estacionária. Partículas de spin de meio inteiro têm valores de spin que são meio inteiros, então 1/2, 3/2, etc. Os bósons têm valores de spin inteiros, por exemplo, 1, 2, 3 etc.

Os léptons incluem elétrons, múons, partículas tau e seus neutrinos associados. Quarks são partículas minúsculas que, quando unidas, formam partículas compostas, como prótons e nêutrons. As partículas que são feitas de quarks são chamadas de hádrons (daí o Grande Colisor de Hádron), com partículas compostas formadas por números ímpares de quarks, geralmente três, sendo chamadas de bárions, e aquelas feitas de dois quarks chamadas de mésons. Os bósons são portadores de força, eles transferem a força eletromagnética (fótons), a força fraca (bósons Z e W), a força nuclear forte (glúons) e a força de Higgs (bóson de Higgs).

Cada 'família' consiste em seis partículas conhecidas (exceto os bósons, que explicaremos mais adiante) que vêm em pares chamados 'gerações'. As partículas mais estáveis e menos massivas da família formam a primeira geração. Por causa de sua estabilidade, o que significa que elas não decaem rapidamente, toda a matéria estável no universo é feita de partículas elementares de primeira geração. Por exemplo, os prótons são formados por dois quarks 'up' e um quark 'down', que são os dois quarks mais estáveis.

Uma ilustração representando cada uma das 17 partículas fundamentais. Crédito da imagem: IkonStudio/Getty Images

Existem 17 partículas elementares conhecidas, 6 léptons, 6 quarks, mas apenas 5 bósons. Falta um porta-forças, o gráviton. O Modelo Padrão prevê que a gravidade deve ter um bóson portador de força, na forma de gráviton. As ondas gravitacionais são, em teoria, formadas a partir de grávitons. No entanto, detectar o gráviton não será tarefa fácil. A gravidade é a mais fraca das quatro forças fundamentais. Você pode pensar que não, afinal ela mantém seus pés no chão, mas quando você considera que é preciso toda a massa do planeta para gerar gravidade suficiente para manter seus pés no chão, você pode ter a sensação de que a gravidade não é tão forte quanto, digamos, o magnetismo pode ser, que pode pegar um clipe de papel contra a atração gravitacional da Terra. Consequentemente, os grávitons individuais não interagem com a matéria tão facilmente, dizem que eles têm uma baixa seção transversal de interação. Os grávitons podem ter que permanecer hipotéticos por enquanto.

ALÉM DO MODELO PADRÃO

Por mais maravilhoso que seja o Modelo Padrão, ele descreve apenas uma pequena fração do universo. A espaçonave Planck da Agência Espacial Europeia confirmou que tudo o que podemos ver no cosmos, planetas, estrelas e galáxias, representa apenas 4,9% de toda a massa e energia do universo. O resto é matéria escura (26,8%) e energia escura (68,3%), cuja natureza é completamente desconhecida e que definitivamente não é prevista pelo Modelo Padrão.

Isso não é tudo o que é desconhecido. Uma grande questão na física é se as partículas elementares são realmente elementares, ou se há uma física oculta por trás delas. Por exemplo, a Teoria das Cordas postula que as partículas elementares são feitas de pequenas cordas vibrantes. Depois, há a questão da antimatéria, quantidades iguais de matéria e antimatéria deveria ter sido criado no Big Bang, mas isso significaria que não deveríamos estar aqui, porque toda a matéria e antimatéria deveriam ter se aniquilado. Hoje vemos que o universo contém principalmente matéria, com muito pouca antimatéria. Por que existe essa assimetria?

Este mapa 3D ilustra a distribuição em larga escala da matéria escura, reconstruída a partir de medições de lentes gravitacionais fracas usando o Telescópio Espacial Hubble. Crédito da imagem: Lawrence Livermore National Laboratory

Depois, há a questão de por que as partículas têm as massas que têm, e por que as forças têm a força que têm, e por que as partículas são divididas nas três famílias de léptons, quarks e bósons. Que elas simplesmente são, não é uma resposta boa o suficiente para os físicos, eles querem entender o porquê, e o Modelo Padrão não diz a eles.

SUPERSIMETRIA

Em um esforço para atualizar o Modelo Padrão para enfrentar esses desafios, os cientistas introduziram a ideia de supersimetria. Se for verdade, então a supersimetria significaria que cada partícula no Modelo Padrão tem um parceiro supersimétrico com uma massa muito maior e um spin que é metade diferente de seus parceiros do Modelo Padrão. Isso unificaria férmions com bósons, uma vez que os férmions de spin inteiro teriam superparceiros de meio spin inteiro, e os bósons de meio spin inteiro teriam superparceiros de spin inteiro. As partículas de supersimetria menos massivas e mais estáveis também não teriam carga elétrica e interagiriam apenas muito fracamente com a matéria normal, o que se parece muito com as propriedades da matéria escura.

Enquanto isso, nas energias mais altas análogas às que existiam no primeiro momento após o Big Bang, a supersimetria prevê que a força fraca, a força forte e a força eletromagnética teriam a mesma força e seriam essencialmente a mesma força. Os cientistas chamam esse conceito de 'Grande Teoria Unificada'.

De acordo com o site do CERN, a supersimetria também pode ajudar a explicar a massa surpreendentemente pequena do bóson de Higgs, que é 125 GeV (125 bilhões de elétron-volts). Embora isso seja relativamente alto, não é tão alto quanto o esperado. A existência de parceiros supersimétricos extremamente massivos equilibraria as coisas. E eles devem ser extremamente massivos, porque o Grande Colisor de Hádron (LHC), nem qualquer outro acelerador de partículas antes dele, encontrou qualquer evidência da existência de parceiros supersimétricos até agora, levando alguns cientistas a duvidar que a supersimetria seja real. Se existirem partículas supersimétricas, elas devem ser mais massivas do que o LHC pode detectar; por exemplo, a massa do gluino, que é o parceiro supersimétrico do glúon que medeia a força forte que une os quarks dentro de prótons e nêutrons, foi descartado até 2 trilhões de eV.

O Grande Colisor de Hádrons do CERN. Crédito da imagem: Shutterstock

Portanto, a supersimetria está em perigo e os físicos estão agora lutando para encontrar uma teoria de substituição que possa avançar no Modelo Padrão e explicar a massa do bóson de Higgs, bem como a matéria escura, as Grandes Teorias Unificadas e tudo mais. Ainda não há fortes candidatos para substituir a supersimetria, e a supersimetria ainda pode vencer, mas por enquanto os físicos terão que se contentar com o mundo imperfeito do Modelo Padrão.

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LEITURA ADICIONAL

• Site do CERN apresenta mais informações sobre o Modelo Padrão.
• O Departamento de Energia dos EUA explica o Modelo Padrão em seu próprio site. 
• O Instituto de Física também descreve o Modelo Padrão em seu site.

— Este artigo foi atualizado em 11 de setembro de 2022 pelo editor da Gaia Ciência.

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Referência:

COOPER, Keith. What is the Standard Model? Space, Nova York, 10, set. 2022. References. Disponível em: <https://www.space.com/standard-model-physics>. Acesso em: 11, set. 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.