Os bósons são partículas 'sociáveis' e o cosmos seria um lugar monótono sem eles

Uma ilustração de dois bósons produzidos por dois prótons em colisão. Crédito da imagem: Mark Garlick/Getty Images

Os bósons são partículas que transportam energia e forças por todo o universo. 

O modelo padrão da física de partículas, a teoria mais robusta que temos do mundo subatômico, divide cada partícula no universo e até mesmo as partículas compostas maiores se encaixam em duas grandes categorias; férmions e bósons.

Os férmions como quarks, elétrons, neutrinos, prótons e nêutrons são a base da matéria, enquanto uma categoria de bósons, os bósons de calibre, são responsáveis por atuar como 'portadores' de pelo menos três das quatro forças fundamentais, eletromagnetismo, a força nuclear forte e a força nuclear fraca. Isso significa que os férmions interagem uns com os outros através da troca de bósons de calibre.

Também pode haver um bóson para carregar a força da gravidade, mas isso não está definido no momento. Os bósons de calibre são partículas fundamentais, o que significa que não são compostos de partículas menores, mas existem outros bósons que são compostos de partículas menores. 

BÓSONS: O QUE FAZ DE UMA PARTÍCULA UM BÓSON?

Os bósons levam o nome do físico indiano Satyendra Nath Bose, que realizou importantes pesquisas na década de 1920 sobre o comportamento do bóson mais famoso, o fóton.

Uma das principais características definidoras dos bósons está relacionada a uma qualidade da mecânica quântica chamada 'spin', que pode ser pensada como a deflexão que uma partícula sofre ao experimentar um campo magnético que transmite momento angular.

Embora semelhante, o spin é mais complexo do que o momento angular no mundo macroscópico da física clássica, principalmente porque as partículas podem ter frações de spin, o que significa que não há uma maneira 'clássica' real de descrever o spin.

Um férmion é uma partícula com 1/2 spin que pode ter valores positivos ou negativos. Isso significa que os férmions podem ter valores como 1/2, -1/2, 3/2 e -3/2. O mais ou menos determina a direção do momento angular intrínseco que a partícula tomará.

Como os bósons não obedecem ao princípio de exclusão de Pauli, eles são livres para ocupar os mesmos números quânticos, ao contrário dos férmions 'anti-sociais'. A linha tracejada vermelha representa a formação de condensados ??de Bose-Einstein. Crédito da imagem: Robert Lea

Os bósons, por outro lado, têm spins inteiros, incluindo zero. Isso significa que os valores de spin que essas partículas podem assumir são 0, 1, -1, 2, -2 e assim por diante.

A adição matemática de duas metades resulta em uma totalidade de número inteiro e, de maneira semelhante, a combinação de números pares de férmions cria uma partícula maior que é um bóson.

Isso inclui mésons, que se formam quando dois quarks se unem, e até átomos com números pares de férmions. Por exemplo, os átomos de hélio-4 são bósons porque consistem em dois prótons, dois nêutrons e dois elétrons. Os átomos de hélio-4 terão uma relevância especial ao pensar nas propriedades especiais e únicas dos bósons.

QUAIS SÃO OS DIFERENTES BÓSONS?

Os bósons podem ser divididos de algumas maneiras, mas para apresentar as diferentes partículas que compõem essa ala do 'zoológico de partículas', é útil classificá-las em dois agrupamentos grosseiros, partículas das quais temos evidências experimentais e aquelas que atualmente são apenas teóricas. 

BÓSONS DESCOBERTOS

Fótons

Facilmente, o bóson de calibre mais famoso é o fóton, a partícula constituinte da luz e o mediador da força eletromagnética. 

Para fótons, que têm um spin de 1, spin é o equivalente a mecânica quântica da polarização, ou a direção na qual uma onda de luz é orientada. Isso significa que os spins dos fótons podem ter orientação paralela ou antiparalela. 

Os fótons foram os primeiros bósons de calibre a serem descobertos quando, na virada do século 20, Max Planck e Albert Einstein sugeriram que a luz existe em pacotes de energia chamados 'quanta'. O nome 'fóton' foi introduzido para esses quanta em 1928 pelo químico americano Gilbert Lewis.

Uma ilustração de três bósons de calibre diferentes: fótons, glúons e bósons W e Z. Os bósons de calibre são responsáveis ??por transportar as forças fundamentais do universo. Crédito da imagem: Robert Lea

Glúons

Glúons, o segundo bóson de calibre descoberto, são os bósons que carregam a força nuclear forte. Como resultado, eles são responsáveis por 'colar' outras partículas.

Especificamente, os glúons unem os quarks para criar prótons e nêutrons. Mas os glúons não param por aí: eles também unem essas partículas compostas, coletivamente chamadas de 'nucleons' no núcleo atômico, no coração de toda a matéria cotidiana.

Os glúons foram descobertos no colisor de elétrons e pósitrons PETRA de DESY, Alemanha, em 1979.

Os Bósons W e Z

Os bósons W e Z são os bósons de calibre responsáveis por transportar a força nuclear fraca, mais forte que a gravidade, mas apenas eficaz em alcances incrivelmente curtos. Esses bósons de spin 0 são responsáveis pelo decaimento nuclear no qual um elemento muda para outro, ajudando os prótons a se transformarem em nêutrons e vice-versa. 

Um dos grandes problemas com os bósons W e Z, que foram encontrados em 1983, foi descobrir como eles obtiveram sua massa, já que as teorias da época sugeriam que eles deveriam ser sem massa como o fóton.

Bósons de Higgs

O bóson de Higgs foi introduzido pela primeira vez no modelo padrão da física de partículas para explicar como os bósons W e Z obtiveram sua massa, mas seu papel de concessão de massa como facilitador do campo de Higgs logo foi estendido a quase todas as partículas.

O bóson de Higgs foi descoberto em 2012 emergindo de colisões próton-próton de alta energia no Grande Colisor de Hádrons (LHC) – o acelerador de partículas mais poderoso do mundo. 

O bóson de Higgs tem um spin proposto de 0 e diz-se que sua descoberta completou o modelo padrão, mas ainda há física fora desse modelo para descobrir. A exploração da física além do modelo padrão significa que existem outros bósons teóricos a serem explorados.

Como os bósons não obedecem ao princípio de exclusão de Pauli, eles são livres para ocupar os mesmos números quânticos, ao contrário dos férmions 'anti-sociais'. A linha tracejada vermelha representa a formação de condensados ??de Bose-Einstein. Crédito da imagem: CERN

BÓSONS TEÓRICOS

Grávitons

Uma coisa que a estrutura do modelo padrão da física de partículas não pode descrever é a gravidade. Isso porque a mecânica quântica, a física do subatômico, e a relatividade geral, a teoria da gravidade de Einstein, não combinam. 

As outras forças fundamentais recebem um bóson de calibre para carregá-las (e a força fraca ainda recebe dois), então por que a gravidade não deveria receber? Um bóson de medida para a gravidade, o 'gráviton' foi teorizado, mas até agora não se manifestou experimentalmente. 

Como a gravidade é insignificante em um nível subatômico, a falta de grávitons e a falta de uma 'teoria quântica da gravidade' não prejudicaram muito esse modelo. 

Superparceiros Boson

Um modelo potencial da física além do modelo padrão é a 'supersimetria'. Esta teoria, proposta para 'consertar' a massa do bóson de Higgs, sugere que cada férmion no zoológico de partículas tem um parceiro bosônico.

As partículas extras ajudariam a 'cancelar' parte da massa do bóson de Higgs, explicando por que ele é relativamente leve. 

Bósons: As partículas 'sociáveis' 

Graças a um fenômeno chamado princípio de exclusão de Pauli, férmions de spin semi-inteiro são incapazes de possuir os mesmos números quânticos. Isso significa que os férmions são incapazes de se agrupar.

Os bósons, no entanto, com seus spins inteiros completos, não obedecem ao princípio de exclusão de Pauli. Isso significa que eles podem se agrupar de perto, dando origem a algumas propriedades físicas únicas. 

O exemplo mais comum de 'bósons sociais' é a luz laser, que é composta de fótons com o mesmo comprimento de onda e frequência, todos se movendo na mesma direção.

Os feixes de laser são compostos de fótons, um tipo de bóson. Crédito da imagem: Wladimir Bulgar/Getty Images

Um exemplo mais exótico de bósons desafiando o princípio de exclusão de Pauli foi sugerido em 1924. Albert Einstein e Bose determinaram que os bósons deveriam se condensar juntos em seu estado fundamental, o estado de sua energia mais baixa possível, levando à condensação de Bose-Einstein, a criação de superfluidez em hélio líquido resfriado a 2,17 K e, portanto, sua menor energia possível.

Elétrons acoplados, chamados de 'par de Cooper' são classificados como 'quasi-partículas' e podem ser forçados a se comportar como bósons, condensando-se em um estado com resistência elétrica zero. A criação da condensação de Bose-Einstein em gases diluídos de átomos alcalinos renderia a três pesquisadores o Prêmio Nobel de Física em 2001.

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LEITURA ADICIONAL

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BIBLIOGRAFIA

• "Hiperfísica (2022).Férmions, Bósons"
• "O Modelo Padrão" CERN (2022).
• "Conheça um superparceiro no LHC" APS Física (2010). 
• "Supersimetria" CERN (2022).
• "Descoberta do Glúon" Sau Lan Wu, Universidade de Wisconsin-Madison/CERN, (2018). 
• "Este mês na história da física" APS Notícias (2012). 

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Referência:

LEA, Robert. What are bosons? Space, Nova York, 08, set. 2022. References. Disponível em: <https://www.space.com/what-are-bosons>. Acesso em: 08, 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.