As partículas elementares são os menores blocos de construção conhecidos do universo

Partículas fundamentais chamadas quarks vêm em seis sabores diferentes. Os prótons são feitos de dois quarks up e um quark down, enquanto os nêutrons contêm dois quarks down e um quark up. Crédito da imagem: shutterstock

Acredita-se que eles não tenham estrutura interna, o que significa que os pesquisadores pensam neles como pontos de dimensão zero que não ocupam espaço. Os elétrons são provavelmente as partículas elementares mais conhecidas, mas o Modelo Padrão da física, que descreve as interações das partículas e quase todas as forças, reconhece no total 10 partículas elementares.

Elétrons e partículas relacionadas

Os elétrons são os componentes carregados negativamente dos átomos. Embora se pense que sejam partículas pontuais de dimensão zero, os elétrons são cercados por uma nuvem de outras partículas virtuais que piscam constantemente para dentro e para fora da existência, que agem essencialmente como parte do próprio elétron. Algumas teorias previram que o elétron tem um polo ligeiramente positivo e um polo ligeiramente negativo, o que significa que essa nuvem de partículas virtuais deve, portanto, ser um pouco assimétrica.

Se esse fosse o caso, os elétrons poderiam se comportar de maneira diferente de seus duplos de antimatéria, os pósitrons, potencialmente explicando muitos mistérios sobre matéria e antimatéria. Mas os físicos mediram repetidamente a forma de um elétron e descobriram que ele é perfeitamente redondo, até onde sabem, deixando-os sem respostas para os enigmas da antimatéria.

O elétron tem dois primos mais pesados, chamados múon e tau. Os múons podem ser criados quando raios cósmicos de alta energia do espaço sideral atingem o topo da atmosfera da Terra, gerando uma chuva de partículas exóticas. Taus são ainda mais raros e difíceis de produzir, pois são mais de 3.400 vezes mais pesados que os elétrons. Neutrinos, elétrons, múons e taus compõem uma categoria de partículas fundamentais chamadas léptons.

Quarks e suas peculiaridades

Os Quarks, que compõem prótons e nêutrons, são outro tipo de partícula fundamental. Juntamente com os léptons, os quarks compõem o material que consideramos matéria.

Era uma vez... os cientistas acreditavam que os átomos eram os menores objetos possíveis; a palavra vem do grego "atomos", que significa "indivisível". Por volta da virada do século 20, os núcleos atômicos consistiam em prótons e nêutrons. Então, ao longo dos anos 1950 e 1960, os aceleradores de partículas continuaram revelando uma quantidade de partículas subatômicas exóticas, como pions e kaons.

Em 1964, os físicos Murray Gell-Mann e George Zweig propuseram independentemente um modelo que poderia explicar o funcionamento interno de prótons, nêutrons e o resto do zoológico de partículas, de acordo com um relatório histórico do SLAC National Accelerator Laboratory, na Califórnia. Residindo dentro de prótons e nêutrons estão pequenas partículas chamadas quarks, que vêm em seis tipos ou sabores possíveis: up, down, strange, charm, bottom e top.

Os prótons são formados por dois quarks up e um quark down, enquanto os nêutrons são compostos por dois downs e um up. Os quarks up e down são as variedades mais leves. Como as partículas mais massivas tendem a decair em outras menos massivas, os quarks up e down também são as mais comuns no universo; portanto, prótons e nêutrons compõem a maior parte da matéria que conhecemos.

Em 1977, os físicos haviam isolado cinco dos seis quarks em laboratório, up, down, strange, charm e bottom, mas foi somente em 1995 que pesquisadores do Fermilab National Accelerator Laboratory, em Illinois, encontraram o quark final, o quark top. Procurá-lo foi tão intenso quanto a caçada posterior ao bóson de Higgs. O quark top foi muito difícil de produzir porque é cerca de 100 trilhões de vezes mais pesado que os quarks up, o que significa que exigia muito mais energia para ser produzido em aceleradores de partículas.

Um diagrama mostra como os quarks geralmente se encaixam em nossa compreensão de partículas minúsculas. Crédito da imagem: udaix/Shutterstock

Partículas fundamentais da natureza

Depois, há as quatro forças fundamentais da natureza: Eletromagnetismo, gravidade e as forças nucleares forte e fraca. Cada uma delas tem uma partícula fundamental associada.

Os fótons são os mais conhecidos; eles carregam a força eletromagnética. Glúons carregam a força nuclear forte e residem com quarks dentro de prótons e nêutrons. A força fraca, que medeia certas reações nucleares, é transportada por duas partículas fundamentais, os bósons W e Z. Os neutrinos, que apenas sentem a força fraca e a gravidade, interagem com esses bósons, e assim os físicos foram capazes de fornecer evidências de sua existência usando neutrinos, de acordo com o CERN.

A gravidade é um forasteiro aqui. Ela não está incorporada ao Modelo Padrão, embora os físicos suspeitem que ela possa ter uma partícula fundamental associada, que seria chamada de gráviton. Se os grávitons existirem, pode ser possível criá-los no Grande Colisor de Hádrons (LHC) em Genebra, na Suíça, mas eles desapareceriam rapidamente em dimensões extras, deixando para trás uma zona vazia onde estariam, de acordo com o CERN. Até agora, o LHC não conseguiu observar evidências de grávitons ou dimensões extras.

Simulação mostrando a produção do bóson de Higgs na colisão de dois prótons no Grande Colisor de Hádrons. O bóson de Higgs decai rapidamente em quatro múons, que são um tipo de elétron pesado que não é absorvido pelo detector. Os rastros dos múons são mostrados em amarelo. Crédito da imagem: Lucas Taylor/CMS

O alusivo bóson de Higgs

Finalmente, há o bóson de Higgs, o rei das partículas elementares, que é responsável por dar massa a todas as outras partículas. A caça ao Higgs foi um grande esforço para os cientistas que se esforçavam para completar seu catálogo do Modelo Padrão. Quando o Higgs foi finalmente descoberto, em 2012, os físicos se alegraram, mas os resultados também os deixaram em uma situação difícil.

O Higgs parece exatamente como foi previsto, mas os cientistas esperavam mais. O Modelo Padrão é conhecido por ser incompleto; por exemplo, falta uma descrição da gravidade, e os pesquisadores imaginaram que ao encontrar o Higgs ajudaria a apontar para outras teorias que poderiam substituir o Modelo Padrão. Mas até agora, eles voltaram de mãos vazias nessa busca.

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Recursos adicionais:

• Saiba mais sobre o Modelo Padrão, do CERN.
• Leia mais sobre a história das partículas e partículas elementares, em Particle Central.
• Assista: Vídeo explicativo sobre partículas elementares, do Jefferson Lab.

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Referência:

MANN, Adam. What Are Elementary Particles? Live Science, Nova York, 07, mai. 2019. Disponível em: <https://www.livescience.com/65427-fundamental-elementary-particles.html>. Acesso em: 29, abr. 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.