A Física de Partículas segundo a Teoria Quântica de Campos

Do que tudo é feito? Essa pergunta perdurou por milênios, trazendo novas descobertas. Aristóteles foi um dos primeiros a tentar e aventurou-se a responder com sua concepção de que a matéria era feita por 4 elementos: ar, água, terra e fogo. Em seguida, Leucipo e Demócrito rebateram a ideia. Leucipo acreditava que dividindo a matéria repetidas vezes, chegaria a um pedaço indivisível. Uma pedra, por exemplo, ao ser quebrada ao meio, resultaria em dois pedaços menores de pedra. E se assim o processo fosse repetido múltiplas vezes, obteria-se um pedaço de pedra que não poderia ser dividido. Leucipo deu a esse pedaço indivisível o nome de átomo, acreditando que eles eram eternos. Contudo, muitos físicos discordavam de Leucipo, acreditando que a matéria era contínua e não feita por uma quantidade enorme de pequenas partes. Dessa forma, esse debate se estendeu por muito tempo. Até o século XX, quando descobrimos que Leucipo estava certo quanto a existência do átomo. Contudo, sabemos que o que chamamos hoje de átomo não é a parte indivisível da matéria e também não é eterno.


A resposta que decretou a existência dos átomos foi dada pelas descobertas de Dalton. Foi concluído pelo britânico através de um experimento com gases. Nessa experiência, ele aprisionou um gás em um recipiente fechado por um êmbolo. Ao aplicar uma pressão, o fluido no interior foi comprimido e sua temperatura aumentou. Dalton teorizou que a diminuição de volume poderia resultar no aumento da temperatura se e somente se o gás fosse formado por átomos. Dessa forma, essas partículas se chocariam com maior frequência conforme o aumento da pressão, transformando energia cinética em energia térmica - você pode verificar isso em casa. Usando uma seringa, a encha de ar, tampe o buraco de saída e pressione o embolo para comprimir o gás. Você notará um leve aumento na temperatura.


Posteriormente, Dalton estendeu a existência dos átomos para os líquidos e sólidos. Com o tempo foi descoberto que o átomo, a parte indivisível da matéria, poderia sim ser dividida. Entram em cena as partículas subatômicas: os nêutrons, prótons e elétrons. Que, depois descobriu-se que não eram as elementares. E, posteriormente, partículas realmente elementares, responsáveis por formar os prótons e os nêutrons: os quarks.


Até a data de publicação deste texto, existem um total de 61 partículas e antipartículas, que descrevem e explicam satisfatoriamente todo o universo através do Modelo Padrão da Física de Partículas. Essa teoria quântica descreve as forças fundamentais e as partículas elementares e também é consistente com a interpretação de Copenhague para a mecânica quântica. Dessa forma, vamos tentar entender melhor como as partículas elementares são divididas. Elas podem ser formadas por 3 grupos: Léptons, Quarks e as Mediadoras.

  • Léptons

Os Léptons (figura 1[2]) são partículas que não interagem com a força forte - uma das 4 forças fundamentais, gerada pela carga cor presente nos quarks - e são as partículas menos massivas entre as partículas que tem massa. Há um total de 12 Léptons: o Elétron, o Tau, o Múon, o Neutrino do elétron, o Neutrino do Tau, o Neutrino do Múon e suas respectivas antipartículas. Essas partículas não são formadas por nenhuma outra partícula: são essencialmente elementares.

Figura 1: os Léptons conhecidos até hoje, sem contar com suas contrapartidas de antimatéria.

  • Quarks

Os quarks possuem algumas semelhanças com os léptons. Uma característica que eles têm em comum é a propriedade do sabor. Isso mesmo, quarks e léptons tem sabores, mas não como sorvetes ou sucos.


O sabor na física de partícula é um número quântico. Esse número possibilita a distinção de determinadas partículas entre si, que, se analisadas por outras propriedades, não seria possível diferenciá-las. Veja acima o exemplo dos Léptons. Se olhássemos somente a carga elétrica, não poderíamos distinguir o elétron do múon ou do tau - uma vez que todos têm carga elétrica -1. O mesmo ocorreria com os neutrinos - todos têm carga elétrica 0, são neutros eletricamente. Olhando o spin - uma propriedade das partículas, associada com o momento angular da partícula -, veríamos todos eles com ½, e não seríamos capazes de distingui-los. Dessa forma, definiu-se o sabor. Os sabores dos quarks são: up, down, bottom, top, charm, strange. Para os antiquarks, temos os mesmos sabores. Assim, são 6 sabores para quarks e antiquarks.


Outra propriedade um tanto quanto interessante é a carga cor, para ter um breve entendimento da carga cor e facilitar a explicação, vamos imaginar a carga elétrica. Existem duas cargas elétricas: a positiva e a negativa (a carga neutra não uma carga em si, ela é a ausência de carga). Agora, imagine se existisse uma terceira carga elétrica, como ela se chamaria? Como se explicaria as relações de três cargas em termos apenas de positivo e negativo? Não seria possível! A carga cor possui 3 possibilidades, dessa forma, cada sabor de quark pode ter uma entre 3 cores: azul, verde ou vermelho. Além disso, os antiquarks: anti-azul, anti-verde ou anti-vermelho. Temos então 36 quarks (figura 2, sabores dos quarks[2]) e antiquarks. É interessante frisar que a utilização do termo cor veio, entre outros motivos, pela propriedade de que quando as três cargas são unidas, a sua cor é branca (neutra). Assim como, ao unir a carga elétrica positiva e negativa, temos a neutralização.

Figura 2: os Quarks conhecidos até hoje, sem contar com suas diferentes cores e suas contrapartidas de antimatéria.


Há ainda, nos quarks, algumas outras propriedades diferentes dos léptons, como a propriedade de Confinamento, por exemplo. O confinamento dos quarks é a propriedade que diz que não existem quarks livres na natureza. Isto é, os quarks sempre estão agrupados, confinados à companhia de outros quarks. O confinamento diz que a força de atração dos quarks não diminui com a distância, é o contrário do magnetismo, se, por exemplo, você afastar um prego de um ímã, vai perceber que a força de atração entre os dois diminui conforme você os afastar. No caso dos quarks isso não acontece, não importa o quanto os tente afastar, a força entre eles não diminuirá e é isso que os mantém confinados.


Também é importante ressaltar que os quarks são confinados de tal forma que junção de suas cargas cor resultam em branco. Como assim, branco? Os quarks em si não são brancos e sim as estruturas formadas por eles. Cada quark tem somente uma cor (verde, azul ou vermelho, como mencionado acima), embora ela possa mudar conforme a troca glúons entre eles ocorre. Contudo, quando juntamos um quark de cada cor, temos as estruturas brancas: o resultado da mistura do verde, vermelho e azul - isso também ocorre quando há junção de uma cor com uma anti-cor, por exemplo: azul e anti-azul dá branco. Note que não se especifica qual quark, mas sim suas cores. Podemos ter estruturas com um quark up azul, um quark up verde e um quark down vermelho, como é o caso dos prótons (figura 3) - podem ser formados por qualquer conjunto de cores, desde que sejam dois quarks up e um quark down.


Então quer dizer que os prótons, na verdade, são formados por outras partículas ainda menores? Sim. E não só os prótons, os nêutrons também são. Da mesma maneira, os antiprótons e antinêutrons também são formados por partículas menores, os antiquarks. Há assim uma classe de partículas, as partículas compostas.


Figura 3: composição do próton, com dois quarks up (u) e um quark down (d)


Os Hádrons são as partículas compostas por quarks e elas se dividem em dois grupos: Bárions e Mésons. Os bárions são formados por um trio de quarks ou um trio de antiquarks, como os prótons e os nêutrons, mas esses não são os únicos (existem também os bárion omega, bárion lambda, bárion delta, bárion qui, bárion sigma e suas respectivas antipartículas). Já os mésons são formados por um par quark-antiquark.


Vale informar que os Mésons foram detectados por um brasileiro (assunto a ser abordado em um texto exclusivamente sobre isso), César Lattes que em 1947 detectou o Méson pi - comumente chamado de Píon. Voltando a composição dos mésons: como os mésons são formados por um quark e um antiquark, eles são sua própria antipartícula.


Há, também, estruturas mais exóticas, como os tetraquarks (hádrons formados por 2 quarks e 2 antiquarks) e os pentaquarks (formados por 4 quarks e 1 antiquark). Há pouco tempo atrás encontrou-se evidências da existência de um tetraquark ainda mais exótico, que era formado por 4 quarks de mesmo sabor com 2 quarks charm e 2 antiquarks charm. Não sabemos se encontraremos outras estruturas tão exóticas no futuro, mas a ideia me parece acolhedora.

  • Mediadoras

Para falar sobre as partículas mediadoras, é necessário citar as 4 interações fundamentais: a força forte, a força fraca, a força eletromagnética e a força gravitacional. Vamos tentar entender como o modelo padrão, via Teoria Quântica de Campos, explica essas partículas, relacionando-as com essas interações (essas partículas mediadoras estão entre os famosos bósons, que é o conjunto de partículas que apresentam spin inteiro em contrapartida aos férmions que apresentam spin semi inteiro).


Para o modelo padrão, quando dois corpos interagem por meio de alguma das forças, os corpos estão na verdade trocando partículas entre si. Por exemplo, se dois corpos eletricamente carregados sofrem ação da força eletromagnética isso significa que esses corpos estão trocando as partículas mediadoras entre si, essas partículas carregam a informação do campo que estão associadas; no caso do exemplo dado a partícula mediadora carrega informação do campo eletromagnético, onde foi produzida. Quais são as partículas mediadoras então? dessa vez são poucas:

  • Para o eletromagnetismo: os fótons;

  • Para a força forte: os glúons;

  • Para a força fraca: Existem dois, os bósons W e os bósons Z;

  • Para a força gravitacional: os grávitons.

Importante ressaltar que até a data de publicação deste texto os grávitons não foram detectados, são apenas teorizados de acordo com o modelo padrão. Os glúons, que estão associados a força forte, são as partículas que mantém os quarks confinados e também tornam os núcleos dos átomos coesos, que sem a força forte a repulsão elétrica entre os prótons faria com que o núcleo dos átomos se desfizesse.


Outras importante característica dessas partículas é que elas não têm massa, exceto os bósons W e Z. Esses últimos bósons e o bóson de Higgs são mais complexos de serem abordados e merecem um texto próprio. Temos, então, o Modelo padrão para física de partículas (figura 5 [2]).

Figura 4[2]: os Bósons conhecidos até hoje.

Figura 5: modelo padrão da física de partículas.




Referencias bibliográficas


[1] Biography.com Editors. John Dalton Biography. Disponível em <https://www.biography.com/scientist/john-dalton>. Acesso em julho de 2020.


[2] CAIRES, Luiza. Maior acelerador de partículas do mundo passa por um upgrade. O que vem por aí? Jornal da USP, 2019. Disponível em <https://jornal.usp.br/ciencias/ciencias-exatas-e-da-terra/maior-acelerador-de-particulas-do-mundo-passa-por-um-upgrade-o-que-vem-por-ai/> acesso em junho de 2020.


[3] MOREIRA, M. Antonio. O Modelo Padrão da Física de Partículas. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 31, 2009.


[4] OKUN, L. B. Leptons and Quarks. North-Holland Physics Publishing, 1987.