Força Nuclear Forte

SUMÁRIO
INTRODUÇÃO
HÁDRONS E LÉPTONS
MODELO PADRÃO
O QUE É;
GERAÇÃO DE PARTÍCULAS DE MATÉRIA;
AS INTERAÇÕES E SEUS MECANISMOS;
LIMITES DO MODELO
CORDAS
CONSIDERAÇÕES
Elaborou-se conjunto de artigos para responder às perguntas:
do que o mundo é feito?" “Do que são feitas as coisas?” “O
que as mantém unidas?"
A previsão era fazer três artigos: de tal modo que
apresentássemos a evolução dessas respostas com o tempo.
Assim, o primeiro seria destinado a apresentar as respostas
num período, que denominamos arbitrariamente de Ciência
Antiga; o segundo ao período Ciência Moderna; e o terceiro
Ciência Contemporânea.
Esse terceiro artigo ficou muito longo e o dividimos em duas
partes. Ao terceiro – Parte 1 coube apresentar apenas a
enxurrada de partículas elementares descobertas, a partir da
segunda metade do século XX.
Então, este será nosso quarto e último artigo desta série
destinado a apresentar respostas contemporâneas às
perguntas: do que são feitas as coisas? Do que é feito o
mundo? O que mantém as coisas unidas?
As últimas respostas dadas pela Ciência a essas perguntas
foram sistematizadas no Modelo Padrão.
Trata-se de teoria simples e compreensível, que explica todas
as centenas de partículas e interações complexas com
apenas: dois grupos de partículas elementares; e partículas
transportadoras de força.
Este artigo trata praticamente do Modelo Padrão.
A pesquisa foi realizada em diversos sítios, mas não
poderíamos deixar de destacar sprace.org.br, o qual
indicamos como consulta obrigatória. Esse sítio apresenta o
assunto de forma muito didática e com excelentes ilustrações,
as quais não poderíamos deixar de mantê-las.
HÁDRONS
Os Quarks existem somente em grupos e nunca são
encontrados sozinhos. Partículas compostas por Quarks são
denominadas Hádrons.
Os quarks individuais têm carga elétrica fracionária e carga
de cor. Apesar dessa característica, se combinam de tal
maneira que os hádrons possuem uma rede de cargas
elétricas inteiras e não possuem carga de cor. Existem duas
classes de hádrons : Bárions e Mésons.
Os hádrons compostos por três quarks são denominados
Bárions.Enquanto os compostos por um quark e um antiquark
são denominados Mésons.
Prótons e Nêutrons são
Bárions, pois prótons são
ILUSTRAÇÃO
DE PRÓTON
constituídos por dois quarks up
e um quark down (uud), e
nêutrons de um quark up e dois
down ( udd).
Como os mésons são constituídos por uma
partícula e uma antipartícula, eles são bastante
instáveis. O méson kaon (K-) vive mais tempo
do que a maioria dos mésons e é, por isso, que
ele é denominado "estranho" .
ILUSTRAÇÃO
DE NÊUTRON
ILUSTRAÇÃO
MÉSON
LÉPTONS
São partículas leves sem estrutura interna e parecem ser
partículas puntiformes. Têm as menores massas, quando
comparados às demais partículas elementares.
Os léptons são partículas solitárias, não são encontrados em
partículas compostas com outros léptons.
São seis tipos de léptons, mas só três possuem carga elétrica.
Dos leptons com carga elétrica, o mais conhecido é o elétron
(e-). Os outros dois múon e o tau têm muito mais massa que o
elétron.
Os outros três léptons sem carga elétrica são os três tipos de
neutrinos. Além de não possuírem carga, têm massa pequena
e são difíceis de serem encontrados.
Para cada lépton há um antilépton. O anti-elétron tem um
nome especial, o "pósitron".
DECAIMENTO DOS LÉPTONS
No artigo anterior definimos “Decaimento” como o processo
pelo qual: núcleos atômicos se transformam em núcleos
menores e de outro elemento; ou partículas elementares
transformam-se em outras partículas elementares.
Ou seja, partículas elementares denominadas léptons
transformam-se em outras partículas.
Os léptons mais pesados, o múon e o tau, não são
encontrados em toda matéria. Isso porque quando são
produzidos, eles decaem muito rapidamente.
Os elétrons e as três espécies de neutrinos são estáveis e,
por isso, são os tipos mais encontrados ao nosso redor.
Quando um lépton pesado decai, uma das partículas na qual
ele decai é sempre seu neutrino correspondente. As outras
partículas poderão ser um quark e seu antiquark, ou outro
lépton e seu antineutrino.
Os físicos têm observado que alguns tipos de decaimentos de
léptons são possíveis e outros não. Para explicar esse fato,
eles os dividiram em três famílias de léptons: o elétron e seu
neutrino, o múon e seu neutrino e o tau e seu neutrino.
O número total de membros da família deve sempre
permanecer constante em um decaimento.
O QUE É
É uma teoria simples e compreensível, que explica todas as
centenas de partículas e interações complexas com apenas:
6 quarks; 6 léptons; e partículas transportadoras de força.
E, ainda, afirma: “Todas as partículas de matéria que nós
conhecemos são compostas de quarks e léptons, e elas
interagem trocando partículas transportadoras de força”.
GERAÇÃO DE PARTÍCULAS DE MATÉRIA
Tanto quarks quanto léptons existem em 3 grupos distintos.
Nós chamamos cada um desses grupos de Geração de
Partículas de Matéria I, II e III, respectivamente. Tanto os
grupos como as gerações de matéria correspondem as
colunas na figura a seguir.
Cada geração contém
um exemplar de quarks e
léptons de cada tipo de
carga. A III tende a ser
mais pesada que a II e
esta, que a I.
Toda matéria visível no
universo é feita da
Geração de Partículas
de Matéria I, a única
geração estável : quarks
up, quarks down e
elétrons. Isso porque
todas as partículas das
Gerações II e III são
instáveis e decaem,
tornando-se partículas
de Geração I.
O uso desta imagem é cortesia da FERMILAB
A ciência ainda não conseguiu responder o porquê da
existência das partículas das Gerações II e III, já que as
mesmas decaem rapidamente, são raramente observadas e
não compõem nenhuma matéria estável ao nosso redor.
Existe a possibilidade de haver mais quarks e léptons a serem
descobertos, com massas ainda maiores que as partículas da
Geração III . Ou, talvez, a resposta seja que os quarks e
léptons não são partículas elementares, mas são compostos
de outras partículas ainda mais elementares.
Entendemos muito mais, agora, a necessidade e a
oportunidade do Bóson de Higgs.
Hoje, a ciência dá como resposta á permanente pergunta dos
homens , a seguinte: “as coisas são feitas, o mundo é feito
das partículas mais elementares da matéria: quarks e
léptons”. Sem esquecer de que: para cada partícula existe
uma antipartícula ; e os quarks nunca são encontrados
isolados, sempre observados em partículas compostas
denominadas hadrons.
AS INTERAÇÕES E SEUS MECANISMOS
O universo existe porque as partículas elementares interagem.
Essas interações incluem forças atrativas e repulsivas,
decaimentos e aniquilações. E, são essas interações que irão
nos responder por que as coisas, ou as partículas elementares
permanecem unidas.
AS QUATRO INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS
Existem quatro interações fundamentais entre as partículas:
GRAVIDADE
ELETROMA
GNETISMO
NUCLEAR
FORTE
NUCLEAR
FRACA
Todas as forças no mundo podem ser atribuídas a essas quatro
interações.
MECANISMO DAS INTERAÇÕES
Como dois ímãs "sentem" a presença um do outro e se atraem
ou se repelem? Como o Sol atrai a Terra?
Nós sabemos que as respostas para essas perguntas
são "magnetismo" e "gravidade", mas o que são essas
forças?
Em um nível fundamental, ou subatômico, a força não é apenas
algo que acontece para as partículas. "É uma coisa que é
trocada entre duas partículas“
O mecanismo das interações é muito simples.
Descobriu-se que todas as interações, que afetam as partículas
da matéria, são devidas à troca de partículas transportadoras
de força, que são tipo completamente diferente de partícula.
A interação resulta da troca de partículas transportadoras de
força entre os objetos que estão interagindo.
Uma partícula transportadora, de um tipo particular de força,
só pode ser absorvida ou produzida por partículas da matéria
que são afetadas por essa força.
Por exemplo, elétrons e prótons têm carga elétrica; portanto,
eles podem produzir e absorver as transportadoras de forças
eletromagnéticas, ou seja, o Fóton.
Por outro lado, Neutrinos não têm carga elétrica, então não
podem absorver ou produzir Fótons.
FORÇA GRAVITACIONAL
A Força Gravitacional atua sobre todos os objetos que tenham
massa.
No Universo, os objetos possuem massa cujo valor é variável.
Isso acontece pois não há limite para se agregar átomos.
A força gravitacional é responsável :
- pela forma arredondada dos corpos celestes;
- pelo movimento dos corpos celestes;
- pela evolução do Universo;
- pela curvatura do espaço.
A Força Gravitacional é de natureza atrativa,
sempre.
Devido ao alcance e à capacidade de agir sobre
todos os objetos do Universo, a Força Gravitacional
é a mais importante no entendimento da estrutura
macrocósmica.
GRAVIDADE
É claramente uma das interações fundamentais, mas o Modelo
Padrão não consegue explicá-la satisfatoriamente. É um
desses problemas não resolvidos pela física até hoje.
Além disso, a partícula transportadora da gravidade foi
prevista - o gráviton, mas, ainda, não foi encontrada.
Felizmente, os efeitos da gravidade são extremamente
pequenos na maioria das situações em física de partículas,
quando comparados aos das outras três interações. Assim,
teoria e experimentos podem ser comparados sem incluir a
gravidade nos cálculos. Portanto, o Modelo Padrão funciona
mesmo sem explicar a gravidade.
FORÇA ELETROMAGNÉTICA
A Força Eletromagnética está presente no cotidiano
das pessoas e faz com que objetos com cargas
opostas se atraiam e objetos com cargas iguais se
repilam.
ELETROMA
GNETISMO
Cargas iguais se repelindo
Cargas opostas se atraindo
Muitas forças do cotidiano, como a força de atrito, e até
mesmo o magnetismo, são causadas pela força
eletromagnética , ou força E-M.
A Partícula Transportadora da Força Eletromagnética é o
Fóton (Y). Fótons das mais diversas energias varrem todo o
espectro eletromagnético de raios-x, luz visível, ondas de rádio
e assim por diante.
Até onde sabemos, os Fótons têm massa zero e sempre viajam
à "velocidade da luz", C, que é cerca de 300.000 quilômetros
por segundo, no vácuo.
Se os átomos são eletricamente neutros, pois têm o mesmo
número de elétrons (negativos) e de prótons (positivos), como
os átomos podem reunir-se para formar moléculas?
Descobriu-se que as partes
carregadas de um átomo podem
interagir com as partes com
carga oposta de outro átomo
produzindo um efeito chamado
Força Residual E-M.
Isso permite que diferentes
átomos se juntem.
Então, é a Força Eletromagnética quem permite que os átomos
se unam formando moléculas, mantendo o mundo unido e
criando a matéria que interage conosco o tempo todo.
Todas as estruturas do mundo existem simplesmente porque
prótons e elétrons têm cargas opostas.
FORÇA NUCLEAR FORTE
A Força Nuclear Forte age sobre algumas partículas
impedindo-as de se livrarem umas das outras. As forças
fortes obrigam todas as partículas, que tem o atributo
cor, a viverem sempre juntas. A Força Nuclear Forte é a
NUCLEAR
força do aprisionamento, e atua apenas no nível
FORTE
subatômico.
Se os nêutrons não têm carga e os prótons se
repelem uns aos outros, pois são carregados
positivamente ; e se o núcleo de um átomo é
formado por conjunto de prótons e nêutrons,
porque o núcleo em vez de se desfazer se
mantém coeso? por que o núcleo não
explode? porque os prótons se mantêm
unidos?
A força responsável por isso não é a Força Eletromagnética
que, no caso, é repulsiva e atua para que os prótons não se
mantenham unidos. Também não é a Força Gravitacional,
pois é fraca demais para exceder a Força Eletromagnética
repulsiva. Qual é então a força que supera a Força
Eletromagnética repulsiva e que mantém o núcleo unido?
Já vimos que os quarks individuais têm carga elétrica
fracionária e carga de cor. Apesar dessa característica, se
combinam de tal maneira que os hádrons possuem uma rede
de cargas elétricas inteiras e não possuem carga de cor.
Tendo os quarks o atributo cor é a Força Nuclear
Forte que mantém os quarks grudados para formar
os hádrons. Então, suas partículas transportadoras
são chamadas de Glúons ("to glue" significa colar
em inglês).
A carga de cor comporta-se de modo diferente da
carga eletromagnética.
Os Glúons possuem carga de cor, fazendo com que, apesar de
os quarks terem carga de cor, as partículas compostas de
quarks tenham cor neutra, ou seja não têm carga de cor.
Por essa razão, a Força Nuclear Forte apenas é levada em
consideração em interações entre quarks. Agora sabemos
que a Força Nuclear Forte prende os quarks juntos por terem
carga de cor.
Já vimos, também, que prótons e nêutrons são constituídos de
quarks.
Assim, é essa mesma Força Nuclear Forte entre os quarks de
um próton e os quarks de um outro próton, que é forte o
bastante para superar a Força Eletromagnética repulsiva
entre os mesmos, mantendo-os unidos. Ilustrando:
Isso é chamado de Interação Forte
Residual, e é essa interação que
mantém o núcleo coeso, visto que os
nêutrons estão sujeitos a mesma
interação forte residual, pois também
são hadrions (bárions - udd) como os
prótons (bárions – uud).
PRÓTON
PRÓTON
Força Nuclear Forte > que Força Eletromagnética repulsiva
Força Nuclear Forte = INTERAÇÃO FORTE RESIDUAL
FORÇA NUCLEAR FRACA
Existem seis tipos de quarks e seis tipos de léptons.
Mas, toda matéria estável do universo parece ser
composta de apenas dois quarks leves, o quark up e
o quark down, e do lépton carregado mais leve, o
elétron.
NUCLEAR
FRACA
A Força Nuclear Fraca é considerada como força
demolidora das partículas elementares e partículas
compostas, em especial as mais pesadas. Como
resultado das interações fracas quase todas as
partículas conhecidas se desfazem.
A Força Nuclear Fraca ocorre no nível subatômico. Está
relacionada a decaimentos de partículas ou transmutação de
elementos.
Na compreensão dos fenômenos do dia a dia esse tipo de
força tem pouca importância. No Universo, essa força se
manifesta com muita frequência. É responsável pela geração
de enormes quantidades de energia no interior das estrelas.
Interações Fracas são as responsáveis pelo decaimento de
quarks e léptons pesados em quarks e léptons mais leves.
Quando partículas elementares mais pesadas decaem
observamos seus desaparecimentos e sua substituições por
duas ou mais partículas diferentes. Mesmo que o total de
massa e energia seja conservado, um pouco da massa
original da partícula é convertido em energia cinética, e as
partículas resultantes sempre têm menos massa que a
partícula original que decaiu.
A única matéria estável ao nosso redor é composta dos
quarks e léptons mais leves, que não podem mais decair.
Quando um quark ou lépton muda de tipo (um Múon
transforma-se em um Elétron, por exemplo) dizemos que ele
mudou de Sabor. Todas as mudanças de sabor são devidas à
Interação Fraca.
As partículas transportadoras das interações fracas são as
partículas W+, W-, e a Z. As W são carregadas eletricamente
e a Z é neutra.
Apenas Interações Fracas carregadas, ou seja as que
envolvem pártículas W podem mudar o Sabor de uma partícula.
Os físicos concluíram que, de fato, as forças fraca e
eletromagnética são essencialmente forças iguais. A diferença
entre as duas forças é devida à grande diferença de massas
entre as partículas transportadoras das mesmas . As
partículas transportadoras das interações fracas W e Z são
muito mais pesadas do que o fóton, que não tem massa.
A força associada à interação depende tanto da massa da
transportadora de força como da distância entre os objetos
que interagem.
Repetindo a resposta da Ciência Contemporânea à pergunta
de como são feitas as coisas? “as coisas são feitas, o mundo é
feito das partículas mais elementares da matéria: quarks e
léptons”.
E, o que as mantém unidas? Ou o que mantêm unidas as
partículas elementares? São as interações entre as
partículas, como acabamos de discorrer sobre elas.
LIMITES DO MODELO PADRÃO
Falta a comprovação da existência do bóson de Higgs, que
explica a origem da massa das outras partículas elementares.
Não indica, por exemplo, por que há três famílias (ou
gerações) de léptons e quarks.
Não foi capaz de explicar por que alguns léptons e quarks
são tão mais pesados que seus companheiros.
Experimentos recentes mostraram que os neutrinos têm
massa, e isso cria para o modelo dificuldades que os físicos
tentam agora driblar.
Em 1960 Gabriele Veneziano (1942 - ), físico
teórico italiano, idealizou teoria sobre a
constituição das coisas e do mundo.
Essa teoria se propõe a realizar o sonho de
Einstein da unificação. Unir a Teoria da
Relatividade Geral, que é bem sucedida para o
Macrocosmo, com a Mecânica Quântica que, por
sua vez, faz sucesso no Microcosmo.
GABRIELE
VENEZIANO
Segundo essa teoria, conhecida como Teoria das Cordas, ou
Teoria de Tudo, tudo no Universo, da menor partícula a estrela
mais distante é feito de espécie de filamentos vibrantes e
minúsculos de energia chamado Cordas.
Assim como as cordas de um violoncelo cria uma variedade de
notas musicais, as cordas minúsculas vibram das mais
diversas formas, formando todos os componentes da natureza.
A Teoria das Cordas trata as partículas elementares não como
pontos sem dimensão, mas sim como diminutas cordas.
Cada modo de vibração dessas entidades representaria uma
partícula elementar.
Postula a idéia de que o Quark, a mínima partícula encontrada
nas camadas subatômicas, é tecido por cordas, fios
energéticos que, ao vibrarem, determinam como será a
natureza do núcleo atômico ao qual estão conectados. Desta
forma, definem como atuará a partícula que contém esta
energia vibracional.
E são os diferentes padrões de vibração dessas cordas que
determinam a natureza de diferentes tipos de subpartículas.
Existe o conceito de Supersimetria, que emerge das cordas e
sugere que, para cada subpartícula atômica conhecida, haja
uma subpartícula complementar, simétrica.
Essas partículas complementares e simétricas, ainda
desconhecidas, deveriam ser mais pesadas que as conhecidas,
o que faz com que elas necessitem de mais energia para ser
criadas.
Levaremos em conta a série de quatro artigos, os quais
julgamos necessários, para o entendimento de como a
Ciência respondeu e responde a antiga pergunta: “como são
feitas as coisas e o que as mantêm unidas”.
Observamos que a Ciência, no que se refere a essa pergunta,
foi alterando sua resposta no decorrer de sua história, tal
como um descascar de cebolas. A cada camada retirada,
novas camadas surgem e a resposta se altera.
É evidente, como demonstramos no artigo “A Ciência e a
Ampliação do Visível”, que a evolução histórica dessa
resposta só foi possível graças ao desenvolvimento
tecnológico, que saltou da Luneta de Galileu aos Detectores
de Partículas.
Tivemos oportunidade de observar, também , que em todos os
três períodos apresentados a Ciência buscou respostas em
algo único e que lhe parecesse indivisível e em forças
atuantes na constituição do mundo e das coisas.
Essa partícula fundamental, ou partícula divina no jargão
contemporâneo, encontra-se presente desde anos anteriores
a Cristo, como no pensamento de Anaximandro de Mileto e
seu a-peiron, até nossos dias com o “Bóson de Higgs”.
Apesar de a idéia de indivisibilidade da partícula fundamental
denominada de Átomo em 1802, na teoria de John Dalton, ter
iniciado sua fragmentação em 1897 com J.J. Thompson e ter
tido seu apogeu de fragmentação na enxurrada de partículas
descobertas na segunda metade do século XX, não podemos
deixar de acrescentar que: a Ciência por um lado busca
comprovar a existência do Bóson de Higgs; e por outro lança
nova teoria, a Teoria das Cordas que, mais cedo ou mais
tarde, contemplará uma super corda, com frequência
vibratória quase infinita, que daria origem às partículas
elementares.
Com a evolução dos detectores e nessas experiências de
colisões de partículas, não seria algo impensável, ou
inimaginável a descoberta de partícula em forma de diminuta
corda, S-Partícula, comprovando a Teoria das Cordas.
Então, a grande manchete midiática seria: “nova revolução
bate à porta da Ciência”.
Nossa opinião é de que tão cedo a Ciência chegará a resposta
definitiva sobre de como são feitas as coisas, do que é feito o
mundo e o que mantém as coisas juntas. Entretanto, sentimos
que a chave está nas faixas de frequências vibratórias e que
as Cordas são uma promessa.
Devido nosso entendimento de que tão ou mais importante
que a Ciência é: para que essa Ciência e a Tecnologia
decorrente serve, vamos finalizar essa série de artigos com
a transcrição do pensamento do físico teórico austríaco Erwin
Schrödinger (1887 - 1961):
Vivemos numa era insana, mais insana
do que o normal, porque, apesar dos
grandes avanços tecnológicos e
científicos, o homem não tem a
mínima idéia de quem é ou do que
está fazendo” .
ERWIN SCHRÖDINGER
FONTES:
brasilescola.com;
ecientificocultural.com;
educar.sc.usp.br; infoescola.com;
orion.med.br; phisichsact.wordpress.com;
sprace.org.br; e wikipédia.org.
IMAGENS:
brasilescola.com; cerncourrier;
fimdagrave; e sprace.org.br;
MÚSICA:
A Dança do Sabre – Aram Khachaturian
(terceiro ato do ballet Gayane)