Três interações da natureza, a forte, a fraca e a eletromag

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T
rês interações da natureza, a
observados experimentalmente (o
forte, a fraca e a eletromagpróton e o nêutron são os mais
nética, são descritas por uma
conhecidos, mas há centenas deles).
teoria chamada de Modelo Padrão
Contudo, no fim dessa década,
(MP), desenvolvido ao longo das
experimentos no acelerador de Stanúltimas quatro décadas. A quarta
ford, nos Estados Unidos, onde eléinteração, a gravitacional, é descrita
trons de alta energia eram espalhapela Teoria da Relatividade Geral
dos por prótons, indicavam que
formulada por Albert Einstein em
estes eram constituídos por objetos
1915. Uma característica das intepuntiformes e “quase” livres, ou
rações eletromagnéticas e gravitaseja, não interagiam entre si como
cionais, que não é compartilhada
o fazem as partículas com cargas
pelas outras duas,
elétricas ou objetos
Quarks
foram
propostos
no
é que são de longo
com massa. Esse
começo dos anos 60 para
alcance. Isso sigcomportamento
classificar os hádrons
nifica que elas são
tinha sido previsto
observados experimental“sentidas” a qualpor J.D. Bjorken, e
mente. Contudo, no fim
quer distância das
R. Feymann chadessa década, experimentos
fontes: a carga elémou esses objetos
indicavam que estes eram
trica na primeira e
de partons. Os fíconstituídos por objetos
a massa, a energia
sicos experimenpuntiformes e “quase”
e a pressão na setais J.I. Friedman,
livres, ou seja, não
gunda.
Mas,
H.W. Kendall e R.E.
interagiam entre si como o
quanto mais longe
Taylor ganharam o
fazem as partículas com
das fontes, menor
prêmio Nobel de
cargas elétricas ou objetos
com massa
o seu efeito. Isso é
Física de 1990 por
conseqüência da
esta descoberta.
bem conhecida lei do inverso do
Nos anos seguintes tornou-se claro
quadrado dos respectivos potenque alguns partons eram os quarks,
ciais.
mas que havia outros como, por
Os “blocos fundamentais” com
exemplo, os glúons (as partículas
os quais se constrói o MP são os
mediadoras da interação forte).
quarks e os léptons. Essas partículas
Assim, começava a se vislumforam descobertas, ao longo das
brar o fato de que os prótons,
últimas décadas, em diversos labonêutrons e todos os outros hádrons
ratórios do mundo. Os primeiros
são compostos principalmente de
quarks, u (up), d (down) e s (strange)
quarks e glúons. Por outro lado, os
foram propostos no começo dos
léptons, como o elétron, não têm
anos 60 para classificar os hádrons
estrutura e não sentem a interação
Física na Escola, v. 5, n. 2, 2004
Prêmio Nobel de Física 2004
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Vicente Pleitez
Instituto de Física Teórica/UNESP
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Corria a década de 1960, e, de repente, as
notícias a respeito de novas partículas tornouse tão parte do cotidiano que os jornais
estranhavam a falta da descoberta de uma
partícula diferente em uma dada semana. Deste
então a proposta da existência de quarks já era
seriamente considerada pelos cientistas, mas
uma questão permeceu por décadas: por quê
léptons não sentiam a interação forte? A
resposta a essa questão foi esclarecida pela
descoberta da liberdade assintótica e rendeu a
seus propositores o Prêmio Nobel de Física de
2004.
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forte. Para se chegar a essa conclurenormalização foi proposto. Segunmento do valor desta carga quando
são foi muito importante a descodo este esquema, re-definindo
se aumentava a energia, ou equiberta da liberdade assintótica por
apropriadamente alguns parâmevalentemente, a distância, de onde
David J. Gross da Universidade de
tros, como a carga e a massa do elémedimos a carga, era encurtada. Por
Princeton, e seu então estudante de
tron, é possível obter resultados
exemplo, definindo a chamada consdoutorado Frank Wilczek e, indefinitos que coincidem com grande
tante de estrutura fina, α, (em unipendentemente, por
precisão com os
dades apropriadas com h/2π = c =
Se
medimos
a
carga
do
H. David Politzer da
resultados experi1) como
elétron longe dele (o que
Universidade de
mentais. O preço
faz a maioria dos físicos e
Harvard. Por isso,
a pagar é que a
,
(1)
engenheiros) a carga tem
os três comparticarga
e
a
massa
um valor, que é aquele
lharam o prêmio
“renormalizadas”
obtém-se um valor experimental
citado nos livros. Mas se
Nobel de Física de
são agora parâaproximado de 1/137 que é consismedimos a carga do elétron
2004. Esta pro metros livres, que
tente com o valor da carga elétrica,
“bem perto dele” medimos
priedade, aparentedevem ser detere, mencionado acima. Contudo, esse
um valor maior
mente contraditóminados experivalor corresponde a distâncias granria, estabelece que quanto mais
mentalmente. A altas energias, ou
des (baixas energias) típicas da
próximos os quarks estão uns dos
pequenas distâncias, a massa do elémaioria dos fenômenos físicos maoutros, mais fraca é a força entre
tron pode ser desprezada. Isso pacroscópicos, como os encontrados
eles. Quando estão extremamente
receria indicar que nessa situação a
nos aparelhos eletrodomésticos, dispróximos comportam-se como parteoria não teria nenhuma escala de
positivos opto-eletrônicos etc. No
tículas livres (daí a expressão libermassa ou energia. Contudo, o
entanto, para distâncias tão pedade assintótica).
formalismo da renormalização imquenas como aquelas atingidas na
A baixas energias típicas da
plica a necessidade de introduzir
colisão de elétrons e pósitrons (a
Física Atômica (keV) 1 e Nuclear
uma escala de energia arbitrária,
antipartícula do elétron), o valor de
isto é, o seu valor não importa do
(MeV), a interação eletromagnética
α encontra-se próximo de 1/128,
ponto de vista físico. Isso quer dizer
é descrita de maneira muito precisa
diferente do valor acima. Basique o cálculo não deve depender da
pela Eletrodinâmica Quântica ou
camente, isso quer dizer que se meescolha que se faça para essa escala
QED pela sigla em inglês. Esta teoria
dimos a carga do elétron longe dele
de energia. Matematicamente, essa
descreve a interação dos fótons com
(o que faz a maioria dos físicos e
invariância sob a escolha dessa
as partículas eletricamente carreengenheiros) a carga tem um valor,
escala de energia é descrita pela
gadas, como o elétron. A intensidaque é aquele citado nos livros. Mas
chamada equação do grupo de renorde desta interação é caracterizada
se medimos a carga do elétron “bem
malização intro pelo valor da carga elétrica elemenperto dele” meduzida em 1953
tar do elétron: -e, ou a do próton
dimos um valor
Quanto mais próximos os
por A. Petermann e
+e. A carga elétrica, portanto,
maior.
quarks estão uns dos outros,
E. Stückelberg e
determina quão forte é essa interaNo inicio dos
mais fraca é a força entre
também, em 1954,
ção, e é definida como a constante
anos 70, alguns fíeles. Quando estão extremamente próximos comporpelos físicos Murde acoplamento da QED. Desde os
sicos conheciam
tam-se como partículas
ray Gell-Mann e
anos 30, sabia-se que quando se
uma classe de teolivres (daí a expressão
Francis Low.
realizavam cálculos mais precisos de
rias em que era
liberdade assintótica)
Que
conseseções de choque de espalhamento
possível definir
qüências têm tudo
entre partículas carregadas, obtiuma carga equivaisso? Bom, acontece que aparece
nham-se resultados inconsistentes:
lente àquela da teoria QED, que ao
uma dependência do valor da carga
infinitos! Os problemas principais
contrário da carga elétrica, diminuielétrica com a distância ou, o que é
apareciam quando a energia era
ria com a distância. Foram, no eno mesmo, com a energia. Lembremuito alta, que corresponde, seguntanto, os ganhadores do Nobel deste
mos que no sistema de unidades
do as leis da Física Quântica, a disano que criaram uma teoria deste
internacional (SI), a carga do elétron
tâncias pequenas. Uma boa teoria
tipo, a Cromodinâmica Quântica
tem o valor |e| ≈ 1.602 x 10-19 C.
deveria produzir resultados numé(QCD na sigla em inglês), que desricos, de maneira a comparar com
No entanto, já no fim dos anos 40,
creve a interação entre quarks e
os dados experimentais. Esse problealguns físicos, tinham mostrado
glúons, responsável por manter
ma foi resolvido em 1949 quando
que efeitos de natureza quântica e
estas partículas confinadas no inum procedimento chamado de
relativística provocam o cresciterior dos hádrons. Esta teoria
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Prêmio Nobel de Física 2004
Física na Escola, v. 5, n. 2, 2004
pressupõe que os quarks e glúons
firmação experimental da QCD
possuam uma carga de cor (na
como a teoria que descreve as
ausência de outra nomenclatura).
interações entre quarks e glúons e
Daí o nome de inque é responsável
A descoberta da liberdade
teração colorida.
pela ligação destes
assintótica que levou a se
Podemos denos hádrons. A baipropor as Teorias de Grande
finir neste caso
xas energias, onde
Unificação, nas quais as três
um parâmetro g s
essas interações são
interações, forte, fraca e
fortes, o estudo dos
onde o índice ineletromagnética seriam
processos envolvidica o tipo de fordescritas por uma mesma
dos ainda é pesquiça considerada, no
teoria com apenas uma
sa de fronteira da
caso strong (forconstante de acoplamento
Física Nuclear e das
te), similar à carga
partículas elementares. Uma proelétrica, e uma constante adimenpriedade complementar à liberdade
sional α s, correspondente à a da
assintótica é o confinamento dos
QED definida na Eq. (1), como
quarks e glúons. Eles nunca foram
observados isoladamente e supõe.
(2)
se que, como a baixas energias a
interação colorida é muito intensa,
Se a uma energia baixa, por
o que levaria ao confinamento de
exemplo, alguns MeV, αs tem um
quarks e glúons. Até o presente, não
valor grande, e nesse caso não
existe prova rigorosa do confinapodemos usar o mesmo método da
mento.
QED, ou seja, cálculos perturFinalmente, devemos mencionar
bativos, mas numa energia maior,
que foi a descoberta da liberdade asda ordem de GeV, típica de grandes
sintótica que levou a se propor as
aceleradores, o valor de αs é bem
Teorias de Grande Unificação, nas
menor. Na Fig. 1, apresentamos
quais as três interações, forte, fraca
valores experimentais de αs, definida
e eletromagnética seriam descritas
na Eq. (2), em função da energia que
por uma mesma teoria com apenas
coincidem com a previsão da QCD.
uma constante de acoplamento. Na
Essa é a essência da liberdade assinFig. 2, pode-se apreciar a evolução
tótica: a interação forte é realmente
da constante de acoplamento. Ela
forte - a baixas energias, tornandodiminui no caso da interação forte
se menos intensa, ou mais “fraca”
(liberdade assintótica) enquanto que
a altas energias. A característica
aumenta para a
chave da QCD que
interação fraca e
a diferencia da QED
Foi a descoberta da
eletromagnética.
é que os glúons
liberdade assintótica que
Esse comportainteragem entre si.
tornou possível a confirmento permitiria
Isso não acontece
mação experimental da
estimar a energia
no caso da inteQCD como a teoria que
onde as três consdescreve as interações entre
ração
eletro quarks e glúons e que é
tantes
seriam
magnética porque
responsável pela ligação
iguais. Até o moos fótons, os medestes nos hádrons
mento não se codiadores da intenhece qual seria
ração, são neutros
essa teoria “unificada” mas existem
e, portanto não “vêem” uns aos ouvárias candidatas. Confirmar qual
tros. É justamente a interação endelas é a correta é uma tarefa para
tre os glúons que propicia um
os físicos nas próximas décadas.
comportamento da QCD em oposição à QED para grandes energias.
Nota
Foi a descoberta da liberdade as1
eV (elétron-Volt) é a importante
sintótica que tornou possível a conFísica na Escola, v. 5, n. 2, 2004
Prêmio Nobel de Física 2004
Figura 1. Comportamento da constante
de acoplamento αs em função da energia.
Os pontos correspondem aos resultados
experimentais e as linhas aos valores
previstos pela QCD (Fonte: http://pdg.
lbl.gov/2004/reviews/qcdrpp.pdf).
Figura 2. Comportamento esperado das
constantes de acoplamento das três interações em função da energia (Fonte: http:/
/www.aventuradasparticulas.ift.unesp.
br/frames.html).
unidade de energia da Física Atômica. Corresponde à energia adquirida por um elétron ao atravessar
uma diferença de potencial de 1 Volt
(1 eV = 1,6 x 10-19 J. 1 keV = 1000
eV, 1 MeV = 106 eV.
Sugestões para leitura
M.A. Moreira, Partículas e Interações, este
número.
F. Ostermann e C. Cavalcanti, FnE v. 2, n. 1,
maio (2001)
M.J.G. Veltman, Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics (World Scientific, Singapore, 2003).
A página no Museu eletrônico Nobel http:/
/nobelprize.org/index.html contém
detalhes de todos os prêmios Nobel.
Vale a pena a consulta regularmente.
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