25/11/2015

Partículas Elementares


Uma partícula elementar ou uma partícula fundamental é uma partícula que não tem nenhuma subestrutura. As partículas elementares conhecidas incluem os fermiões (quarks, leptões, antiquarks e antileptões), que são geralmente conhecidas como as partículas de matéria e partículas de antimatéria, assim como os bosões fundamentais (bosões de calibre e bosões Higgs), que geralmente são as "forças das partículas", isto é, as partículas que medeiam as interações entre os fermiões.
 Uma partícula que contenha duas ou mais partículas elementares é uma partícula composta.

A matéria quotidiana é composta por átomos, suposta anteriormente  como sendo a partícula elementar da matéria (átomo significa indivisível em grego). Embora a existência do átomo tenha permanecido um tema controverso até 1910, pois alguns físicos de renome consideravam as moléculas como ilusões matemáticas, e que a matéria seria, em última análise, composta por energia, rapidamente se veio a identificar os constituintes do átomo (embora quando se entrou na década de 1930 só o eletrão, o fotão e o protão fossem conhecidos). Por esta altura, a entrada da mecânica quântica em ação começa a alterar radicalmente a concepção que se tinha das partículas, em que uma única partícula podia estender um campo, como o faria uma onda, um paradoxo que ainda exige uma explicação satisfatória.


Através da teoria quântica, descobriu-se que os protões e neutrões continham quarks - up quarks e down quarks - o que se considera atualmente como partículas elementares, e dentro da molécula, os três estados do eletrão (carga, spin e orbital) podem separar-se através da função de onda, em três quase-partículas (hólon, spinón e órbiton). No entanto, um eletrão livre - o qual não se encontrando a orbitar um núcleo atómico, não tem movimento orbital - parece ser indivisível e aparece como uma partícula elementar.

Por volta de 1980, o status de uma partícula elementar, como sendo de facto elementar - um componente final da substância-, foi praticamente todo descartado por uma visão mais prática, incorporada no Modelo Padrão da Física de Partículas, a teoria da ciência com mais sucesso experimental. Muitas elaborações após esta época e teorias com base na Teoria das Cordas, duplicaram o número de partículas elementares, ao hipotizarem que a cada partícula conhecida corresponde uma companheira "sombra" muito mais massiva, embora estes supercompanheiros permaneçam desconhecidos. Entretanto, presume-se a existência de um bosão elementar que medeia a gravitação - o gravitão -, cuja existência continua a ser hipotética.

Todas as partículas elementares são - dependendo do seu spin - ou bosões ou fermiões. São diferenciadas através do teorema estatístico de spin da quântica estatística. Partículas de spin 1/2 exibem as estatísticas Fermi-Dirac e são fermiões. As partículas de valor inteiro, exibem as estatísticas Bose-Einstein e são bosões.


Fermiões Elementares              
Bosões Elementares
Partículas de matéria
    Quarks
        up, down
        charm, strange
        top, bottom
    Léptões
        electrão, neutrino electrão
        muão, muão neutrino
        tau, tau neutrino       
Partícula Mensageira (Bosões de calibre)
     fotões
     gluão (totalizando em número oito)
    Bosões W+, W-, e Z0
    Gravitão (hipotético)

Bosões escalares
    Bosão de Higgs
 
    
Partículas de Anti-matéria
    Antiquarks
    Antileptões


A massa de uma partícula é quantificada em unidades de energia versus os electrões (electrovolts). Através da conversão de energia em massa, qualquer partícula pode ser produzida através da colisão de outras partículas a elevadas energias, embora a partícula final possa não conter a partícula inicial, por exemplo a criação de matéria através da colisão de fotões. Da mesma forma, fermiões-protões compostos foram colididos a uma velocidade próxima à da luz para produzir os bosões de Higgs, em que os bosões elementares são muito mais massivos. 
A partícula elementar mais massiva de todas, o top quark, decai rapidamente, mas aparentemente não contém partículas mais leves.

Quando examinadas em experiências a altas energias, as partículas exibem um formato esférico - no Modelo Standard da física de funcionamento das partículas físicas, as partículas elementares são geralmente representadas por pontos de partículas utilitários previsíveis, o que à dimensão-zero, falta a extensão espacial.
 Apesar de ter tido muito sucesso o Modelo Standard é limitado no microcosmos pela sua falta de gravidade, e tem alguns parâmetros adicionados arbitrariamente, sem explicação. De forma a tentar explicar estes atalhos, a teoria das cordas afirma que  as partículas elementares são, em última análise, compostas por cordas energéticas de uma dimensão, cujas dimensões absolutas mínimas são o comprimento de Planck.

Partículas Elementares Comuns

Várias estimativas sugerem que a maior percentagem de matéria, com exceção da matéria negra, no universo visível, é constituída por protões de hidrogénio.  Cada protão é constituído por três partículas elementares (dois quarks up, e um quark down). Os neutrões e as outras partículas mais pesadas que os protões, com exceção do hélio, e outros átomos com mais de um protão, são tão raros que a sua massa total no universo visível é muito menor do que a massa dos átomos de hidrogénio. 
Existem cerca de 1080 partículas fundamentais no universo conhecido, em que o número de electrões é igual ao número de protões,  sem quase nenhum positrão - pois o universo é eletricamente neutro. Por outro lado, o número de protões existentes é superior ao de neutrões, num valor de quase 9 para 1.

Modelo Standard


O modelo Standard das partículas contém 12 tipos de fermiões elementares, mais as suas correspondentes antiparticulas, assim como bosões elementares que medeiam as forças e o bosão Higgs, que foi anunciado a 4 de Julho de 2012 pelo LHC. No entanto, o Modelo Standard é vastamente considerada como sendo uma teoria provisória invés uma teoria verdadeiramente fundamental, uma vez que não se sabe se é compatível com a teoria geral da relatividade de Einstein. Pode haver partículas elementares hipotéticas não descritas pelo Modelo Standard, como o gravitão - a partícula responsável pela força gravitacional -, e a S-partícula, parceiros supersimétricos das partículas comuns.

Fermiões Fundamentais

Os doze tipos de fermiões fundamentais estão divididos em três gerações de quatro partículas cada. Seis das doze partículas são quarks, os outros seis são leptões, três dos quais neutrinos, e os outros três têm uma carga eléctrica de -1: o electrão e os seus dois primos, o muão e o tau.

Geração de Partículas

Primeira Geração    
Segunda Geração
Terceira Geração
electrão : e-
muão: μ-
tau: T-
neutrino do electrão: ve
neutrino do muão: νμ
neutrino do Tau: vT
quark up: u    
quark charm: c
quark top: t
quark down: d
quark strange: s
quark bottom: b


Antipartículas

Existem igualmente 12 anti-particulas fermiónicas fundamentais, que correspondem às 12 partículas. Por exemplo, o anti-electrão (positrão) e+ é a antiparticula do electrão, e tem uma carga electrónica de +1.
As antipartículas possuem a mesma massa que as partículas correspondentes, mas carga e spin opostos. As antipartículas apresentam um comportamento igual ao das partículas, inclusive na formação de anti-elementos, como o anti-hidrogénio.

Nome
Símbolo
Nome
Símbolo
Nome 
Símbolo
positrão
e+
muão positivo
μ+
anti-tau
T+
Eletrão-antineutrino
_
ve
muão antineutrino
_
νμ
tau anti-neutrino
_
vT
anti-quark up
_
u
anti-quark charm
_
C
anti-quark top
_
t
anti-quark down
_
d
anti-quark strange
_
S
anti-quark bottom
_
b

Quarks

Nunca foram detetados quarks e anti-quarks isolados, um facto explicado pelo confinamento. Cada um dos quarks carrega em si uma das carga de cor da interação forte (vermelho, azul e verde), e os antiquarks carregam a respectiva anti-cor. As partículas de carga de cor interagem através da troca de gluões da mesma forma que partículas carregadas interagem através da troca de fotões. No entanto, os gluões são eles mesmos carregados de cor, resultando numa ampliação da força forte à medida que as partículas carregadas de cor são separadas. Ao contrário da força electromagnética, que diminui à medida que as partículas carregadas se separam, as partículas de carga de cor vêm a sua força aumentar. No entanto, estas partículas  podem combinar-se, formando um composto de partículas de cor neutra denominados hadrões. Um quark pode emparelhar-se com um anti-quark. A cor e a anti-cor cancelam-se, formando um mesão de cor neutra. Da mesma forma, é possível a três quarks juntarem-se, um verde, um vermelho e um azul. Estes três quarks de cores diferentes formam um barião, e os anti-quarks, com as anti-cores, formam um anti-barião.
Os quarks também são portadores da carga elétrica tradicional, mas uma vez que eles estão confinados dentro de hadrões, estas cargas são todas integrais, cargas fraccionais que nunca se isolaram. Note-se que os quarks têm cargas elétricas de +2/3 ou -1/3, enquanto que os antiquarks têm a carga elétrica correspondente de -2/3 ou +1/3.
As provas para a existência dos quarks vêm da vasta dispersão inflexível: ao disparar eletrões contra núcleos para determinar a distribuição da carga dentro dos nucleões (bariões). Se a carga é uniforme, o campo elétrico ao redor do protão deveria ser uniforme e os eletrões deveriam espalhar-se de forma rígida. Eletrões de baixa energia espalham-se desta forma, mas acima de uma determinada energia, os protões desviam alguns eletrões em grandes ângulos. Os eletrões que recuaram têm muito menos energia e é emitido um jacto de partículas. Esta dispersão rígida sugere que a carga do protão não é uniforme mas divide-se em partículas carregadas mais pequenas - os quarks.

Bosões Fundamentais

No Modelo Standard, os bosões (gluões, fotões, e bosões W e Z) vectores (spin -1) medeiam forças, enquanto que o bosão Higgs (spin 0) é responsável pela intrínseca massa das partículas. Os bosões diferenciam-se dos fermiões na medida em que múltiplos bosões podem ocupar o mesmo estado quântico (Principio de Exclusão de Pauli). Igualmente, os bosões tanto podem ser elementares, como é o caso dos fotões, a uma combinação, como por exemplo, os mesões. O spin dos mesões são números inteiros.

Gluões

Os gluões fazem a mediação entre as interações fortes, que unem os quarks e assim formam os hadrões, que tanto podem ser hadrões (três quarks) ou mesões (um quark e um antiquark). 
Os protões e os neutrões são bariões, unidos por gluões para formar o núcleo atómico. Tal como os quarks, os gluões exibem cores e anticores - não relacionada com as cores visíveis - algumas vezes em combinações, no total de oito variações de gluões.

Bosões elétrofracos

Existem três bosões de calibre fraco: W+, W- e Z0: estes bosões são responsáveis pela mediação das interações fracas. Os bosões W são conhecidos pela sua mediação no decaimento nuclear. O W- converte um neutrão num protão e depois decai num par eletrão e eletrão antineutrino. 
O Z0 não converte carga, mas antes muda de impulso e é o único mecanismo para a dispersão elástica de neutrinos. Os fotões sem massa fazem a mediação entre a interação eletromagnética. 
Estes quatro bosões de calibre formam a interação fraca entre as partículas elementares.

Bósão de Higgs

O bosão de Higgs é produzido o campo de Higgs e foi proposto como uma forma de explicar a razão pela qual algumas partículas que deveriam ter massa, não a tinham. O campo de Higgs, que ainda não foi observado, deverá existir em todo o universo e fornecer a força necessária para que as partículas tenham massa.



Embora as forças fracas e eletromagnéticas nos apareçam de forma muito diferente nas energias quotidianas, teoriza-se que as duas forças unificam-se como uma única força fraca a elevadas energias (Ver Forças Fundamentais). Esta predição foi confirmada pelas medições de corte transversal para energia elevadas da dispersão eletrão-protão no acelerador de partículas HERA  em DESY. As diferenças a baixas energias  é uma consequências das massas elevadas dos bosões W e Z, que por sua vez são uma consequência do mecanismo Higgs. Através do processo  da ruptura espontânea da simetria, o campo de Higgs seleciona uma direção especial no espaço eletrofraco que faz com que três partículas eletrofracas se tornem muito pesadas (os bosões fracos), ficando um sem massa (o fotão).
A 4 de Julho de 2012, depois de muitos anos de investigação e experiências, na procura da existência do bosão Higgs, anunciou-se que havia sido observado no Grande Colisor de Hadriões do CERN. Peter Higgs, o primeiro a especular a existência do bosão de Higgs estava presente no anuncio. 
Em março de 2013, provou-se que a partícula se comportava, interagia e decaía de acordo com as várias formas preditas pelo Modelo Padrão, além de provisoriamente provar-se que possuía paridade positiva e spin nulo, dois atributos fundamentais de um bosão de Higgs, indicando fortemente a existência da partícula
Acredita-se que o bosão de Higgs tem uma massa de 125 GeV.  Atribuiu-se 5-sigma ao significado estatístico desta descoberta, o que implica uma certeza de cerca de 99,99994%. Na física de partículas, este é o nível de significância requerido para classificar observações experimentais oficialmente como uma descoberta.
O bosão de Higgs é vital pois é a prova da existência do campo de Higgs, explicando como a energia dentro do campo pode manifestar-se como massa. 

Gravitão

Comparada com outras forças, como o eletromagnetismo, a gravidade é uma força fraca, em que a sua natureza muda de acordo com o objeto, visível a níveis superiores como estrelas e planetas, mas a nível molecular nota-se a sua ausência. Além de que, a força não apresenta uma partícula portadora, como é o caso dos fotões na força eletromagnética. Assim, teoriza-se a existência de uma partícula, o gravitão, que supostamente fará a mediação da gravidade.
Apesar de ainda não ter sido descoberto, é incluído muitas vezes na tabela elementar das partículas.
O seu spin seria 2 - logo um bosão - e não teria carga ou massa.
Para além de fazer a mediação uma força extremamente fraca, o gravitão teria a sua própria antipartícula que rapidamente se aniquilavam, tornando a sua detecção extremamente difícil mesmo que exista.
Provar a existência do gravitão é importante, pois atualmente a relatividade geral e a física quântica são incompatíveis. Mas a um nível preciso de energia (escala de Planck), a gravidade deixa de seguir as leis da relatividade geral e passa a seguir as leis quânticas.

Para além do Modelo Standard

Apesar de provas experimentais confirmarem de forma extensiva as predições feitas pelo Modelo Standard, alguns dos seus parâmetros foram inseridos de forma arbitrária, e não através da determinação de uma explicação particular, que se mantém desconhecida, como é o caso do problema da hierarquia. 
Outras teorias para além do Modelo Standard tentam resolver estes atalhos.

Teoria da Grande Unificação

Um dos objetivos do Modelo Standard é o de combinar as interações eletrofracas com as interações fortes numa única grande teoria unificada (GUT - Grand Unified Theory). Esta força seria fragmentar-se-ia espontaneamente em três forças por um mecanismo tipo Higgs. A predição mais dramática de uma grande unificação é a existência de bosões X e Y, que causariam o decaimento de protões. No entanto, a não observação de decaimento do protão no observatório de neutrinos Super-Kamiokande exclui a mais simples GUT, incluindo a SU(5) e a SO(10).

Supersimetria

A supersimetria estende o Modelo Standard ao incluir uma classse adicional de simetria à função de Langrage. Estas simetrias trocam as partículas fermiónicas com as bosónicas. Tal simetria prediz a existencia de partículas supersiméticas, abreviadamente S-partículas (sparticles), que inclui os s-léptões, s-quarks, s-neutrinos e s-chargino. 
Cada partícula, no Modelo Standard,  teria um super-par cujo spin diferiria  em 1/2 da partícula comum. Devido à quebra da supersimetria, as s-partículas são muito mais pesadas que as suas parceiras comuns; seriam de tal forma pesadas que os colisor de partículas atuais não conseguem gerar energia suficiente para as produzir. No entanto, alguns físicos, acreditam que as s-partículas irão ser detetadas no Grande Colisor de Hadrões no CERN.

Teoria das Cordas

A Teoria das Cordas é um modelo físico (ver Teoria das Cordas) em que todas as partículas que constituem a matéria seriam compostas por cordas (medidas no comprimento de Planck), que existem num universo de onze dimensões (de acordo com a Teoria M, a versão mais aceite). Estas cordas vibram em frequências diferentes, o que determina a massa, a carga eléctrica, a carga de cor, e o spin. Uma corda pode ser aberta (uma linha) ou fechada num loop (uma esfera de uma dimensão, como um círculo). À medida que a corda de move pelo espaço varre a superfície do universo.
A teoria das cordas prevê 1 a 10 branas (uma 1-brana sendo uma corda e 10-brana sendo um objeto de dimensão 10) que impedem rasgos no "tecido" do espaço, utilizando o Princípio da Incerteza.
A Teoria das Cordas propõe que o nosso universo é apenas um de 4-branas, dentro do qual existem 3 dimensões espaciais e uma de tempo observáveis. As restantes 6 dimensões teóricas ou são demasiado pequenas e enroladas ou simplesmente não conseguem ter existência no nosso universo, existindo a um nível mais alargado, conhecido como o Multiverso, para além do nosso universo.
Algumas predições da teoria das cordas incluem a existência de contrapartes extremamente massivas das partículas comuns devido à excitação vibracional da corda fundamental e a existência de uma partícula sem massa, que se comporta como o gravitão.

Tecnicolor

A Teoria Tecnicolor tenta modificar o Modelo Standard de forma miníma ao introduzir uma nova interação tipo QCD. Isto significa que se adiciona os designados Tecniquarks, que interagem através dos Tecnigluões. A ideia principal é a de que o Bosão de Higgs não é uma partícula elementar mas um estado de ligação destes objetos.


Teoria de Préon

De acordo com a Teoria de Préon existem uma ou mais ordens de partículas mais fundamentais do que as encontradas (ou que a maioria) no Modelo Standard. As mais fundamentais destas são geralmente chamadas de préons (também primons, subquarks, quinks e tweedles), que é uma derivação de "pre-quarks". Fundamentalmente, o que a Teoria de Préon tenta fazer ao Modelo Standard, é o mesmo que o Modelo Standard fez anteriormente.
A maioria dos modelos assume que tudo o que está contido no Modelo Standard pode ser explicado através de três a meia dúzia de partículas mais fundamentais e as regras que governam as suas interações. 
O interesse nos priões tem diminuído desde que as investigações experimentais os exluiram na década de 1980.
Os préons são importantes pois atualmente os quarks são uma partícula fundamental, e se os quarks forem compostos de outros elementos, isto abriria as portas para outras teorias. Por exemplo, uma teoria afirma que a antimatéria do universo está contida nos préons, e que a matéria teria contida em si a antimatéria.

Teoria da Aceleração

Os acelerões são as partículas subatómicas hipotéticas que ligam integralmente a nova massa  dos neutrinos e da energia negra, os quais seriam os responsáveis pela aceleração da expansão do universo.
Teoricamente, os neutrinos são influenciados por uma nova força resultante da sua interação com os acelerões. A energia negra seria o resultado do universo a forçar os neutrinos a separarem-se.

Notas
Gravifótão - o gravifótão é outra partícula teórica, que seria criado quando um campo gravitacional fosse excitado numa quinta dimensão. Está previsto na teoria Kaluza-Klein, que propõe que o electromagnetismo e a gravitação podem ser unificados numa única força, sob a condição de existirem mais de quatro dimensões no espaço-tempo. Um gravifótão teria as mesmas características de um gravitão, mas incluiria as propriedades de um fótão, e criaria o que os físicos chamam de quinta força. Outras teorias afirmam que o gravifótão seria um superparceiro (como uma s-partícula) dos gravitões, mas que atrairia e repeliria ao mesmo tempo.

Comprimento de Planck - espaço de 1,6 x 10-35m, e corresponde à distância que a luz percorre no vácuo durante um tempo de Planck.

Número de Eddington - Na astrofísica o NEdd refere-se ao número de protões existentes no universo observável. O nome homenegeia o astrofísico inglês Arthur Eddington que, em 1938, foi o primeiro a propôr um cálculo de NEdd, e dar uma explicação para a importância para a cosmologia e para os fundamentos da física.
No final da década de 1930, o melhor valor que se tinha para a Constante de Estrutura Fina, α, era de 1/136. Eddington começou por defender, a partir de considerações estéticas e numerológicas, que α deveria ser exatamente1/136. Deu, então, uma "prova" de que NEdd=136x2256, ou seja, cerca de 1,57 x 1079.
Em 1938, na Palestra Tarner no Trinity College, em Cambridge, Eddington declarou: « Creio que existem 15 747 724 136 275 002 577 605 653 961 181 555 468 044 717 914 527 116 709 366 231 425 076 185 631 031 296 protões no universo e o mesmo número de eletrões.»
Este enorme número foi logo denominado de "número de Eddington". Passado pouco tempo, a melhoria das medidas de α deram valores mais próximos a 1/137, ao que Eddington mudou a sua "prova" de forma a que α tinha de ser exatamente 1/137.
O valor mais preciso de α que se obteve experimentalmente (de 2012) foi de : α-1 = 137,035 999 174 (35).
Logo não se mantém a ideia de que α seja uma fracção unitária, e ninguém leva a sério uma ligação matemática entre o valor de α e de NEdd.




Fontes


Desejo

«O condenado à morte deixou transparecer uma alegria comovida ao saber do indulto. Mas ao cabo de algum tempo, acentuando-se as melhora...