04/07/2016

Quarks - partículas elementares

Um quark é uma partícula elementar e um constituinte fundamental da matéria. Os quarks combinam-se entre si para formarem as partículas compostas, designadas de hadrões, sendo, de entre estes, os mais estáveis os protões e os neutrões, os componentes do núcleo atómico. Devido a um fenómeno conhecido como confinamento, os quarks nunca são observados diretamente, ou encontrados, isoladamente; só podem ser encontrados com hadrões, como bariões (dos quais são exemplos os protões e os neutrões) e os mesões. Por esta razão, bastante do que é conhecido acerca dos quarks tem sido obtido a partir dos próprios hadrões.
Os quarks são possuidores de várias propriedades intrínsecas, incluindo a carga elétrica, a massa, a carga de cor e o spin. Os quarks são as únicas partículas elementares no Modelo Padrão da física de partículas a experimentar todas as quatro interações fundamentais, também conhecidas como «forças fundamentais» (eletromagnetismo, gravitação, interação forte e interação fraca), assim como as únicas partículas conhecidas cujas cargas elétricas não são integrais múltiplas de carga elementar.
Existem seis tipos de quarks conhecidos como sabores: up, down, strange, charm, top e bottom. Os quarks up e down são os que têm a menor massa de todos os quarks. Os quarks mais pesados mudam rapidamente para quarks up ou down através de um processo de decaimento de partículas: a transformação de um estado de maior massa para um estado de menor massa. Devido a este facto, os quarks up e down são geralmente os mais estáveis, assim como os mais comuns, no universo, enquanto que os strange, charm, bottom e top só podem ser produzidos com colisões a elevadas energias (tal como aquelas que envolvem os raios cósmicos e os aceleradores de partículas). Para cada sabor de quark existe uma antipartícula correspondente, conhecida como antiquark, que apenas difere do quark na medida em que algumas das suas propriedades têm magnitudes iguais, mas sinais opostos.
O modelo quark foi proposto de forma independente pelos físicos Murray Gell-Mann e George Zweing, em 1964. Os quarks foram introduzidos como fazendo parte de um esquema de ordenação de hadrões, e haviam poucas evidências para a sua existência física até que se fizeram experiências a fundo de espalhamento inelástico, no Centro do Acelerador Linear de Stanford, em 1964. As experiências no Acelerador forneceram indícios para a existência dos seis sabores. O quark top foio último a ser descoberto, no Fermilab, em 1995.


O Modelo Padrão é o quadro teórico que descreve todas as partículas elementares que se conhecem atualmente. Este modelo contém seis sabores de quarks (q), nomeadamente o up, o down (d), o strange (s), o charm (c), o bottom (b) e o top (t). As antipartículas dos quarks são chamadas de antiquarks e são indicadas por uma barra sobre o símbolo para o quark correspondente, tal como ū para um antiquark up. Tal como geralmente acontece na antimatéria, os antiquarks têm a mesma massa, a mesma média de tempo de vida e spin como os seus respectivos quarks, mas a carga elétrica e outras cargas têm o sinal oposto.
Os quarks são partículas de spin -1/2, o que faz com que seja fermiões, de acordo com o teorema da estatística do spin. Estão sujeitos ao Princípio  de Exclusão de Pauli, que afirma que dois fermiões idênticos não podem ocupar o mesmo estado quântico simultaneamente. Isto contrasta com a situação dos bosões (partículas com spin inteiro), em que qualquer número dos quais pode encontrar-se no mesmo estado. Diferentemente dos leptões, os quarks têm carga colorida, o que faz com que participem na interação forte. A atração resultante entre os diferentes quarks provocam a formação de partículas compostas conhecidas por hadrões.
Os quarks que determinam os números quânticos dos hadrões são chamados de quarks de valência; para além destes, qualquer hadrão pode conter um número indefinido de quarks virtuais, antiquarks e gluões que não influenciam o seu número quântico. Existem duas famílias de hadrões: os bariões, com três quarks de valência e os mesões, com um quark de valência e um antiquark. Os bariões mais comuns são o protão e o neutrão, os blocos de construção do núcleo atómico. Conhece-se um grande número de hadrões, em qua a maior parte diferencia-se pelo conteúdo do quark e as propriedades constituintes  destes quarks confirmam este conhecimento. Tem-se conjecturado a existência de "hadrões exóticos", como os tetraquarks e os pentaquarks, mas  ainda não se provou a sua existência. No entanto, a 13 de julho de 2015, a colaboração LHCb no CERN anunciou resultados que são consistentes com estados de pentaquarks.
Os fermiões elementares estão agrupados em três gerações, cada uma contendo dois leptões e dois quarks. Todas as buscas por uma quarta geração de quarks e outros fermiões têm falhado, e existem fortes evidências indiretas de que não existem mais do que três gerações. As partículas nas gerações elevadas têm geralmente uma valor de massa maior e menor estabilidade, fazendo com que decaiam em gerações mais baixas através de interações fracas. Só os quarks de primeira geração (up e down) ocorrem de forma natural na natureza. Os quarks pesados só conseguem ser criados em colisões de alta-energia (como aquelas que envolvem raios cósmicos), e decaem rapidamente; no entanto, pensa-se que tenham estado presentes nas primeiras frações do segundo após o Big Bang, quando o universo estava numa fase extremamente quente e densa (a época quark). Os estudos dos quarks mais pesados são feitos em condições artificiais, como os aceleradores de partículas.
Tendo carga elétrica, massa, carga de cor e sabor, os quarks são as únicas partículas elementares conhecidas que participam em todas as quatro interações fundamentais da física contemporânea: eletromagnetismo, gravitação, interação forte e interação fraca. A gravitação é demasiado fraca para ser relevante às interações de partículas individuais com exceção em casos de elevada energia (energia Planck) e a escalas de distância (distância Planck). No entanto, uma vez que não existe nenhuma Teoria da Gravidade Quântica bem sucedida, a gravidade não é descrita pelo Modelo Padrão. 



Desejo

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