Partículas subatômicas são os blocos de construção do universo, componentes menores que um átomo. Eles são fundamentais para a compreensão das leis da natureza e da estrutura da matéria. Ao longo desta lição, embarcaremos na exploração dessas partículas, suas propriedades e como elas interagem, estabelecendo as bases para a compreensão da física de partículas.
O Modelo Padrão é a teoria que descreve três das quatro forças fundamentais conhecidas no universo, excluindo a gravidade, e classifica todas as partículas subatômicas conhecidas. Ele categoriza essas partículas em férmions (partículas de matéria) e bósons (portadores de força).
Os férmions são divididos em quarks e léptons, enquanto os bósons incluem fótons, bósons W e Z, glúons e o bóson de Higgs. Os quarks se combinam para formar prótons e nêutrons, os componentes dos núcleos atômicos, enquanto os léptons incluem elétrons, que orbitam o núcleo.
Os quarks vêm em seis tipos ou “sabores”: para cima, para baixo, charmoso, estranho, superior e inferior. Eles experimentam todas as quatro forças fundamentais, incluindo a força nuclear forte que os mantém unidos em prótons e nêutrons. Os quarks nunca são encontrados isoladamente devido a um fenômeno denominado “confinamento de cor”; eles existem em pares ou em grupos de três, formando hádrons como prótons (dois quarks up e um quark down) e nêutrons (dois quarks down e um quark up).
Os léptons, por outro lado, não experimentam a força nuclear forte. O elétron é o lépton mais conhecido, frequentemente encontrado na nuvem que circunda o núcleo atômico. Outros léptons incluem o múon, o tau e seus neutrinos correspondentes, que são quase sem massa e interagem muito fracamente com a matéria.
Bósons são partículas que medeiam as forças fundamentais. O fóton é o portador da força eletromagnética, enquanto os bósons W e Z são responsáveis pela força nuclear fraca, responsável pelos processos de decaimento nuclear. Os glúons carregam a força nuclear forte, mantendo os quarks unidos dentro dos prótons e nêutrons. O bóson de Higgs, descoberto em 2012 no Large Hadron Collider (LHC), está associado ao campo de Higgs, que dá massa às partículas.
Cada tipo de partícula no Modelo Padrão possui uma antipartícula correspondente, idêntica em massa, mas oposta em outras propriedades, como carga elétrica. Quando partículas e antipartículas se encontram, elas se aniquilam, convertendo sua massa em energia de acordo com a equação de Einstein, \(E = mc^2\) , onde \(E\) é energia, \(m\) é massa, e \(c\) é a velocidade da luz.
Vários experimentos foram fundamentais em nossa compreensão das partículas subatômicas:
QCD é a teoria que explica a força nuclear forte, uma das quatro forças fundamentais, operando entre quarks e glúons. Ela postula que os quarks carregam uma propriedade chamada “carga de cor” e que a troca de glúons, que também carregam carga de cor, medeia a força forte. A intensidade da força forte diminui à medida que os quarks se aproximam, uma propriedade conhecida como "liberdade assintótica".
A teoria eletrofraca unifica as forças eletromagnéticas e nucleares fracas em uma única estrutura. Explica como, em níveis elevados de energia (como os que se seguiram imediatamente ao Big Bang), estas duas forças se comportam como uma só. A teoria prevê a existência dos bósons W e Z, posteriormente confirmada experimentalmente.
Apesar do seu sucesso, o Modelo Padrão não está completo. Não incorpora a gravidade, descrita pela teoria da relatividade geral, nem explica a matéria escura e a energia escura que constituem a maior parte do universo. Teorias como a supersimetria e a teoria das cordas propõem extensões ao Modelo Padrão, introduzindo novas partículas e conceitos na tentativa de resolver esses mistérios.
Concluindo, as partículas subatômicas, os componentes mais fundamentais da matéria, são essenciais para a compreensão da estrutura do universo e das forças subjacentes que o moldam. O estudo destas partículas, através de quadros teóricos como o Modelo Padrão e experiências inovadoras, continua a desafiar e a expandir o nosso conhecimento do cosmos.
