O Modelo Padrão é uma teoria da física de partículas que explica como as partículas e forças fundamentais do universo interagem entre si. Combina a mecânica quântica e a relatividade especial para fornecer uma estrutura para a compreensão da estrutura da matéria nas menores escalas. O Modelo Padrão é apoiado por evidências experimentais e é uma das teorias mais rigorosamente testadas na ciência.
O Modelo Padrão descreve três das quatro forças fundamentais conhecidas no universo: forças eletromagnéticas, nucleares fracas e nucleares fortes. Não inclui a gravidade, que é descrita pela relatividade geral. O modelo classifica todas as partículas elementares conhecidas em dois grupos principais: férmions e bósons.
Os férmions são os blocos de construção da matéria. Eles são subdivididos em dois grupos: quarks e léptons. Os quarks vêm em seis “sabores”: para cima, para baixo, charmoso, estranho, superior e inferior. Eles se combinam de maneiras específicas para formar prótons e nêutrons, que constituem os núcleos dos átomos. Os léptons incluem elétrons, múons, taus e seus neutrinos correspondentes. Os elétrons orbitam o núcleo atômico formado por prótons e nêutrons, constituindo os átomos.
Bósons são partículas que medeiam as forças fundamentais entre os férmions. O fóton ( \(\gamma\) ) é o portador da força eletromagnética, os bósons W e Z medeiam a força nuclear fraca e os glúons ( \(g\) ) carregam a força nuclear forte. O bóson de Higgs ( \(H\) ) é uma partícula especial associada ao campo de Higgs, dando massa a outras partículas.
A força eletromagnética é descrita pela teoria da Eletrodinâmica Quântica (QED). É responsável pelas interações entre partículas carregadas através da troca de fótons. A força eletromagnética liga os elétrons aos núcleos atômicos, formando átomos. A equação de interação para a força eletromagnética pode ser representada como:
\( F = \frac{k e \cdot q 1 \cdot q_2}{r^2} \)onde \(F\) é a força, \(k e\) é a constante de Coulomb, \(q1\) e \(q_2\) são as cargas e \(r\) é a distância entre as cargas.
A força nuclear fraca é responsável pelo decaimento radioativo e por certas reações nucleares. É mediado pelos bósons W e Z. Um exemplo de processo envolvendo a força fraca é o decaimento beta, onde um nêutron no núcleo de um átomo se transforma em um próton, emitindo um elétron e um antineutrino de elétron ( \(\bar{\nu}_e\) ). A interação pode ser representada como:
\( n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e \)A força nuclear forte une os quarks para formar prótons e nêutrons e mantém o núcleo atômico unido. É a mais forte das quatro forças fundamentais, mas atua em distâncias muito curtas. A força forte é mediada por glúons e sua força é descrita pela Cromodinâmica Quântica (QCD). A força entre quarks é dada por:
\( F_{strong} \propto \frac{1}{r^2} \textrm{ em distâncias curtas} \)mas aumenta com a distância, confinando os quarks aos prótons e nêutrons.
O mecanismo de Higgs explica como as partículas adquirem massa. Propõe um campo, o campo de Higgs, que permeia o universo. As partículas que interagem com este campo ganham massa; quanto mais forte a interação, mais pesada é a partícula. O bóson de Higgs é a partícula quantizada associada a este campo, descoberta em 2012 no Large Hadron Collider (LHC) do CERN.
As previsões do Modelo Padrão foram confirmadas através de numerosos experimentos. Descobertas notáveis incluem o quark top (1995), o neutrino do tau (2000) e o bóson de Higgs (2012). O Large Hadron Collider (LHC) do CERN e o Tevatron Collider do Fermilab desempenharam papéis cruciais nessas descobertas. Esses experimentos envolvem a colisão de partículas em altas energias e a observação dos resultados, que fornecem insights sobre os constituintes fundamentais da matéria e as forças que atuam sobre eles.
Embora o Modelo Padrão tenha sido extremamente bem-sucedido, ele tem limitações. Não explica a matéria escura e a energia escura do universo, a assimetria matéria-antimatéria ou a força da gravidade. Teorias como a supersimetria e a teoria das cordas propõem extensões ao Modelo Padrão para abordar estes mistérios, mas ainda faltam evidências experimentais para estas teorias.
A investigação em curso em física de partículas visa aprofundar a nossa compreensão do universo, conduzindo potencialmente a uma teoria mais abrangente que inclua todas as quatro forças fundamentais e resolva as questões não respondidas do Modelo Padrão.
