O Modelo Padrão da Física de Partículas
Desde a década de 1930, as contribuições teóricas e as descobertas de muitos físicos resultaram em uma visão notável da estrutura fundamental da matéria: tudo no universo é feito de alguns blocos básicos denominados partículas fundamentais, governados por quatro forças fundamentais. Nosso melhor entendimento de como essas partículas e três das forças estão relacionadas entre si está codificado no Modelo Padrão da física de partículas. Esta teoria altamente elegante classifica as partículas elementares, de acordo com suas respectivas cargas e descreve como elas interagem por meio de interações fundamentais. Desenvolvido no início dos anos 1970, o Modelo Padrão explicou com sucesso quase todos os resultados experimentais e previu com precisão uma ampla variedade de fenômenos. Ao longo de anos e por meio de muitos experimentos, o Modelo Padrão tem se estabelecido como uma teoria bem corroborada.
Partículas de matéria
Toda a matéria ao nosso redor é feita de partículas elementares, os blocos de construção da matéria. Essas partículas ocorrem em dois tipos básicos chamados quarks e léptons. Cada grupo é composto por seis partículas, que se relacionam aos pares, ou “gerações”. As partículas mais leves e estáveis constituem a primeira geração, enquanto as partículas mais pesadas e menos estáveis pertencem à segunda e terceira gerações. Toda matéria estável no universo é feita de partículas que pertencem à primeira geração; quaisquer partículas mais pesadas decaem rapidamente para outras mais estáveis. Os seis quarks são pareados em três gerações - o quark up e o quark down formam a primeira geração, seguido pelo quark charm e quark strange, depois o quark top e quark bottom (ou beauty quark). Os quarks também vêm em três "cores" diferentes e só se misturam para formar objetos incolores. Os seis léptons são arranjados de forma semelhante em três gerações - o elétron e o neutrino do elétron, o múon e o neutrino do múon, e o tau e o neutrino do tau. O elétron, o múon e o tau têm carga elétrica e massa significativa, enquanto os neutrinos são eletricamente neutros e têm muito pouca massa.
Créditos da imagem: Daniel Dominguez/CERN
Forças e partículas portadoras
Existem quatro forças fundamentais em ação no universo: a força forte, a força fraca, a força eletromagnética e a força gravitacional. Eles funcionam em diferentes faixas e têm diferentes qualidades. A gravidade é a mais fraca, mas tem um alcance infinito. A força eletromagnética também tem alcance infinito, mas é muitas vezes mais forte que a gravidade. As forças fraca e forte são eficazes apenas em um alcance muito curto e dominam apenas no nível das partículas subatômicas. Apesar do nome, a força fraca é muito mais forte do que a gravidade, mas é de fato a mais fraca das outras três. A força forte, como o nome sugere, é a mais forte de todas as quatro interações fundamentais. Três das forças fundamentais resultam da troca de partículas portadoras de força, que pertencem a um grupo mais amplo chamado bósons. Partículas de matéria transferem quantidades discretas de energia trocando bósons entre si. Cada força fundamental tem seu próprio bóson correspondente - a força forte é transportada pelo glúon, a força eletromagnética é transportada pelo fóton e os bósons W e Z são responsáveis pela força fraca. Similarmente, embora não tenha sido encontrado, o gráviton deve ser a partícula de gravidade portadora de força correspondente. O Modelo Padrão inclui as forças eletromagnética, forte e fraca e todas as suas partículas portadoras, e explica bem como essas forças agem sobre todas as partículas de matéria. No entanto, a força mais familiar em nossa vida cotidiana, a gravidade, não faz parte do Modelo Padrão. A teoria quântica usada para descrever o mundo subatômico micro e a teoria geral da relatividade usada para descrever o mundo macro são difíceis de serem encaixadas em uma única estrutura. Torná-las matematicamente compatíveis no contexto do Modelo Padrão representa ainda um desafio. Mas, felizmente para a física de partículas, quando se trata da escala minúscula das partículas, o efeito da gravidade é tão fraco que chega a ser desprezível. Somente quando a matéria se apresenta em quantidades volumosas, na escala do corpo humano ou dos planetas por exemplo, o efeito da gravidade é significativo. Portanto, o Modelo Padrão ainda funciona bem, apesar de sua exclusão relutante de uma das forças fundamentais.
Texto adapatado de: Particles of the Standard Model of particle physics