Partícula elementar
Na física, uma partícula elementar ou fundamental é uma partícula que não é feita de outras partículas.
Uma partícula elementar pode ser um de dois grupos: um férmion ou um bóson. Os férmions são os blocos de construção da matéria e têm massa, enquanto os bósons se comportam como portadores de força para as interações do férmion e alguns deles não têm massa. O Modelo Padrão é a maneira mais aceita de explicar como as partículas se comportam, e as forças que as afetam. De acordo com este modelo, as partículas elementares são ainda agrupadas em quarks, leptões e bósons de calibre, tendo o bósonHiggs um status especial como um bóson sem calibre.
Das partículas que compõem um átomo, apenas o elétron é uma partícula elementar. Protões e nêutrons são feitos de 3 quarks cada um, o que os torna partículas compostas, partículas que são feitas de outras partículas. Os quarks são ligados entre si pelos gluons. O núcleo tem campos bóson pioneiros responsáveis pela forte força nuclear que liga prótons e nêutrons contra a repulsão eletrostática entre os prótons. Tais piões virtuais são compostos de pares de antiquarks quark novamente unidos por gluons.
Há três propriedades básicas que descrevem uma partícula elementar: 'massa', 'carga', e 'spin'. A cada propriedade é atribuído um valor numérico. Para massa e carga, o número pode ser zero. Por exemplo, um fóton tem massa zero e um neutrino tem carga zero. Estas propriedades permanecem sempre as mesmas para uma partícula elementar.
- Massa: Uma partícula tem massa se for preciso energia para aumentar sua velocidade, ou para acelerá-la. A tabela à direita dá a massa de cada partícula elementar. Os valores são dados em MeV/c2s (que é pronunciado megaelectronvolts sobre "c" ao quadrado), ou seja, em unidades de energia sobre a velocidade da luz ao quadrado. Isto vem de uma relatividade especial, que nos diz que energia é igual à massa vezes o quadrado da velocidade da luz. Todas as partículas com massa produzem a gravidade. Todas as partículas são afetadas pela gravidade, mesmo as partículas sem massa como o fóton (ver relatividade geral).
- Carga elétrica: As partículas podem ter carga positiva, ou negativa, ou nenhuma. Se uma partícula tem carga negativa, e outra partícula tem carga positiva, as duas partículas são atraídas uma para a outra. Se as duas partículas têm carga negativa, ou ambas têm carga positiva, as duas partículas são empurradas para o lado. Em distâncias curtas, esta força é muito mais forte do que a força da gravidade que puxa todas as partículas juntas. Um elétron tem carga -1. Um próton tem carga +1. Um nêutron tem carga média 0. Os quarks normais têm carga de ⅔ ou -⅓.
- Giro: O momento angular ou rotação constante de uma partícula tem um valor particular, chamado de seu número de giro. O giro para partículas elementares é um deles ou ½. A propriedade de giro das partículas denota apenas a presença de momento angular. Na realidade, as partículas não giram.
Massa e carga são propriedades que vemos na vida cotidiana, porque a gravidade e a eletricidade afetam as coisas que os seres humanos vêem e tocam. Mas a rotação afeta apenas o mundo das partículas subatômicas, de modo que não pode ser diretamente observada.
Modelo padrão de partículas elementares. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.
Férmions
Fermions (nomeado em homenagem ao cientista Enrico Fermi) tem um número de spin de ½, e são quarks ou leptons. Existem 12 tipos diferentes de samambaias (não incluindo a antimatéria). Cada tipo é chamado de "sabor". Os sabores são:
- Quarks: para cima, para baixo, charme, estranho, em cima, em baixo. Os quarks vêm em três pares, chamados de "gerações". A primeira geração (para cima e para baixo) é a mais leve e a terceira (topo e fundo) é a mais pesada. Um membro de cada par (acima, charme e topo) tem uma carga de ⅔. O outro membro (para baixo, estranho e inferior) tem um encargo de -⅓.
- Leptões: elétron, múon, tau, neutrino de elétron, neutrino de múon, neutrino de tau. Os neutrinos têm carga 0, daí o prefixo neutrino. Os outros leptões têm carga -1. Cada neutrino tem o nome de seu leptão original correspondente: o elétron, o múon e o tau.
Pensa-se que seis dos 12 férmions durarão para sempre: os quarks para cima e para baixo, o elétron e os três tipos de neutrinos (que mudam constantemente de sabor). Os outros férmions se decompõem. Ou seja, eles se decompõem em outras partículas uma fração de segundo após serem criados. A estatística de Fermi-Dirac é uma teoria que descreve como se comportam as coleções de férmions. Essencialmente, não se pode ter mais de um férmion no mesmo lugar ao mesmo tempo.
Bósons
Os bósons, com o nome do físico indiano Satyendra Nath Bose, têm spin 1. Embora a maioria dos bósons seja feita de mais de uma partícula, existem dois tipos de bósons elementares:
- Bósons calibre: gluões, bósonsW+e W-, bósonsZ0, e fótons. Estes bósons carregam 3 das 4 forças fundamentais, e têm um número de giros de 1;
- Gluon: Os gluons são partículas sem massa e sem carga, e são os portadores da forte interação da força. Eles, juntamente com os quarks, se unem para fazer partículas compostas chamadas hadrons, que incluem prótons e nêutrons.
- Bósons W e Z: Os bósons W e Z são partículas que carregam a força fraca. O bóson W tem uma partícula de matéria (W+) e uma partícula de antimatéria (W-), enquanto que o bóson Z é sua própria partícula anti-partícula. O bóson W é produzido em decadência beta, mas quase imediatamente se transforma em um neutrino e um elétron. Os bósons W e Z foram ambos descobertos em 1983.
- Fóton: Os fótons são partículas sem massa e sem carga que carregam a força eletromagnética. Os fótons podem ter uma certa freqüência que determina a radiação eletromagnética que eles são. Como todas as outras partículas sem massa, eles viajam à velocidade da luz (300.000 km/s).
- Higgs boson: Os físicos acreditam que as partículas maciças têm massa (ou seja, não são feixes puros de energia como os fótons) por causa da interação de Higgs.
O fóton e os gluões não têm carga, e são as únicas partículas elementares que têm uma massa de 0, com certeza. O fóton é o único bóson que não se decompõe. A estatística de Bose-Einstein é uma teoria que descreve como se comportam as coleções de bósons. Ao contrário dos férmions, é possível ter mais de um bóson no mesmo espaço e ao mesmo tempo.
O Modelo Padrão inclui todas as partículas elementares descritas acima. Todas estas partículas foram observadas em laboratório.
O Modelo Padrão não fala sobre a gravidade. Se a gravidade funciona como as três outras forças fundamentais, então a gravidade é levada pelo hipotético bóson chamado graviton. O gravitônio ainda não foi encontrado, portanto não está incluído na tabela acima.
O primeiro férmion a ser descoberto, e o que mais conhecemos, é o elétron. O primeiro bóson a ser descoberto, e também o que mais conhecemos, é o fóton. A teoria que mais precisamente explica como o elétron, o fóton, o eletromagnetismo e a radiação eletromagnética funcionam todos juntos é chamada de eletrodinâmica quântica.
Perguntas e Respostas
P: O que são partículas elementares?
R: Partículas elementares são partículas que não são feitas de outras partículas.
P: A quantos grupos pertencem as partículas elementares?
R: As partículas elementares podem ser um de dois grupos, fúmions ou bósons.
P: O que é o Modelo Padrão?
R: O Modelo Padrão é a maneira mais aceita de explicar como as partículas se comportam e as forças que as afetam.
P: Como as partículas elementares são agrupadas de acordo com o Modelo Padrão?
R: De acordo com o Modelo Padrão, as partículas elementares são ainda agrupadas em quarks, leptões e bosons de calibre, tendo o bóson Higgs um status especial como um bóson sem calibre.
P: Os prótons e os nêutrons são considerados partículas elementares?
R: Não, os prótons e os nêutrons não são considerados partículas elementares porque cada um deles é composto de 3 quarks, o que os torna partículas compostas - o que significa que são compostos de outras partículas menores.
P: Quais são as propriedades que descrevem uma partícula elementar?
R: Há três propriedades básicas que descrevem uma partícula elementar - massa, carga e spin - a cada propriedade é atribuído um valor numérico.
P: A gravidade afeta todos os tipos de partícula, mesmo aquelas sem massa, como os fótons?
R: Sim, todos os tipos de partícula, inclusive aquelas sem massa, como os fótons, experimentam a gravidade devido à relatividade geral.
