Modelo padrão

Férmions são partículas que se unem para compor toda a "matéria" que vemos. Exemplos de grupos de férmions são o próton e o nêutron. Os fermions têm propriedades, tais como carga e massa, que podem ser vistas na vida cotidiana. Eles também têm outras propriedades, tais como spin, carga fraca, hipercarga e carga de cor, cujos efeitos geralmente não aparecem na vida cotidiana. Estas propriedades recebem números chamados números quânticos.

Férmions são partículas cujo número de giros é igual a um número ímpar e positivo vezes a metade: 1/2, 3/2, 5/2, etc. Dizemos que os fúrmios têm "spin de meio inteiro".

Um fato importante sobre os fúmions é que eles seguem uma regra chamada princípio de exclusão Pauli. Esta regra diz que não podem estar dois fúrmios no mesmo "lugar" ao mesmo tempo, porque não podem ter os mesmos números quânticos ao mesmo tempo. Férmions também obedecem a uma teoria chamada estatística Fermi-Dirac. A palavra "férmion" honra o físico Enrico Fermi.

Existem 12 tipos diferentes de fúmions. Cada tipo é chamado de "sabor". Seus nomes são:

• Quarks - para cima, para baixo, estranho, charme, em cima, em baixo
• Leptões - elétron, múon, tau, neutrino de elétron, neutrino de múon, tau neutrino. O elétron é o mais conhecido leptão.

Os quarks estão agrupados em três pares. Cada par é chamado de "geração". O primeiro quark em cada par tem carga 2/3, e o segundo quark tem carga -1/3. Os três tipos de neutrino têm carga 0. O elétron, o múon e o tau têm carga -1.

A matéria é feita de átomos, e os átomos são feitos de elétrons, prótons e nêutrons. Os prótons e nêutrons são feitos de quarks para cima e para baixo. Pode-se encontrar um leptão por si só, mas nunca se pode encontrar quarks sozinho. Isto porque os quarks são mantidos juntos pela força da cor.

Os bósons são o segundo tipo de partícula elementar no modelo padrão. Todos os bósons têm uma rotação inteira (1, 2, 3, etc.), portanto, muitos deles podem estar no mesmo lugar ao mesmo tempo. Há dois tipos de bósons, os bósons calibre e os bósons Higgs. Os bósons de bitola são o que torna possível as forças fundamentais da natureza. (Ainda não temos certeza se a gravidade funciona através de um bóson calibre.) Toda força que atua sobre os búfalos acontece porque os bósons calibre estão se movendo entre os búfalos, carregando a força. Os bósons seguem uma teoria chamada estatística Bose-Einstein. A palavra "bóson" homenageia o físico indiano Satyendra Nath Bose.

O modelo padrão diz que existem:

• 12 fúmions, cada um com sua própria antipartícula;
• 12 bósons de calibre: 8 tipos de gluões, o fóton, W+, W-, e Z;

Todas estas partículas foram vistas na natureza ou no laboratório. O modelo também prevê a existência de um bosão Higgs. O modelo diz que os fetos têm massa (eles não são apenas energia pura) porque os bósons de Higgs viajam para frente e para trás entre eles. Acredita-se que o bóson Higgs tenha sido descoberto em 4 de julho de 2012. É a partícula que dá massa a outras partículas.

Existem quatro forças básicas conhecidas da natureza. Essas forças afetam os fetos e são transportadas pelos bósons que viajam entre esses fetos. O modelo padrão explica três dessas quatro forças.

• Força forte: Esta força mantém os quarks juntos para fazer hadrons como prótons e nêutrons. A força forte é levada pelos gluons. A teoria dos quarks, a força forte e os gluons são chamados de cromodinâmica quântica (QCD).
• A força forte residual mantém os prótons e os nêutrons juntos para fazer o núcleo de cada átomo. Esta força é levada pelos mésons, que são compostos por dois quarks.
• Força fraca: Esta força pode mudar o sabor de um fúrmio e causar a decadência beta. A força fraca é transportada por três bósons de calibre: W+, W-, e o bóson Z.
• Força eletromagnética: Esta força explica a eletricidade, o magnetismo e outras ondas eletromagnéticas, incluindo a luz. Esta força é transportada pelo fóton. A teoria combinada do elétron, fóton e eletromagnetismo é chamada de eletrodinâmica quântica.
• Gravidade: Esta é a única força fundamental que não é explicada pelo SM. Ela pode ser transportada por uma partícula chamada graviton. Os físicos estão à procura do gravitão, mas ainda não o encontraram.

As forças fortes e fracas são vistas apenas dentro do núcleo de um átomo. Elas só funcionam em distâncias muito pequenas: distâncias que vão até a largura de um próton. A força eletromagnética e a gravidade funcionam a qualquer distância, mas a força dessas forças diminui à medida que os objetos afetados se afastam mais. A força desce com o quadrado da distância entre os objetos afetados: por exemplo, se dois objetos ficam duas vezes mais distantes um do outro, a força da gravidade entre eles se torna quatro vezes menos forte (²²⁼⁴).

O modelo padrão está longe de ser uma teoria de tudo. Ele não inclui a teoria completa da gravitação como descrita pela relatividade geral, nem é responsável pela expansão acelerada do universo (como possivelmente descrito pela energia escura). O modelo não contém nenhuma partícula de matéria escura que tenha todas as propriedades observadas na cosmologia observacional. Acredita-se que o SM seja teoricamente autoconsistente. Ele tem demonstrado enormes e contínuos sucessos em previsões experimentais, mas deixa algumas coisas inexplicáveis.