O Mundo das Partículas – Parte II

14-04-2013 20:25

 

    Quem já leu a Parte 1 deste artigo poderá ter-se ficado a questionar: “os bosões são assim, os fermiões são «assado», e depois? Que consequências isso tem?” Na verdade estas partículas diferem em algo muito importante: enquanto que os fermiões são as partículas que interagem com as forças, os bosões são as partículas que as medeiam.

 

    Newton introduziu a ideia de “forças à distância” para explicar a gravidade. Foi um conceito extremamente importante para a compreensão da gravidade e também do electromagnetismo. Entretanto descobriu-se que o electromagnetismo é mediado pelos fotões (que são bosões), e que também a força fraca e a força forte são mediadas por outros bosões. Curiosamente, ainda não se descobriu o bosão mediador da gravidade (o gravitão), o que constitui um dos grandes problemas na física de partículas (no chamado Modelo Padrão). Aliás, o próprio Modelo Padrão não é compatível com o gravitão, pois o mesmo trás consigo contradições que impedem que o modelo se acomode à adição desta partícula. A teoria mais conhecida para resolver este e outros problemas é a famosa Teoria das Cordas (que falarei num artigo posterior).

 

Modelo Padrão

 

    O Modelo Padrão é a teoria que tem fornecido mais resultados válidos no limiar da Física que podemos testar – a Física das altas energias que testamos em aceleradores de partículas (como no LHC, Large Hadron Collider – grande colisionador de hadrões). Com esta teoria foram preditas partículas nunca antes observadas, partículas essas que foram depois observadas, tendo-se registado, além disso, uma concordância fantástica entre os valores mensuráveis de energia previstos pela teoria e os medidos nas experiências. É uma teoria que agrega Mecânica Quântica e Relatividade Restrita e que com isso consegue descrever o comportamento de todas as partículas e forças, com excepção da força da gravidade.

 

    A razão pela qual a força gravítica não é conciliada nesta teoria é, basicamente, porque a Mecânica Quântica é incompatível com a Relatividade Geral. É por este motivo que os buracos negros são tão interessantes de serem estudados a nível teórico, porque são os únicos objectos cosmológicos no nosso universo que exigem um estudo com ambas as teorias em simultâneo, pelo que um entendimento mais profundo deles deverá conduzir a conclusões mais claras sobre o problema da conciliação destas duas teorias.

 

    Porquê que não se assume simplesmente que uma delas está errada (Mecânica Quântica ou Relatividade Geral)? Porque ambas parecem estar correctas quando não é necessário considerar as duas em conjunto. Não existe nenhuma razão para considerar uma errada e a outra certa.

 

    Mas os problemas do Modelo Padrão não se ficam por aqui. Além de ser uma teoria incompleta por excluir a gravidade, é também incompleta (supostamente) por não ser autónoma: aparecem 19 parâmetros “arbitrários” na teoria que só podem ser determinados por experiências. Os físicos procuram uma teoria que consiga determinar as suas próprias constantes, ou seja, que seja independente de tudo o resto, que consiga explicar a realidade, sem precisar da mesma (excepto para testar a teoria, claro).

 

    O Modelo Padrão evidencia um outro problema, relacionado com a antimatéria. Como sabem a antimatéria é “escassa” no nosso universo, ou seja, existe muito mais matéria que antimatéria. Contudo, esta teoria prevê uma igualdade entre as quantidades de partículas e antipartículas. A Teoria do Big Bang, para funcionar, exige que haja uma quebra de simetria entre estas quantidades logo após o início do universo, pelo que o Modelo Padrão deveria explicar esta quebra de simetria. Por outro lado, a Teoria do Big Bang incluí também a “inflação” (existem teorias alternativas, como a do português João Magueijo, que “preferia” que fosse a luz tivesse viajado um pouco mais rápido que a velocidade actual da luz, nos primórdios do universo), que é uma teoria fundamental para se explicar os primeiros instantes da expansão do universo. O Modelo Padrão, por não incluir a gravidade, é incapaz de explicar o universo inflacionário.

 

    Há ainda outra razão para se crer que é uma teoria que não pode ser “A Teoria”: a beleza. Parece-vos um argumento ingénuo? Sabiam que Copérnico defendia que o Sol deveria estar no centro do universo, porque era muito mais belo que a Terra? Fraco argumento, não é? A verdade é que muitas das teorias com melhores resultados e que conseguem estar mais próximas de algo fundamental à mecânica do universo mostram ter uma simplicidade inerente.     Um padrão, uma norma, é sempre algo simplificador e que torna uma explicação mais elegante. Se tivermos um número x de casos por explicar, poder-se-á explicar um a um, ou explicar um e dizer como deste se obtêm os outros. Qual vos parece a forma mais evidente de obter conhecimento?

 

    Isto tudo para dizer que o Modelo Padrão falha, também, neste “pequeno” aspecto. A teoria, como vamos ver, prevê uma quantidade nada animadora de partículas fundamentais. (Mais uma vez, em antítese, poderia referir a Teoria das Cordas, que apresenta essa tal beleza que se procura, mas isso fica para outra discussão, na qual também irei referir os problemas dessa teoria.)

 

    As partículas fundamentais no Modelo Padrão, em particular os fermiões, são divididas em três famílias (também chamadas de “gerações”), consoante a sua massa, em que a primeira família corresponde às partículas de menor massa, e a terceira de maior massa. As da primeira família são as que predominam na natureza, porque são as mais estáveis. O protão (e o neutrão) é constituído por partículas pertencentes a esta geração e pensa-se que não decaia, ou seja, que tem um tempo de vida infinito (embora haja modelos não testados que prevejam o decaimento do protão, mas com tempos de vida ainda assim gigantescos, claro, já que nunca se observou o decaimento de um protão). (Relembro que por “decaimento” refiro-me a um processo pelo qual uma partícula se transforma noutras relativamente mais estáveis que a inicial.)

 

    Cada família tem dois quarks e dois leptões. A principal diferença entre estes dois tipos de partículas é que os quarks estão sujeitos à força forte, enquanto que os leptões não, por outro lado, os leptões são sempre muito mais leves que os quarks.

 

    Como é fácil de fazer as contas: 2 quarks por família, 3 famílias, logo 6 quarks. São eles o “top”, “bottom”, “charm”, “strange”, “up” e “down”. Os dois últimos (up e down) são da primeira família e são os constituintes do protão e do neutrão. O up tem carga 2/3 e o down tem carga -1/3, pelo que um protão tem dois up’s e um down, enquanto que o neutrão tem dois down’s e um up, de tal modo que somando a carga dos quarks se obtém a carga ‘1’ para o protão e a carga 0 para o neutrão. Estes valores de carga estão normalizados tendo em conta a carga de um electrão. Por outras palavras, sendo a carga eléctrica dada em unidades de Coulomb (tal como a massa é dada em gramas), os valores que referi em cima têm que ser multiplicados pelo valor da carga do electrão para determinarem o valor da carga dos quarks.

 

    Os leptões são o electrão, o muão e a partícula tau (todos eles com carga eléctrica negativa). A cada um destes corresponde um neutrino: neutrino electrão, muão neutrino e neutrino tau. Os neutrinos têm a particularidade de ter carga eléctrica nula e massa muito reduzida (chegou-se a pensar que poderia ser nula), ou seja, quase não têm interacção com as outras partículas, pois reparem: são leptões logo não interagem com a força forte, não têm carga logo não interagem electromagneticamente, e têm uma massa muito reduzida, pelo que interagem muito fracamente através da força gravítica. Resta a força fraca, que como o nome indica, é fraca. Ainda assim, a existência de neutrinos já foi detectada. Como foi possível? Porque o que não faltam no nosso universo são neutrinos (pelo que, sendo o método de detecção dependente da interacção destes, só existindo mesmo muitos neutrinos é que seríamos capazes de “apanhar” alguns).

 

    Aqui fica uma tabela resumo:

    

    A história acaba aqui? Não. Além destas 12 partículas, por questões de simetria foi necessário “inventar” outras 12 partículas: as correspondentes antipartículas – a cada partícula que referi anteriormente, corresponde uma anti. Estas antipartículas têm igual massa, spin (pois continuam a ser fermiões, ainda que se denominem anti-fermiões) e paridade (algo relacionado com funções de onda e portanto com probabilidades, que aparecem na Mecânica Quântica) que as respectivas partículas. O que as distingue é a carga eléctrica (que é simétrica) e outras propriedades quânticas que não irei aqui referir. Do encontro de uma partícula com a sua antipartícula resulta a única reacção conhecida na natureza que tem rendimento energético de 100%: ambas se aniquilam, dando origem apenas a energia.

 

    Além destas 24 partículas fermiónicas, falta referir as partículas bosónicas: o fotão, já referido na parte 1, é o mediador da força electromagnética. Para a força forte temos o gluão que é o responsável pela união de quarks que dão origem a hadrões, como é o caso do protão ou do neutrão. Para a força fraca temos o bosão W e o bosão Z (“W” de “weak” e “Z” por ter carga nula), descobertos em 1983 no CERN, o que consistiu um dos maiores sucessos do Modelo Padrão. Porquê duas e não uma só? Está relacionado com as propriedades desta força, mas que não vou aqui explicar. E por fim, teríamos o gravitão, mas esse ainda não foi descoberto.

 

    Estou a chegar ao fim, e vocês perguntam: e onde anda a “estrela da companhia”? A aclamada “partícula de Deus”? O bosão de Higgs parece ter sido finalmente descoberta no LHC – digo parece, porque as propriedades mais importantes parecem bater certo com a teoria (como o valor da energia previsto), contudo ainda falta verificar algumas propriedades para se ter realmente a certeza de que se trata do bosão de Higgs e não de outro bosão qualquer desconhecido. Estes testes ainda irão demorar, porque para serem analisados exigem a obtenção de muitos mais dados experimentais (a obtenção do Higgs é um evento bastante raro; relembro que na mecânica quântica lida-se com probabilidades, neste caso a probabilidade de obter um bosão de Higgs é de 1 em 10 mil milhões de colisões). Pelo nome podem já deduzir que deve ser uma partícula mediadora de algo. Neste caso ela medeia um chamado campo de Higgs, com o qual é possível explicar o porquê de as partículas fundamentais que referi antes tenham a massa que apresentam (ou energia, se preferirem). De certo modo poderia parecer que é semelhante ao gravitão, tal não é verdade, porque o Higgs não tem alcance infinito como o gravitão terá que ter (além disso, o Higgs é um chamado “campo escalar” enquanto que o gravitão não o poderá ser). A descoberta desta partícula foi (é) extremamente importante para o Modelo Padrão, porque tratava-se de uma das previsões mais importantes do modelo, sendo central neste. A não existência do Higgs significaria que o modelo estava errado e por consequência a física de partículas dos últimos 40 anos tinha andado a orbitar em torno das ideias erradas. Tal seria muito estranho dado os bons resultados obtidos pelo modelo. De qualquer forma, como disse, o Modelo Padrão não é uma teoria completa, pelo que os intentos de explicar toda a natureza numa só teoria ainda estão longe de se realizar. Além do gravitão, existem outros desafios a ter em consideração, em particular a matéria negra e a energia negra. A matéria que conhecemos (que está descrita no Modelo Padrão) constitui apenas cerca de 5% do universo! A matéria negra constitui 27% e a energia negra 68%. Em suma, temos um conhecimento incompleto sobre apenas 5% do universo!

 

"Muitas coisas são invisíveis, mas nós não sabemos quantas porque não as podemos ver."

 

 

Marinho Lopes (colaborador do Ciência com Todos e doutorando em Física na U. de Aveiro) - texto primeiramente publicado no Blog do autor: Sophia of Nature.

 

Ver original em: http://sophiaofnature.wordpress.com/2011/04/14/o-mundo-das-particulas-parte-2/

 

Tópico: Comentários

Mundo das partículasII

Data: 16-04-2013 | De: Graciete Virgínia Rietsch Monteiro Fernandes

Obrigada. De facto é preciso ter muito mais conhecimentos para compreender bem esses assuntos. No meu tempo de estudante universitária pouco se falava em Einstein.
Eu julgo que percebi um bocadinho melhor. Será que na percentagem desconhecida do Universo estão incluídas a matéria e energia negras,como efeito das ações gravitacionais conhecidas e da expansão do Universo?
Desculpe tanta pergunta talvez sem sentido e mais uma vez muito obrigada.

Re:Mundo das partículasII

Data: 16-04-2013 | De: Marinho Lopes

Hoje em dia a parte da Relatividade Geral também continua a não ser ensinada (creio que na maioria dos cursos de Física). Acabam por ter acesso a essa informação aqueles que depois fazem uma tese, ou investigação na área.

Sim. Basicamente, o facto é que não se compreendem as rotações observadas para as galáxias, nem a expansão do universo. Supondo que a teoria actual está certa, então isso implica que seja necessário contabilizar um elemento desconhecido para compensar as discrepâncias. A outra possibilidade seria considerar que a teoria em si está errada, e de facto existem algumas tentativas teóricas de explorar essa possibilidade. Porém não têm tido muita credibilidade, porque a verdade é que colocando de parte estes exemplos (que são de certo modo extremos), a teoria funciona incrivelmente bem, o que leva os cientistas a duvidar que tal seja simplesmente uma coincidência, claro.

Faça as questões que quiser, não precisa de pedir desculpas.

Mundo das partículas- PARTE II

Data: 15-04-2013 | De: Rita de Cassia

Venho agradecer pelo artigo, esclarece algumas dúvidas, ótima explicação. Abraços

Re:Mundo das partículas- PARTE II

Data: 16-04-2013 | De: Marinho Lopes

Obrigado. Abraço.

mundo das partículas- Parte II

Data: 15-04-2013 | De: Graciete Virgínia Rietsch Monteiro Fernandes

Um bocado mais difícil, mas muito bem explicado.
Tenho uma dúvida já há bastante tempo. Não compreendo como se consegue quantificar o Universo visível, se não conhecemos a sua dimensão. Porque dizemos conhecemos 5% , mas não dizemos em relação a quê?
Mais uma vez obrigada e um abraço.

Re: mundo das partículas- Parte II

Data: 16-04-2013 | De: Marinho Lopes

Obrigado. É de facto bem mais complicado que a primeira parte, onde os conceitos são um pouco mais familiares de todos. Naturalmente, uma explicação mais completa exigiria o aprofundar de muitos outros conceitos, o que tornaria o artigo demasiado pesado, creio.

Antes de explicar as percentagens, respondo a uma outra pergunta que pode ser a dúvida de outras pessoas: para quê que "precisamos" de matéria e energia negra na teoria? Em astrofísica observacional é possível estimar a massa de um objecto através do efeito gravitacional deste e através da luz que emite (ou reflecte). A matéria negra aparece quando ambas as estimativas não estão de acordo, quando se tem um efeito gravitacional que não é explicado pela luz que recebemos. A matéria negra é então por definição matéria que não emite nem reflecte luz, mas que necessita de existir para explicar a rotação de galáxias (e não só).

Já a energia negra é como se fosse a constante cosmológica de Einstein. Einstein, na sua teoria da Relatividade Geral, teve que inventar uma constante para que quando aplicasse as suas equações à evolução do universo este se mantivesse estático (não se estivesse a expandir ou a contrair). Só mais tarde, através das medições de Hubble, se descobriu que o universo na verdade se estava a expandir, pelo que a constante que Einstein tinha introduzido nas equações não era na verdade necessária - parecia que a própria teoria tinha tentado mostrar ao Einstein a "verdade", embora este não tivesse querido acreditar. A esta constante chamou Einstein o seu maior erro.
Afinal, mais recentemente, veio-se a descobrir que o universo se está a expandir a uma taxa que não pode ser explicada simplesmente pelas equações - sempre é necessário incluir uma constante cosmológica, desta vez não para tornar o universo estático, mas sim para o colocar a expandir à taxa observada.

É com base na matemática por trás destas explicações que se podem estimar as percentagens que referi. Por outras palavras, os físicos chegam a uma relação entre a matéria negra e a matéria "normal" através da resposta à questão: "quão "grande" tem que ser a matéria negra em relação à matéria normal para explicar o que vemos?" - a resposta é cerca de 5.4 vezes (27/5 ~ 5.4). Do mesmo modo, "quão grande tem que ser a energia negra em relação à matéria (negra e normal) para explicar a expansão do universo?" - a resposta é cerca de 2.1 vezes (68/(27+5) ~ 2.1).

Abraço.

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