Explicando o modelo padrão de partículas da Física Moderna

Por: Adílio Jorge Marques

O modelo padrão, como é conhecido o modelo vigente de partículas, é chamado por muitos Físicos de “a nova tabela periódica”, pois mostra o arranjo dos constituintes últimos da matéria de maneira simples à primeira vista. Sua importância em descrever a maioria dos fenômenos da escala microscópica atinge praticamente todas as principais áreas da Física, onde através do estudo das partículas elementares os cientistas buscam explicar desde o mais ínfimo da matéria até o macrocosmo com os elementos que o compõe (estrelas, galáxias, buracos negros, explosões de supernovas, entre tantos temas interessantes), assim como todo o Universo desde sua Criação pela hoje aceita Teoria do Big Bang.

O átomo teve uma fascinante história desde os tempos antigos ente os atomistas gregos até as atuais descobertas experimentais de altas energias. Sempre foi motivo de grandes discussões em várias etapas da história científica. Em nossa Ordem estudamos a expressão da energia espírito e os filósofos antigos e recentes, podendo acompanhar bem o breve resumo a seguir. Desde Tales de Mileto (640-562 a.C.) que se busca explicar como a matéria se formou a partir de determinados elementos. Os gregos tinham um ideal de ordem subjacente à Natureza naturada e que foi definido por Cosmos. A idéia de átomo, uma palavra também grega, foi elaborada por Demócrito (460-370 a.C.) e queria dizer “indivisível”, ou seja, o mínimo da matéria que se unia para formar tudo o que conhecemos.

A Idade Média praticamente abandona a idéia atomista, uma época muito religiosa e de domínio clerical onde a filosofia dominante era a aristotélica. Esta abominava a idéia de vazio ou vácuo, onde para Demócrito eles continuavam a existir e em contínuo movimento.

A Ciência mais parecida com o que conhecemos adquire grande impulso com a Renascença, onde principalmente destaco Leonardo Da Vinci (1452-1519) e Galileu (1564-1642). O primeiro, enquanto genial e fantástico médico, inventor, artista, engenheiro, tecnicista, entre tantas habilidades para a sua época e para a atual, e que mostrou que o homem podia dominar muito das forças naturais com o saber adquirido. Galileu é apontado por muitos como o responsável pela revolução científica, marco histórico que separa a Física antiga da atual, pois a partir dele as idéias passaram a ser também testadas experimentalmente saindo do puro mundo das idéias. Sir Isaac Newton (1642-1727), um dos maiores gênios da humanidade de todos os tempos, aceitava o atomismo sem maiores questionamentos, até porque seu maior foco de interesse estava na atração entre os corpos materiais e apenas na óptica ele aprofunda-se mais na questão, onde via a luz de forma corpuscular. A Teoria Cinética dos Gases da segunda metade do século XIX desenvolve-se a partir da idéia dos átomos e das leis newtonianas. Até o final deste século o átomo não tinha estrutura definida, mas com o desenvolvimento da Eletricidade e com os estudos em 1808 do químico Dalton (1766-1844) a idéia de átomo ganhou mais força. Mendeleev (1839-1907) listou posteriormente a tabela periódica conhecida da Química.

Joseph John Thomsom (1856-1940), em 1897, obteve a primeira evidência experimental dos elétrons e Ernest Rutherford (1871-1937) em 1911 propôs um modelo para o átomo formado pelos elétrons negativos orbitando um núcleo central de carga positiva. É de Rutherford a idéia de um modelo que é análogo ao sistema planetário e que conhecemos até hoje em muitos livros escolares ou mesmo de divulgação científica, mas que além de não funcionar fisicamente não correspondem à imagem mais real e atual do átomo quântico (semelhante a uma nuvem de elétrons com um ponto ou núcleo mais central). E por que não funcionava fisicamente? Mesmo naquela época sabia-se que cargas elétricas em órbitas circulares como os elétrons deste modelo irradiariam energia continuamente e acabariam por colapsar no núcleo em movimento espiral. Quanto ao núcleo ser predominantemente positivo não havia dúvida.

Bohr (1885-1962), baseado nos estudos de Planck (1858-1947) e Einstein (1879-1955) sobre os “pacotes” de energia ou quanta, resolveu o problema em discussão na época: como os elétrons nos átomos possuem valores definidos de energia permitidos, não conseguem irradiar continuamente até cair no núcleo. Mostrou que quando o elétron muda de órbita ele ou absorve ou emite um fóton, e, portanto a energia se conserva se levamos em conta a energia do fóton.

O ápice dessas idéias acaba por fornecer ao mundo a partir da década de 20 do século passado a Teoria Quântica, fundamental no desenvolvimento tecnológico em que estamos inseridos. Porém, outra dúvida ainda restava: por que o núcleo atômico não se separava ou desintegrava se cargas iguais (prótons) se repelem? Em 1932 Chadwick (1891-1974) começa a responder a essa questão com a descoberta do nêutron. Esta é uma partícula sem carga e que está também no núcleo dos átomos junto aos prótons.

Surge em seguida uma explicação mais definitiva para essa pergunta através da teoria de uma nova interação entre as partículas do núcleo e que passou a ser chamado de força nuclear ou força forte, força esta atrativa entre os prótons positivos e os nêutrons, mas que impera e vence a repulsão entre as cargas iguais. Lembremos o que aprendemos em Ciências: cargas iguais se repelem e cargas diferentes se atraem, do mesmo modo que os pólos de dois ímãs. Esta força forte se juntava à já conhecida força gravitacional e a também já estudada força eletromagnética, compondo um cabedal teórico de grande importância na Física chamado de quatro forças fundamentais da natureza. A teoria de unificação de todas estas forças, aliadas a força nuclear fraca derivada da desintegração do núcleo atômico (ou radioativa) e assim chamada porque é considerada fraca em relação à anterior, foi a grande busca de Einstein por toda a sua vida e até o seu leito de morte quando ainda tentava uni-las em uma grande Teoria da Unificação. Einstein não obteve sucesso, e ainda hoje se busca uma Teoria que venha unir e explicar todas as quatro forças fundamentais conjuntamente.

Em 1930 Pauli (1900-1958) postula a existência de uma partícula de dificílima detecção ao estudar o decaimento radioativo: o neutrino. Hoje ele é bem conhecido e sabe-se que é capaz de atravessar a Terra vindo através dos confins do Universo sem “esbarrar” em nenhum átomo sequer. Origina-se em grandes quantidades em explosões de supernovas e nos chegam também nos raios cósmicos, partículas de altíssima energia de origem desconhecida. Logo, na década de 30, já se conhecia o elétron (e-), o próton (p+), o nêutron (n), e o neutrino (n), começando-se, assim, a formar um “modelo de partículas” na Física.

À medida que a tecnologia de aceleração de partículas foi se desenvolvendo novas descobertas foram feitas a partir das colisões de altíssima energia com o núcleo e medindo-se a carga elétrica, a massa e o spin (o momento angular intrínseco das partículas ou seu giro). Foram usadas letras gregas para representá-las surgindo, então, os hádrons tabelados.

Suspeitou-se então que tais partículas oriundas de colisões de altíssima energia e atuantes na força forte nuclear possuiriam outros componentes ainda menores para constituí-lo. E na década de 60, Murray Gell-Mann (1929-) propõe o quark, em três formatos ou padrões indivisíveis (como na idéia de Demócrito) e que, combinados, formariam os hádrons conhecidos até então citados acima. Foram nomeados os quarks up (u), down (d) e strange (s). Por exemplo, o próton descobriu-se ser constituído pela combinação de quarks u u d. Já o nêutron pelos quarks u d d. Importante ressaltar que os quarks nunca aparecem na natureza isoladamente; estão sempre combinados com outros quarks ou antiquarks. A Teoria que descreve as interações entre os quarks é chamada cromodinâmica quântica – QCD, em inglês.

Com a idéia dos quarks define-se um padrão de constituição para a matéria definida em duas grandes classes para a maioria das partículas, e que depois se especializou ou subdividiu-se ainda mais:

• HÁDRONS: partículas não elementares, mas que são constituídas por outras ainda menores – os quarks. Os hádrons se subdividem em:

1. Mésons: partículas formadas por dois quarks, um quark e um antiquark. Exemplo: méson K+, composto por um quark up e um antiquark strange.

2. Bárions: partículas formadas por três quarks (ou antiquarks). Exemplo: prótons e nêutrons.

• LÉPTONS: partículas elementares (indivisíveis), não formadas por quarks, e que não se combinam para formar hádrons, pois não sofrem força forte nuclear. Exemplos típicos: o elétron, o neutrino e o múon.

São denominados sugestivamente de sabores os nomes dos léptons e dos quarks. Até hoje se suspeita que a maior parte da matéria constituinte fundamental do universo seja composta de léptons e quarks up e down, partículas fundamentais. O mais famoso físico brasileiro, César Lattes (1924-2005), junto com outros cientistas detectou experimentalmente o chamado méson pi (ou píon). Durante a década de 60 e até a década de 90 novas partículas foram sendo acrescidas à classificação acima e comprovadas experimentalmente, inclusive com a participação de cientistas brasileiros, como no caso do quark top em 1994/95 no acelerador de partículas do Fermilab (EUA).

E como ficou o Modelo Padrão? Temos hoje em dia seis tipos de léptons e de quarks (ou seja, seis sabores para ambos), arrumados de acordo com a massa que possuem em ordem crescente:

Tabela 1.

As partículas de interação material em seu conjunto acima são também chamadas de férmions.

AS FORÇAS E AS PARTÍCULAS DE INTERAÇÃO

Na Física Moderna as forças ou interações são transmitidas pela troca de partículas mediadoras. As quatro forças descritas na primeira parte deste trabalho (forte, gravitacional, eletromagnética e fraca) utilizam-se delas. São elas:

1 – Força Gravitacional: Sabemos que quaisquer corpos com massa se atraem, como o Sol e a Terra. Mas até o momento o GRÁVITON não foi detectado experimentalmente e por isso a interação gravitacional não está incluída no modelo padrão descrito.

2 – Força Eletromagnética: Aqui está envolvida a carga elétrica que os corpos possuem. A partícula mediadora é o FÓTON.

3 – Força Forte: Força atrativa que age nos nucleons (partículas do núcleo atômico). É atrativa para todas as combinações de prótons e nêutrons. Age sobre os quarks, e a partícula mediadora chama-se GLÚON (nome cuja origem vem do inglês glue – cola). Os glúons (g) são dotados de uma propriedade chamada carga forte (ou cor na terminologia física) e que desempenha o papel similar ao da carga elétrica, podendo então interagir entre si.

4 – Força Fraca: é responsável pelo decaimento radioativo. Interage com os neutrinos (que não tem carga elétrica e talvez não possuam massa). As partículas mediadoras desta interação são os ainda procurados experimentalmente BÓSONS DE HIGGS, e partículas como W+, W-, Z0. As partículas responsáveis pela interação das forças são conhecidas por bósons.

Desta forma, a nova Física, ou a chamada Física Moderna, através do estudo das partículas que constituem a matéria, acabou por alicerçar todo o conhecimento tecnológico atual e do futuro que nos reserva.

LEITURA RECOMENDADA & BIBLIOGRAFIA

• Caruso, F. & Santoro, A.; Do Átomo Grego à Física das interações Fundamentais; Rio de Janeiro: AIAFEX; 1994.

• Brennan, R.; Gigantes da Física – Uma história da Física moderna através de oito biografias; Rio de Janeiro: Jorge Zahar Editor; 1998.

• Natale, Adriano A. & Vieira, Cássio L.; O Universo sem Mistério – Uma visão descomplicada da Física contemporânea: do Big Bang às partículas; Rio de Janeiro: Ed. Vieira & Lent; 2003.

• Sites recomendados:


http://www.pbs.org/wgbh/nova/elegant/part-nf.html

http://timeline.aps.org

http://www.aventuradasparticulas.ift.unesp.br/

*Adílio Jorge Marques é professor de Física e História da Ciência da rede pública e particular de ensino do Rio de Janeiro. Pesquisador em História da Ciência no mundo luso-brasileiro e história das Tradições.