Partícula elementar
Na física de partículas, uma partícula elementar ou partícula fundamental é uma partícula subatômica que não é composta de outras partículas. Partículas atualmente consideradas elementares incluem elétrons, os férmions fundamentais (quarks, léptons, antiquarks e antiléptons, que geralmente são partículas de matéria e partículas de antimatéria), bem como os bósons fundamentais (bósons de calibre e o bóson de Higgs), que geralmente são partículas de força que medeiam interações entre férmions. Uma partícula contendo duas ou mais partículas elementares é uma partícula composta.
A matéria comum é composta de átomos, uma vez presumidos como partículas elementares - atomos significando "incapaz de ser cortado" em grego - embora a existência do átomo tenha permanecido controversa até cerca de 1905, já que alguns físicos importantes consideravam as moléculas como ilusões matemáticas e a matéria como, em última análise, composta de energia. Os constituintes subatômicos do átomo foram identificados pela primeira vez no início da década de 1930; o elétron e o próton, juntamente com o fóton, a partícula da radiação eletromagnética. Naquela época, o recente advento da mecânica quântica estava alterando radicalmente a concepção de partículas, pois uma única partícula poderia aparentemente abranger um campo como uma onda, um paradoxo que ainda escapa a uma explicação satisfatória.
Através da teoria quântica, descobriu-se que prótons e nêutrons continham quarks – quarks up e quarks down – agora considerados partículas elementares. E dentro de uma molécula, os três graus de liberdade do elétron (carga, spin, orbital) podem se separar através da função de onda em três quasipartículas (hólon, spinon e orbiton). No entanto, um elétron livre – aquele que não orbita um núcleo atômico e, portanto, carece de movimento orbital – parece indivisível e permanece considerado como uma partícula elementar.
Por volta de 1980, o status de uma partícula elementar como de fato elementar - um constituinte final da substância - foi descartado em grande parte por uma perspectiva mais prática, incorporada na física de partículas. Modelo Padrão, conhecido como a teoria experimentalmente mais bem-sucedida da ciência. Muitas elaborações e teorias além do Modelo Padrão, incluindo a supersimetria, dobram o número de partículas elementares ao supor que cada partícula conhecida se associa a uma "sombra" parceiro muito mais massivo, embora todos esses superparceiros permaneçam desconhecidos. Enquanto isso, um bóson elementar mediando a gravitação – o gráviton – permanece hipotético.
Visão geral
Todas as partículas elementares são bósons ou férmions. Essas classes se distinguem por suas estatísticas quânticas: os férmions obedecem às estatísticas de Fermi-Dirac e os bósons obedecem às estatísticas de Bose-Einstein. Seu spin é diferenciado por meio do teorema da estatística do spin: é semi-inteiro para férmions e inteiro para bósons.
| Partículas elementares | |||||||||||||||||||||||||||||
| Fermions elementaresRodada de meio inteiroObedeça às estatísticas de Fermi–Dirac | Bosão elementarRota de inteiroObedeça às estatísticas de Bose–Einstein | ||||||||||||||||||||||||||||
| Quarks e antiquarksSpin = 1/2Tem carga de corParticipar em interações fortes | Leptons e antileptonsSpin = 1/2Sem carga de corInterações eletrofracas | Bósons de calibreSpin = 1, 2[‡] Transportadores de força | Bósons ScalarSpin = 0 | ||||||||||||||||||||||||||
Três gerações
| Três gerações
| Quatro tipos
| Um tipo Higgs boson ( H. H. H.0 ) | ||||||||||||||||||||||||||
Observações:
[†] Um antielétron (
e +
) é convencionalmente chamado de "pósitron".
[‡] Todos os bósons portadores de força conhecidos têm spin = 1. O gráviton hipotético tem spin = 2; não se sabe se é um bóson de calibre também.
No Modelo Padrão, as partículas elementares são representadas para utilidade preditiva como partículas pontuais. Embora extremamente bem-sucedido, o Modelo Padrão é limitado por sua omissão de gravitação e tem alguns parâmetros adicionados arbitrariamente, mas inexplicados.
Abundância cósmica de partículas elementares
De acordo com os modelos atuais de nucleossíntese do big bang, a composição primordial da matéria visível do universo deveria ser de cerca de 75% de hidrogênio e 25% de hélio-4 (em massa). Os nêutrons são compostos de um quark up e dois quarks down, enquanto os prótons são compostos de dois quarks up e um quark down. Como as outras partículas elementares comuns (como elétrons, neutrinos ou bósons fracos) são tão leves ou tão raras quando comparadas aos núcleos atômicos, podemos negligenciar sua contribuição de massa para a massa total do universo observável. Portanto, pode-se concluir que a maior parte da massa visível do universo consiste em prótons e nêutrons, que, como todos os bárions, por sua vez consistem em quarks up e quarks down.
Algumas estimativas indicam que existem aproximadamente 1080 bárions (quase inteiramente prótons e nêutrons) no universo observável.
O número de prótons no universo observável é chamado de número de Eddington.
Em termos de número de partículas, algumas estimativas indicam que quase toda a matéria, excluindo a matéria escura, ocorre em neutrinos, que constituem a maioria dos cerca de 1086 partículas elementares de matéria que existem no universo visível. Outras estimativas indicam que cerca de 1097 partículas elementares existem no universo visível (não incluindo matéria escura), principalmente fótons e outros portadores de força sem massa.
Modelo padrão
O Modelo Padrão da física de partículas contém 12 sabores de férmions elementares, mais suas antipartículas correspondentes, bem como bósons elementares que medeiam as forças e o bóson de Higgs, que foi relatado em 4 de julho de 2012, como provavelmente detectado por os dois principais experimentos no Grande Colisor de Hádrons (ATLAS e CMS). O Modelo Padrão é amplamente considerado uma teoria provisória em vez de verdadeiramente fundamental, uma vez que não se sabe se é compatível com a relatividade geral de Einstein. Podem existir partículas elementares hipotéticas não descritas pelo Modelo Padrão, como o gráviton, a partícula que carregaria a força gravitacional, e as sparticles, parceiros supersimétricos das partículas ordinárias.
Férmions fundamentais
Os 12 férmions fundamentais são divididos em 3 gerações de 4 partículas cada. Metade dos férmions são léptons, três dos quais têm uma carga elétrica de -1, chamada de elétron (
e−
), o muon (
μ−
) e o tau (
τ-
); os outros três léptons são neutrinos (
ν
e,
ν
μ,
ν
τ), que são os únicos férmions elementares sem carga elétrica nem colorida. As seis partículas restantes são quarks (discutidos abaixo).
Gerações
| Leptons | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Primeira geração | Segunda geração | Terceira geração | |||
| Nome | Símbolo | Nome | Símbolo | Nome | Símbolo |
| elétron | e- Sim. | Muon. | μ- Sim. | Tau. | ?- Sim. |
| elétrons neutrinos | Processo e | São Paulo | Processo μ | O que é isso? | Processo ? |
| Quarks | |||||
| Primeira geração | Segunda geração | Terceira geração | |||
| para cima quark | u | charme quark | c | top quark | ) |
| para baixo quark | D | estranho quark | S | quark inferior | b) |
Massa
A tabela a seguir lista as massas medidas atuais e as estimativas de massa para todos os férmions, usando a mesma escala de medida: milhões de elétron-volts relativos ao quadrado da velocidade da luz (MeV/c2). Por exemplo, a massa de quark conhecida com mais precisão é a do quark top (
t
) em 172,7 GeV/c2 ou 172700 MeV/c2, estimado usando o On-shell esquema.
| Símbolo de partículas | Nome da partícula | Valor de massa | Esquema de estimativa em massa (ponto) |
|---|---|---|---|
Processo e, Processo μ, Processo ? | Neutro (qualquer tipo) | < 2 eV/c2 | |
e- Sim. | Eletrodomésticos | 0,511 MeV/c2 | |
u | Subir quark | 1.9 MeV/c2 | MSbar esquema (μMS = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 2 GeV) |
D | Down quark | 4.4 MeV/c2 | MSbar esquema (μMS = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 2 GeV) |
S | Estranho quark | 87 MeV/c2 | MSbar esquema (μMS = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 2 GeV) |
μ- Sim. | Muon (Mu lepton) | 105.7 MeV/c2 | |
c | Charme quark | 1320 MeV/c2 | MSbar esquema (μMS = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = mc) |
?- Sim. | Tauon (tau lepton) | 1780 MeV/c2 | |
b) | Parte inferior | 4240 MeV/c2 | MSbar esquema (μMS = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = mb)) |
) | Top quark | 172700MeV/c2 | Esquema de bordo |
As estimativas dos valores das massas dos quarks dependem da versão da cromodinâmica quântica usada para descrever as interações dos quarks. Os quarks estão sempre confinados em um envelope de glúons que conferem massa muito maior aos mésons e bárions onde os quarks ocorrem, de modo que os valores das massas dos quarks não podem ser medidos diretamente. Como suas massas são muito pequenas em comparação com a massa efetiva dos glúons circundantes, pequenas diferenças no cálculo fazem grandes diferenças nas massas.
Antipartículas
Há também 12 antipartículas fermiônicas fundamentais que correspondem a essas 12 partículas. Por exemplo, o antielétron (pósitron)
e+
é a antipartícula do elétron e tem uma carga elétrica de +1.
| Antileptons | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Primeira geração | Segunda geração | Terceira geração | |||
| Nome | Símbolo | Nome | Símbolo | Nome | Símbolo |
| Sim. | e+ | Antimuon | μ+ | anti-roubo | ?+ |
| elétron antineutro | Processo e | muon antineutrino | Processo μ | tau antineutro | Processo ? |
| Antiquartos | |||||
| Primeira geração | Segunda geração | Terceira geração | |||
| para cima antiquark | u | charme antiquark | c | antiquarto superior | ) |
| para baixo antiquark | D | antiquark estranho | S | antiquarto inferior | b) |
Quarks
Quarks e antiquarks isolados nunca foram detectados, fato explicado pelo confinamento. Cada quark carrega uma das três cargas coloridas da interação forte; antiquarks também carregam anticor. Partículas carregadas de cor interagem via troca de glúons da mesma forma que partículas carregadas interagem via troca de fótons. No entanto, os próprios glúons são carregados com cores, resultando em uma amplificação da força forte à medida que as partículas carregadas com cores são separadas. Ao contrário da força eletromagnética, que diminui à medida que as partículas carregadas se separam, as partículas carregadas de cor sentem uma força crescente.
No entanto, partículas carregadas de cor podem se combinar para formar partículas compostas de cor neutra chamadas hádrons. Um quark pode emparelhar-se com um antiquark: o quark tem uma cor e o antiquark tem a anticor correspondente. A cor e a anticor se anulam, formando um méson de cor neutra. Alternativamente, três quarks podem existir juntos, um quark sendo "vermelho", outro "azul", outro "verde". Esses três quarks coloridos juntos formam um bárion de cor neutra. Simetricamente, três antiquarks com as cores "antired", "antiblue" e "antiverde" pode formar um antibário de cor neutra.
Os quarks também carregam cargas elétricas fracionárias, mas, como estão confinados em hádrons cujas cargas são todas integrais, as cargas fracionárias nunca foram isoladas. Observe que os quarks têm cargas elétricas de +2⁄3 ou −1⁄3, enquanto os antiquarks têm cargas elétricas correspondentes de −2⁄3 ou +1⁄3.
A evidência da existência de quarks vem do espalhamento inelástico profundo: disparar elétrons nos núcleos para determinar a distribuição de carga dentro dos núcleons (que são bárions). Se a carga for uniforme, o campo elétrico ao redor do próton deve ser uniforme e o elétron deve se espalhar elasticamente. Elétrons de baixa energia se espalham dessa maneira, mas, acima de uma determinada energia, os prótons desviam alguns elétrons em grandes ângulos. O elétron recuado tem muito menos energia e um jato de partículas é emitido. Essa dispersão inelástica sugere que a carga do próton não é uniforme, mas dividida entre partículas carregadas menores: quarks.
Bosons fundamentais
No Modelo Padrão, os bósons vetoriais (spin-1) (glúons, fótons e os bósons W e Z) medeiam as forças, enquanto o bóson de Higgs (spin-0) é responsável pela massa intrínseca das partículas. Os bósons diferem dos férmions no fato de que múltiplos bósons podem ocupar o mesmo estado quântico (princípio de exclusão de Pauli). Além disso, os bósons podem ser elementares, como os fótons, ou uma combinação, como os mésons. O spin dos bósons são inteiros em vez de meios inteiros.
Glúons
Os glúons medeiam a interação forte, que se juntam aos quarks e, assim, formam hádrons, que são bárions (três quarks) ou mésons (um quark e um antiquark). Prótons e nêutrons são bárions, unidos por glúons para formar o núcleo atômico. Assim como os quarks, os glúons exibem cor e anticor – sem relação com o conceito de cor visual e sim com a propriedade das partículas. interações fortes – às vezes em combinações, ao todo oito variações de glúons.
Bosons eletrofracos
Existem três bósons de gauge fracos: W+, W− e Z0; estes medeiam a interação fraca. Os bósons W são conhecidos por sua mediação no decaimento nuclear: o W- converte um nêutron em um próton e depois decai em um par elétron e elétron-antineutrino. O Z0 não converte sabor de partícula ou cargas, mas muda o momento; é o único mecanismo de dispersão elástica de neutrinos. Os bósons de calibre fraco foram descobertos devido à mudança de momento nos elétrons da troca de neutrino-Z. O fóton sem massa medeia a interação eletromagnética. Esses bósons de quatro calibres formam a interação eletrofraca entre as partículas elementares.
Bóson de Higgs
Embora as forças fraca e eletromagnética pareçam bastante diferentes para nós nas energias cotidianas, teoricamente, as duas forças se unem como uma única força eletrofraca em altas energias. Esta previsão foi claramente confirmada por medições de seções transversais para espalhamento de elétron-próton de alta energia no colisor HERA em DESY. As diferenças em baixas energias são consequência das altas massas dos bósons W e Z, que por sua vez são consequência do mecanismo de Higgs. Através do processo de quebra espontânea de simetria, o Higgs seleciona uma direção especial no espaço eletrofraco que faz com que três partículas eletrofracas fiquem muito pesadas (os bósons fracos) e uma fique com uma massa de repouso indefinida por estar sempre em movimento (o fóton).. Em 4 de julho de 2012, após muitos anos de busca experimental por evidências de sua existência, foi anunciado que o bóson de Higgs foi observado no Grande Colisor de Hádrons do CERN. Peter Higgs, que primeiro postulou a existência do bóson de Higgs, estava presente no anúncio. Acredita-se que o bóson de Higgs tenha uma massa de aproximadamente 125 GeV. A significância estatística desta descoberta foi relatada como 5 sigma, o que implica uma certeza de aproximadamente 99,99994%. Na física de partículas, esse é o nível de significância necessário para rotular oficialmente as observações experimentais como uma descoberta. A pesquisa sobre as propriedades da partícula recém-descoberta continua.
Gráviton
O gráviton é uma partícula elementar hipotética de spin-2 proposta para mediar a gravitação. Embora permaneça desconhecido devido à dificuldade inerente à sua detecção, às vezes é incluído em tabelas de partículas elementares. O gráviton convencional não tem massa, embora existam alguns modelos contendo grávitons Kaluza-Klein massivos.
Além do modelo padrão
Embora a evidência experimental confirme de forma esmagadora as previsões derivadas do Modelo Padrão, alguns de seus parâmetros foram adicionados arbitrariamente, não determinados por uma explicação particular, que permanecem misteriosos, por exemplo, o problema da hierarquia. As teorias além do Modelo Padrão tentam resolver essas deficiências.
Grande unificação
Uma extensão do Modelo Padrão tenta combinar a interação eletrofraca com a interação forte em uma única 'grande teoria unificada' (INTESTINO). Tal força seria espontaneamente dividida em três forças por um mecanismo semelhante ao de Higgs. Essa quebra é teorizada para ocorrer em altas energias, tornando difícil observar a unificação em um laboratório. A previsão mais dramática da grande unificação é a existência dos bósons X e Y, que causam o decaimento do próton. A não observação do decaimento do próton no observatório de neutrinos Super-Kamiokande exclui os GUTs mais simples, incluindo SU(5) e SO(10).
Supersimetria
A supersimetria estende o Modelo Padrão adicionando outra classe de simetria ao Lagrangeano. Essas simetrias trocam partículas fermiônicas por bosônicas. Tal simetria prevê a existência de partículas supersimétricas, abreviadas como partículas, que incluem os sleepons, squarks, neutralinos e charginos. Cada partícula no Modelo Padrão teria um superparceiro cuja rotação difere em 1⁄2 da partícula comum. Devido à quebra da supersimetria, as partículas são muito mais pesadas do que suas contrapartes comuns; eles são tão pesados que os colisores de partículas existentes não seriam poderosos o suficiente para produzi-los. Alguns físicos acreditam que as partículas serão detectadas pelo Grande Colisor de Hádrons do CERN.
Teoria das cordas
A teoria das cordas é um modelo de física segundo o qual todas as "partículas" que compõem a matéria são compostos de cordas (medidas no comprimento de Planck) que existem em um universo de 11 dimensões (de acordo com a teoria M, a versão principal) ou de 12 dimensões (de acordo com a teoria F). Essas cordas vibram em diferentes frequências que determinam massa, carga elétrica, carga de cor e rotação. Uma "corda" pode ser aberto (uma linha) ou fechado em um loop (uma esfera unidimensional, ou seja, um círculo). À medida que uma corda se move pelo espaço, ela varre algo chamado planilha do mundo. A teoria das cordas prevê 1 a 10-branas (uma 1-brana sendo uma corda e uma 10-brana sendo um objeto de 10 dimensões) que evitam rasgos no "tecido" do espaço usando o princípio da incerteza (por exemplo, o elétron que orbita um átomo de hidrogênio tem a probabilidade, embora pequena, de estar em qualquer outro lugar do universo a qualquer momento).
A teoria das cordas propõe que nosso universo é apenas uma 4-branas, dentro da qual existem as 3 dimensões espaciais e a 1 dimensão temporal que observamos. As 7 dimensões teóricas restantes são muito pequenas e enroladas (e muito pequenas para serem macroscopicamente acessíveis) ou simplesmente não existem/não podem existir em nosso universo (porque existem em um esquema maior chamado "multiverso" fora nosso universo conhecido).
Algumas previsões da teoria das cordas incluem a existência de contrapartes extremamente massivas de partículas comuns devido a excitações vibracionais da corda fundamental e a existência de uma partícula de spin-2 sem massa se comportando como o gráviton.
Tecnicolor
As teorias do Technicolor tentam modificar o Modelo Padrão de forma mínima, introduzindo uma nova interação do tipo QCD. Isso significa que adicionamos uma nova teoria dos chamados Techniquarks, interagindo por meio dos chamados Technigluons. A ideia principal é que o bóson de Higgs não é uma partícula elementar, mas um estado ligado desses objetos.
Teoria do préon
De acordo com a teoria dos préons, existem uma ou mais ordens de partículas mais fundamentais do que aquelas (ou a maioria delas) encontradas no Modelo Padrão. Os mais fundamentais destes são normalmente chamados de préons, que são derivados de "pré-quarks". Em essência, a teoria dos préons tenta fazer para o Modelo Padrão o que o Modelo Padrão fez para o zoológico de partículas que veio antes dele. A maioria dos modelos assume que quase tudo no Modelo Padrão pode ser explicado em termos de três a seis partículas mais fundamentais e as regras que governam suas interações. O interesse em preons diminuiu desde que os modelos mais simples foram descartados experimentalmente na década de 1980.
Teoria do acelerão
Acelerons são as partículas subatômicas hipotéticas que ligam integralmente a massa recém-descoberta do neutrino à energia escura que se acredita estar acelerando a expansão do universo.
Nesta teoria, os neutrinos são influenciados por uma nova força resultante das suas interações com os acelerões, conduzindo à energia escura. A energia escura resulta quando o universo tenta separar os neutrinos. Pensa-se que os aceleradores interagem com a matéria com menos frequência do que com os neutrinos.