Partículas Atômicas, Subatômicas e Energia do Universo

O estudo das partículas atômicas e subatômicas é fundamental para compreender a energia quântica por várias razões:

As partículas atômicas, como prótons, nêutrons, elétrons e as subatômicas que veremos a seguir, são os blocos fundamentais da matéria. Entender suas propriedades e interações é essencial para compreender como a matéria e a energia se comportam.

No nível subatômico, as partículas não seguem as leis da física clássica, mas sim as da mecânica quântica. As partículas subatômicas interagem através das quatro forças fundamentais (gravitacional, eletromagnética, nuclear forte e nuclear fraca).

Partículas subatômicas ajudam a entender fenômenos cósmicos, como a formação de estrelas e a natureza da matéria escura e energia escura. O estudo dessas partículas é crucial para teorias como o Modelo Padrão da Física de Partículas, que descreve partículas elementares e suas interações, e para a busca por uma teoria unificada que integre a mecânica quântica com a relatividade geral.

A seguir vamos falar sobre as partículas subatômicas:

PARTÍCULAS SUBATÔMICAS

Lépton – (elétron, múon e tau). Os neutrinos também pertencem aos léptons.

Os léptons são uma classe de partículas elementares que pertencem ao modelo padrão da física de partículas. Eles são partículas fundamentais, o que significa que não são compostos por partículas menores. Os léptons são caracterizados por sua participação em interações fracas (uma das quatro forças fundamentais da natureza).

Existem seis tipos de léptons, que podem ser divididos em três gerações:

1. Primeira geração:
   • Elétron (e⁻): Partícula com carga negativa, comum em átomos.
   • Neutrino do elétron (νₑ): Partícula neutra e de massa muito pequena, associada ao elétron.
2. Segunda geração:
   • Múon (μ⁻): Semelhante ao elétron, mas com massa maior.
   • Neutrino do múon (νₘ): Associado ao múon.
3. Terceira geração:
   • Tau (τ⁻): Partícula semelhante ao elétron e ao múon, mas com massa ainda maior.
   • Neutrino do tau (νₜ): Associado ao tau.

Cada lépton tem uma antipartícula correspondente, com carga oposta; eles são importantes na estrutura da matéria e desempenham papéis fundamentais em processos como o decaimento beta e reações nucleares. Eles também são estudados em experimentos de alta energia, como os realizados no Large Hadron Collider (LHC), acelerador de partícula.

Múons

O múon é uma partícula subatômica semelhante ao elétron, mas com uma massa aproximadamente 207 vezes maior. Ele pertence à família dos léptons, que são partículas fundamentais que não sofrem a força nuclear forte. Os múons são instáveis e decaem em outras partículas, como elétrons e neutrinos, com uma vida média de cerca de 2,2 microssegundos. A descoberta do múon foi uma surpresa para os físicos na década de 1930, pelo físico Isidor Isaac Rabi.

Tau

Na física de partículas, tau (ou τ) refere-se a uma partícula subatômica chamada tauon (ou partícula tau). O tauon é uma partícula elementar que pertence à família dos léptons, assim como o elétron e o múon. Ele é a terceira geração de léptons, sendo mais massivo que o elétron e o múon.

Importância na física:

O tauon é importante no Modelo Padrão da Física de Partículas, que descreve as partículas fundamentais e suas interações. Sua descoberta, em 1975, confirmou a existência de uma terceira geração de partículas, o que foi crucial para entender a estrutura da matéria e as forças fundamentais.

Em matemática Tau (τ) é uma constante que representa a razão entre a circunferência de um círculo e seu raio. Seu valor é aproximadamente 6,28318, ou seja, τ = 2π.

Elétrons

Elétrons são partículas subatômicas com carga elétrica negativa, que orbitam o núcleo de um átomo. Eles são fundamentais para a estrutura atômica e participam de ligações químicas, condução de eletricidade e outros fenômenos físicos e químicos. Pertencem à classe dos léptons e têm uma massa muito menor que a dos prótons e nêutrons.

Os elétrons descrevem uma orbita em torno do núcleo do átomo, sendo que esta orbita é chamada de eletrosfera. Cada átomo tem características específicas com relação às suas eletrosferas, sendo que os átomos descritos na tabela periódica possuem no máximo sete eletrosferas.

Neutrino

O neutrino é uma partícula subatômica elementar pertencente ao grupo dos léptons. Ele é eletricamente neutro (não tem carga elétrica) e tem uma massa extremamente pequena, quase insignificante, em comparação com outras partículas.

Características principais dos neutrinos:

1. Massa: Os neutrinos têm massa, mas ela é muito pequena. Ainda não se sabe exatamente qual é a massa dos neutrinos, mas sabe-se que é muito menor que a de outras partículas, como o elétron.
2. Interação: Eles interagem apenas por meio da força nuclear fraca e da gravidade, não sendo afetados pela força eletromagnética ou pela força nuclear forte. Isso faz com que eles raramente interajam com outras partículas.
3. Tipos (sabores): Existem três tipos de neutrinos, associados a três partículas carregadas: Neutrino do elétron (νₑ), Neutrino do múon (νμ), Neutrino do tau (ντ).
4. Cada tipo de neutrino está associado a uma partícula específica (elétron, múon ou tau).
5. Oscilação de neutrinos: Os neutrinos podem mudar de tipo enquanto se propagam, um fenômeno conhecido como oscilação de neutrinos. Isso só é possível porque os neutrinos têm massa, mesmo que seja muito pequena.

Origem dos neutrinos

Os neutrinos são produzidos em diversos processos, como:

• Reações nucleares no Sol: O Sol emite uma enorme quantidade de neutrinos como resultado das reações de fusão nuclear.
• Decaimento radioativo: Neutrinos são emitidos em processos de decaimento beta, onde um nêutron se transforma em um próton, liberando um elétron e um neutrino.
• Explosões de supernovas: Estrelas em colapso liberam uma grande quantidade de neutrinos.
• Reatores nucleares e aceleradores de partículas: Humanos também produzem neutrinos em reatores e experimentos de física.

Importância dos neutrinos:

• Eles são fundamentais para o Modelo Padrão da Física de Partículas.
• A detecção de neutrinos ajuda a entender processos astrofísicos, como o funcionamento do Sol e as supernovas.
• O estudo dos neutrinos pode fornecer pistas sobre a matéria escura e a assimetria matéria-antimatéria no universo.

Detecção de neutrinos:

Como os neutrinos interagem muito pouco com a matéria, detectá-los é um grande desafio. Detectores enormes, como o Super-Kamiokande no Japão ou o IceCube na Antártida, são usados para capturar raros eventos de interação de neutrinos.

Hádrons

Hádrons são partículas subatômicas compostas por quarks, mantidas juntas pela força nuclear forte, uma das quatro forças fundamentais da natureza. Eles são divididos em duas categorias principais:

1. Bárions: Compostos por três quarks. Exemplos comuns incluem prótons (dois quarks “up” e um “down”) e nêutrons (dois quarks “down” e um “up”).
2. Mésons: Compostos por um quark e um antiquark. Exemplos incluem píons e káons.

Hádrons são cruciais na estrutura da matéria, com prótons e nêutrons formando os núcleos atômicos. Eles são estudados em colisões de alta energia em aceleradores de partículas, como o LHC, para entender as interações fundamentais e a estrutura da matéria.

Um antiquark é a antipartícula de um quark, que são os constituintes fundamentais dos prótons e nêutrons, partículas que formam o núcleo atômico. Assim como todas as antipartículas, o antiquark tem a mesma massa e magnitude de carga elétrica que o quark correspondente, mas com o sinal oposto (carga elétrica e outras propriedades, como o número bariônico, são invertidas).

Características dos antiquarks:

1. Carga elétrica: Se um quark tem carga elétrica positiva ou negativa, seu antiquark terá a carga oposta. Por exemplo:
   • O quark uptem carga +23+32​, e o antiquark up tem carga −23−32​.
   • O quark downtem carga −13−31​, e o antiquark down tem carga +13+31​.
2. Número bariônico: Quarks têm número bariônico +13+31​, enquanto antiquarks têm número bariônico −13−31​.
3. Interações: Antiquarks interagem por meio das mesmas forças fundamentais que os quarks: força forte, força eletromagnética, força fraca e gravidade.
4. Combinação com quarks: Antiquarks podem se combinar com quarks para formar hádrons(partículas compostas). Por exemplo:
   • Um quark e um antiquark formam um méson.
   • Três quarks formam um bárion(como prótons e nêutrons).
   • Três antiquarks formam um antibárion.
5. Aniquilação: Quando um quark encontra seu antiquark correspondente, eles podem se aniquilar, produzindo energia na forma de fótons ou outras partículas.

Mésons

Os mésons são partículas subatômicas da classe dos hádrons, compostas por um quark e um antiquark. Eles são bósons, o que significa que seguem a estatística de Bose-Einstein e têm spin inteiro. Os mésons participam das interações fortes, uma das quatro forças fundamentais da natureza e são mediadores da força nuclear entre prótons e nêutrons no núcleo atômico.

Exemplos comuns de mésons incluem o píon (π) e o káon (K). Eles foram propostos teoricamente por Hideki Yukawa em 1935 para explicar a força nuclear forte e foram descobertos experimentalmente em 1947. Os mésons têm vida curta e decaem em partículas mais leves, como elétrons, neutrinos e fótons.

Quarks são partículas elementares que constituem os blocos fundamentais da matéria. Eles são os componentes básicos de prótons e nêutrons, que por sua vez formam os núcleos atômicos. Os quarks são mantidos juntos pela força nuclear forte, mediada por glúons.

Existem seis tipos (ou “sabores”) de quarks:

1. Up (u)
2. Down (d)
3. Charm (c)
4. Strange (s)
5. Top (t)
6. Bottom (b)

Cada quark tem uma carga elétrica fracionária: os quarks up, charm e top têm carga +2/3, enquanto os quarks down, strange e bottom têm carga -1/3. Além disso, os quarks possuem uma propriedade chamada “cor”, que é uma carga de cor relacionada à força forte.

Os quarks nunca são encontrados isoladamente na natureza; eles estão sempre confinados em partículas compostas chamadas hádrons, como prótons e nêutrons (que são formados por três quarks) ou mésons (formados por um quark e um antiquark).

A existência dos quarks foi proposta por Murray Gell-Mann e George Zweig na década de 1960, e sua existência foi confirmada experimentalmente em colisões de partículas de alta energia.

As quatro forças fundamentais da natureza ou do universo:

1. Força Gravitacional: É a força de atração entre objetos com massa. Descrita pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein, ela é responsável por fenômenos como a órbita dos planetas e a formação de galáxias. É a mais fraca das quatro forças, mas age em grandes distâncias.
2. Força Eletromagnética: Atua entre partículas carregadas eletricamente, como prótons e elétrons. É responsável por fenômenos como a luz, o magnetismo e a ligação entre átomos. Descrita pela Eletrodinâmica Quântica, é muito mais forte que a gravidade.
3. Força Nuclear Forte: Mantém os prótons e nêutrons unidos no núcleo atômico, superando a repulsão eletromagnética entre os prótons. É a mais forte das quatro forças, mas atua apenas em distâncias extremamente curtas.
4. Força Nuclear Fraca: Responsável por processos como o decaimento radioativo e a fusão nuclear no Sol. Envolve a transformação de partículas subatômicas, como a conversão de nêutrons em prótons. É mediada pelos bósons W e Z.

Essas forças governam todos os fenômenos físicos no universo. A busca por uma teoria unificada, como a Teoria de Tudo, visa integrar essas forças em um único modelo teórico.

Bósons de Higgs

Os bósons de Higgs são partículas elementares propostas pelo físico Peter Higgs e outros na década de 1960, como parte do Modelo Padrão da física de partículas. Eles estão associados ao campo de Higgs, um campo de energia que permeia o universo e é responsável por conferir massa a outras partículas fundamentais, como os quarks e os léptons.

A existência do bóson de Higgs foi confirmada experimentalmente em 2012 pelo Grande Colisor de Hádrons (LHC) do CERN, na Suíça. Essa descoberta foi um marco importante na física, pois validou uma peça crucial do Modelo Padrão e ajudou a explicar como as partículas adquirem massa.

O bóson de Higgs é uma partícula instável e decai rapidamente em outras partículas após ser produzido. Sua detecção foi possível graças aos detectores altamente sensíveis do LHC, que identificaram os produtos de seu decaimento.

O Boson de Higgs é uma partícula fundamental que desempenha um papel crucial na nossa compreensão da estrutura da matéria e das forças do Universo.