AS QUATRO FORÇAS FUNDAMENTAIS DA NATUREZA

PRÓLOGO

Em ciência, um estudo completa o outro. Assim, a fim de entendermos um pouco sobre as forças que atuam no universo, encontrei um bom material e o adaptei a este blog.

Espero poder contribuir um pouco para a compreensão daqueles que desejam ter uma visão científica do universo no que se refere as suas origens e ao seu funcionamento.

extraído de:

http://www.geocities.com/angolano/Astronomy/Astronomia/ForcasFundamentais.html

(Adaptado dum artigo na revista inglesa "Astronomy Now" por Iain Nicolson)

http://members.tripod.com/~titanic_devil/particle_physics/classifica_particulas.html

http://www.ufsm.br/gef/FNintr.htm

http://www.fsc.ufsc.br/~canzian/particulas/texto1.html

1 - INTRODUÇÃO:

As interacções entre partículas sub-atómicas, e o comportamento em larga escala de matéria por todo o universo, são determinadas por quatro forças fundamentais.

2 - AS FORÇAS FUNDAMENTAIS:

Há quatro forças fundamentais dentro de todos os átomos, que determinam as interacções entre as partículas individuais e o comportamento em larga escala, de toda a matéria no universo. Estas são a força nuclear forte, a força nuclear fraca, a força electromagnética e a força de gravidade.

3 - INTENSIDADES DAS FORÇAS

Os fenômenos do mundo material são descritos introduzindo-se uma variedade de forças diferentes como a força peso, a força de atrito entre superfícies secas, a força de viscosidade, a força normal, as forças elásticas de deformação dos corpos e a força eletrostática (coulombiana), só para citar alguns exemplos. Contudo, descrevendo-se os fenômenos em termos de seus componentes microscópicos básicos e suas interações mútuas, aquela variedade de forças pode ser compreendida em termos de apenas quatro interações fundamentais: a gravitacional, a nuclear fraca, a eletromagnética e a nuclear forte, e as suas intensidades em relação àquela da nuclear forte são:

Nuclear Forte 1
Eletromagnética 10^-2
Nuclear Fraca 10^-14
Gravitacional 10^-37

http://www.geocities.com/angolano/Astronomy/Images/nuclearforces.jpg

3.1 - A GRAVIDADE

A Gravidade é uma força de atração que atua entre absolutamente todas as partículas no universo. É sempre atrativa, nunca repulsiva. Esta força junta a matéria, é responsável por você ter peso, por maçãs caírem das árvores, por manter a Lua na sua órbita à volta da Terra, os planetas confinados nas suas órbitas à volta do Sol, e por segurar galáxias em grupos.

A interação gravitacional é responsável pelas estruturas muito grandes, como as galáxias, sistemas planetários e estelares. Na experiência cotidiana, a interação gravitacional aparece como o peso dos corpos.

A interação entre dois corpos de massas M e m separadas por uma distância r, foi estudada por I. Newton e expressa em forma de equação pela primeira vez em 1687 como sendo dada pela força :

F=G M m/ r^2

onde G=6,67 x 10-11 N m2 /kg 2 é denominada constante da gravitação universal, e acredita-se que seja a mesma em qualquer parte do Universo.

3.2 - A FORÇA ELECTROMAGNÉTICA

A força electromagnética determina as maneiras em que partículas com carga eléctrica interactuam umas com as outras, e com campos magnéticos. Esta força pode ser atrativa ou repulsiva. Cargas eléctricas com o mesmo sinal (duas positivas ou duas negativas) repelem-se; com sinais diferentes atraem-se.A força electromagnética segura os electrões [cargas negativas] nas suas orbitais, à volta do núcleo [carga positiva] do átomo. Esta força mantem os átomos em existencia.A força electromagnética controla o comportamento de partículas com carga eléctrica e de plasmas (um plasma é uma mistura de quantidades iguais de iões positivos e electrões, negativos) como, por exemplo, em proeminencias solares, laços coronais, luminancias, e outros tipos de actividade solar.A força electromagnética também governa a emissão e absorpção de luz e outras formas de radiação electromagnética. Luz é emitida quando uma partícula com carga eléctrica é acelerada (por exemplo, quando um electrão passa perto dum ião, ou interactua com um campo magnético) ou quando um electrão desce dum nível de energia mais alto para um mais baixo, num átomo (duma 'órbita' afastada para uma 'órbita' próxima à volta do núcleo do átomo).

A interação eletromagnética é responsável pelas propriedades gerais dos átomos e das moléculas, dos sistemas em que átomos e moléculas aparecem agregados em líquidos e sólidos, e pelas propriedades químicas das substâncias. Na experiência cotidiana, a interação eletromagnética aparece como o atrito, a normal, a viscosidade e as forças elásticas.

3.3- A FORÇA NUCLEAR FORTE

A força nuclear forte une protões e neutrões para formar um núcleo atómico e proíbe a repulsão entre protões, carregados positivamente, evitando assim a sua dispersão. A interacção nuclear forte entre protões e neutrões acredita-se que seja um vestígio duma outra força forte básica (que se chama a 'força de côr') que une os quarks em grupos de tres para fazer protões e neutrões.Por causa da força forte unir as partículas nucleares com tanta adesão, dá-se uma libertação de quantidades enormes de energia quando núcleos leves são fundidos (reação de fusão nuclear) ou quando núcleos pesados são desfeitos (reação de fissão nuclear). A interacção da força nuclear forte é a fonte básica das quantidades vastas de energia que são libertadas pelas reações nucleares que alimentam as estrelas.

3.4- A FORÇA NUCLEAR FRACA

A força nuclear fraca causa a degradação radioactiva de certos núcleos atómicos. Em particular, esta força governa o processo chamado declínio beta no qual um neutrão divide-se espontâneamente num protão, um electrão e um anti-neutrino. Se um neutrão dentro dum núcleo atómico decair desde modo, o núcleo emite um electrão (doutro modo também conhecido como uma partícula beta) e o neutrão transforma-se num protão. Isto aumenta (por um) o número de protões nesse núcleo, mudando assim o seu número atómico e transformando-o no núcleo dum elemento químico diferente.A força nuclear fraca é responsável por sintetizar elementos químicos diferentes no interior de estrelas e em explosões de supernovas, através de processos que involvem a captura e decaímento de neutrões.Um neutrão é estável (não é radioactivo), e tem vida longa, quando confinado dentro do núcleo atómico. Uma vez que removido do núcleo atómico, um neutrão livre sofrerá decaímento beta, tipicamente em cerca de vinte minutos. O processo de decaímento beta, em reverso, ocorre nos interiores de estrelas em colapso de supernovas, quando protões e neutrões se fundem juntos para criarem as vastas quantidades de neutrões que abundam como produto final do colapso - uma estrela de neutrões.

A interação nuclear fraca ou, simplesmente, interação fraca, é responsável pela transformação espontânea de prótons em nêutrons (desintegração b positiva) e de nêutrons em prótons (desintegração b negativa).

3.4.1- AS FORÇAS de INFLUENCIA LONGÍNQUA e de INFLUÊNCIA PRÓXIMA

As interacções nucleares fraca e forte, são efectivas sómente sobre distancias extremamente curtas. O alcance da força forte é cerca de 10e-15 metros e o da força fraca é de 10e-17 metros.Em contraste, as interacções electromagnética e gravitacional são forças com alcance distante, sendo a sua potencia inversamente proporcional ao quadrado da distancia. Isto quer dizer que se a distancia for dupla a potencia destas forças é reduzida por um factor de quatro. Em princípio, a força gravitacional entre duas massas, ou a força electromagnética entre duas partículas carregadas eléctricamente, não se reduz completamente a zero até a separação entre as massas ou as partículas, fique infinita.A gravitação é a mais fraca das forças em termos de potencias das várias interacções entre partículas individuais (em ordem decrescente em potencia, as forças são: a força nuclear forte, a força electromagnética, a força nuclear fraca, e a gravitação). Por exemplo, a repulsão electro-estática entre dois protões é 10e36 vezes (um trilião, trilião) maior do que a sua atração gravitacional mutual!No entanto, por causa das forças nucleares terem uma potencia com um alcance tão microscópico, e a matéria em escalas grandes tende a ser eléctricamente neutra, a gravitação é a força que governa o movimento de corpos celestes como planetas, estrelas e galáxias.

A interação nuclear forte ou, simplesmente, interação nuclear, é responsável por quase todas as propriedades dos núcleos atômicos mas não produz efeitos diretamente observáveis na experiência cotidiana.

5 - A NATUREZA DAS FORÇAS

Segundo as teorias modernas de quantum, as várias forças fundamentais são transmitidas entre partículas reais por meio de partículas virtuais (partículas que não podem ser detectadas diretamente mas cuja existencia temporária é permitida pelo princípio físico chamado o princípio de incerteza de Heisenberg. As partículas que transmitem a força (que são conhecidas como bosões calibradores) para cada uma das forças são os seguintes: na força electromagnética - fotões; na interacção nuclear fraca - partículas muito massiças 'W' e 'Z' (bosões de vector intermediário); na interacção nuclear forte - entre nucleões, por mesões e entre quarks, por gluões.Embora não tenho sido possível ainda conceber uma teoria completamente satisfactória de gravitação que explique o comportamento da gravidade duma maneira semelhante, acredita-se no entanto que a gravitação, também, virá a ter a sua própria partícula que transmite a força de gravidade - o gravitão.

6 - AS FORÇAS UNIFICADAS

Nas temperaturas e energias que existem no universo do presente, as quatro forças são distintas umas das outras e têm potências diferentes. Em energias muito altas, contudo, a situação muda.Nas energias mais altas alcançáveis com os aceleradores actuais de partículas (as quais correspondem a temperaturas de cerca de 10e15 graus Kelvin), as forças fraca e electromagnética perdem as suas identidades separadas e unificam-se numa única força electro-fraca. Segubdo o que se chamam as Grandes Teorias Unificadas (Grand Unified Theories - GUTs, em inglês), as forças forte e electromagnética comportar-se-ão como uma única força unificada em energias e temperaturas que são cerca dum trilião de vezes mais altas ainda (isto está muito para além da tecnologia presente na Terra).Embora uma teoria completa ( uma teoria de tudo, em inglês, "Theory of Everything - TOE") que abrange todas as quatro forças não tenha sido ainda alcançada; muitos cientistas de física acreditam que a níveis de energia ainda mais altos, a gravitação unir-se-á com as outras formando uma única 'superforça'. Se esta hipótese está correta, então, durante os primeiros instantes do 'big bang', o universo era dominado pela superforça unificada. De aí em diante, conforme o universo expandiu e arrefeceu (e as energias das partículas deminuíram), as forças separaram-se e adquiriram as suas identidades individuais, a gravitação a cerca de 10e-43 segundos depois do começo do tempo, a força forte a cerca de 10e-35 segundos, e as forças fraca e electromagética a cerca de 10e-11 segundos.Os Cosmologistas, que se ocupam com a origem, evolução e as estructuras de grande escala do universo inteiro fundamentam-se no trabalho dos físicos que estudam partículas de alta energia para tentarem explicar os estágios-chave na evolução do universo. Por não haver na Terra maneira de se poderem fazer experiências que possam gerar as energias tremendas que são necessárias para testar directamente as Grandes Teorias Unificadas, os físicos que estudam partículas de alta energia procuram observações cosmológicas para tentarem verificar a veracidade, ou doutro modo, das suas teorias. O mundo microscópico de partículas de alta energia e forças fundamentais está inextricávelmente ligado ao mundo das largas escalas de astrofísica e cosmologia.

7 - AS PARTÍCULAS

Uma primeira ideia é importante reter: as coisas que digo de seguida são referentes às partículas possíveis no universo e não ao que existe à nossa volta. Isto quer dizer que todas as partículas e nomenclaturas que existem referem-se aos estados da energia-matéria possíveis em todo o universo, mas neste nosso cantinho a que chamamos Terra e em todo o espaço seu circundante não existem a maior parte das partículas e das formas de matéria previstas pela Física de Partículas.
Um dos maiores esforços desta ciência foi a de catalogar e ordenar as partículas todas que podem ser formadas nas mais diversas reacções. Este trabalho ainda não está bem completo, pois, apesar de já se ter construido o Standard Model (Modelo Standard), ainda há falhas nas teorias e partículas por descobrir.
Assim os físicos organizaram as partículas já descobertas, por exemplo, segundo as forças e campos a que estão sujeitas e que as influenciam e segundo o seu spin (momento angular) ou velocidade de rotação.

Classificação por forças a que estão sujeitas:

1- Hadrons

1.1- Barions

1.1.1- Estáveis

1.1.1.1 - Protons

1.1.1.2 - Neutrons

1.1.2 -Hiperons

1.1.2.1 - Sigma

1.1.2.2 - Xi

1.1.2.3 - Omega

1.1.2.4 - Lambda

1.2- Mesons

1.2.1 - Pions

1.2.2 - Kaons

2- Leptons

2.1 - Eletrons

2.2 - Muons

2.3 - Taons

2.4 - Neutrinos

7.1 - Hadrões

Os Hadrões são partículas elementares que interagem segundo a Força Nuclear Forte. Esta é a força que não só mantém os protões e neutrões coesos, formando núcleos atómicos, mas também é responsável pelo comportamento dos hadrões quando partículas de alta energia colidem com os núcleos (ver Aceleradores de Partículas). As outras forças fundamentais naturais (o Electromagnetismo, a Gravidade e a Força Nuclear Fraca) também influenciam o comportamento dos Hadrões.
Todos os Hadrões são Fermiões, ou seja, obedecem ao princípio de exclusão de Pauli e têm spins representando metade de um número inteiro multiplicado por uma constante h.
Os Hadrões são efectivamente formados por quarks, e as suas variedades dependem do tipo de quarks que os formam.
Todos os hadrões, excepto os protões e o neutrões, são instáveis e sofrem degradação formando outros hadrões.
Os Hadrões são agrupados em duas classes: os Bariões e os Mesões.
Bariões
São uma classe de partículas elementares mais pesadas, que incluem os protões e neutrões (núcleos atómicos estáveis em geral) e os mais pesados e instáveis hiperões (que se degradam até formarem partículas mais estáveis): as partículas lambda, sigma, xi e omega. Estes últimos degradam-se até formarem nucleões.
Estas partículas são Hadrões, ou seja, interagem segundo a Força Nuclear Forte, como já referido atrás.
Os Bariões são constituidos de três quarks e os antibariões (antipartículas dos bariões) são constituidos por três antiquarks.
Os Bariões estáveis são os protões e os neutrões. Os Hiperões são partículas instáveis, ou seja, têm um tempo de vida média muito curto, a partir do qual se transformam em partículas estáveis (protões e neutrões). Estes Hiperões só são originados em colisões de partículas de alta energia com núcleos atómicos.
A lei de conservação dos Bariões, uma lei fundamental da física, diz que em qualquer interacção de partículas elementares, a soma dos bariões permanece sempre constante. Os Bariões são convencionados com o número +1, os antibariões –1 e as partículas que não são bariões 0. No entanto, de acordo com as teorias do campo unificado, o número de bariões por não se conservar a energias extremamente altas ou durante enormes períodos.

7.2 -Mesões

Os mesões são os piões e os kaões, que são mais leves que os restantes Hadrões. No entanto os mesões podem ser mais pesados, tendo massas que vão desde uma massa de um protão até três das mesmas.
Os mesões são constituídos por um quark e um antiquark. Por isso têm uma vida média extremamente curta (ver Apêndice - Definições e Conceitos), pois o quark e o antiquark vão aniquilar-se mutuamente.
Estas partículas interagem segundo a Força Nuclear Forte, por isso são Hadrões.
Estas partículas são bosões, ou seja, têm um spin igual a um número inteiro.
Quando um protão colide com outro protão ou com um neutrão, as duas partículas desintegram-se em mesões.
O físico Wolfgang Pauli apresentou a hipótese da existência do neutrino, o que foi de contribuição fundamental para o desenvolvimento da teoria dos mesões.

7.3 - Leptões

Qualquer membro da classe das partículas que não interage segundo a Força Nuclear Forte. Assim os leptões interagem com outras partículas através da Força Nuclear Fraca (a força que provoca e controla a degradação radioactiva), da Força Electromagnética e da Força Gravítica.
Estas partículas são fermiões e podem ser neutros electricamente ou terem uma carga eléctrica.
Todos os Hadrões são Fermiões, ou seja, obedecem ao princípio de exclusão de Pauli e têm spins representando metade de um número inteiro multiplicado por uma constante h.
Os leptões parecem não ter qualquer estrutura interna, ao contrário dos hadrões, que são compostos de quarks.
Os leptões são os electrões, os muões, os tauões e os três tipos de neutrinos, cada um associado com os outros três tipos de leptões. Cada uma destas partículas tem uma antipartícula (ver Antimatéria).
Apesar de todos os leptões serem relativamente leves, eles não são iguais. O electrão, por exemplo, tem uma carga negativa e é estável, o que significa que não sofre decomposição até à formação outras partículas elementares. O muão também tem carga negativa, mas tem uma massa 200 vezes maior que a do electrão e decompõe-se até formar outras partículas mais pequenas.
Os diversos leptões distribuem-se também em categorias de fermiões.

Classificação por Spin

1- Fermions

1.1 - 1ª Catg.

1.1.1 - Elétrons

1.1.2 - Neutrinos

1.1.3 - Quarks up

1.1.4 - Quarks down

1.2 - 2ª Catg.

1.2.1 - Quarks Strange

1.2.2 - Quarks Charm

1.2.3 - Muons

1.2.4 - Muo-Neutrinos

1.3 - 3ª Catg.

1.3.1 - Quarks Bottom

1.3.2 - Quarks Top

1.3.3 - Taus

1.3.4 -Tau-Neutrino

2- Bosons
2.1 - Partículas W
2.2 - Partículas Z

2.3 - Fótons
2.4 - Gravitons

7.4 - Bosões

Os Bosões são as partículas elementares que têm um spin igual a zero ou a um número inteiro de unidades fundamentais, por exemplo ±0 h ou ±1 h.
Não obedecem ao Princípio de Exclusão como os Femiões (ver Fermião). Este princípio diz que, ao contrário dos Fermiões, vários Bosões se podem encontrar no mesmo estado quântico-mecânico ao mesmo tempo, num átomo. Curiosamente um núcleo de hélio-4 pode ser consierado um Bosão, nestas condições. A baixas temperaturas, um grande número de Bosões podem ocupar o mesmo estado de energia, resultando naquilo que é conhecido como a Condensação de Bose. Os Bosões podem ser Mesões.
Os Bosões incluem todas as partículas suporte das Forças Elementares e os Mesões. Estas são os fotões (suporte da Força Electromagnética), as partículas Z, partículas W, partículas Alpha (suportes da Força Nuclear fraca) e os gravitões (suportes da Força Gravítica).
O Campo de Higgs é, em física das partículas, um campo ou campos de energia onde se consideraria vácuo perfeito noutra análise menos precisa. O campo de Higgs é uma construção teórica do físico britânico Peter W. Higgs, que o desenvolveu para ajudar à compreensão das partículas conhecidas como Bosões Gauge de massa muito elevada sem quebrar as leis de simetria (pelas quais o mundo quântico moderno se rege). O conceito tem sido usado na tentativa de criação da Teoria do Campo Unificado, que iria incorporar todo o conhecimento das interacções da matéria. Bases para este conceito foram encontradas em descobertas de partículas recentes. Um dos campos de Higgs implica a existência do denominado Bosão de Higgs, que seria um bosão sem momento angular intrínseco (spin) e sem carga eléctrica. Esta partícula ainda não foi descoberta.

7.4.1 - O Bosão de Higgs

O Modelo Standard requere mais alguns dados para poder descrever correctamente as massas dos quarks, dos leptões, e dos bosões W e Z.
Parece necessária a existência de um ou mais tipos de partículas e de mais um tipo de interacção. Esta interacção tem pouco a ver com as interacções entre as partículas, mas é essencial para a explicação da criação da massa e da quebra de simetria (teoricamente impossível) que implica a discrepância de valores de massa entre as partículas W (e Z) e os fotões.
Esta partícula necessária associada a este campo é chamada "Bosão de Higgs". Esta partícula ainda não foi descoberta em nenhum acelerador de partículas.
No entanto sabemos que estas partículas têm massa. Como agem e interagem é um puzzle. Espera-se, no entanto, que o novo acelerador do CERN (Laboratório Europeu para a Física Nuclear) "Large Hadron Colider" permita avanços nesta matéria de urgente importância.

7.5 - Fermiões

Os fermiões são partículas caracterizadas pelo seu momento angular, ou spin.
Os fermiões são quaisquer partículas que obedeçam ao Princípio de Exclusão de Pauli.
Segundo a teoria quântica o momento angular das partículas pode apenas tomar certos valores, que podem ser interios ou fraccionários (com o numerador sempre dividido por 2) múltiplos de uma dada constante, h. Os fermiões têm momentos angulares fraccionários e sempre representando metade de um número inteiro (por exemplo ± h ou ± h). Os fermiões são os electrões, os protões, os neutrões e os leptões (electrões, muões, taus e neutrinos).
De acordo a Teoria do Campo Quântico, a matéria consiste em partículas chamadas fermiões e forças, que são mediadas por partículas chamadas bosões. Segundo o Modelo standard, os fermiões agrupam-se em três categorias, cada uma das quais contendo partículas formadas por certos quarks e leptões. A primeira categoria, que consiste em quarks e leptões de reduzida massa, inclui os quarks up e quark down, os electrões e os neutrinos, assim como as antipartículas correspondentes. As partículas que formam as outras duas categorias não estão presentes na matéria usual, mas podem ser criadas em potentes aceleradores de partículas. Assim, a segunda categoria de fermiões consiste em quarks strange e quarks charm, muões e muo-neutrinos, assim como as respectivas antipartículas. Por fim, a terceira categoria consiste em quarks bottom e quarks top, taus e tau-neutrinos, incluindo também as antipartículas das mesmas.
Há dois tipos de expressões de Mecânica Quântica para a Mecânica Estatística, que correspondem a dois tipos de partículas quânticas: os fermiões e os bosões. A expressão de mecânica estatística, concebida para descrever o comportmento de um grupo de partículas clássicas, é chamada "A Estatística de Maxwell-Boltzmann" (MB). As duas expressões de estatística mecânica são a Estatística de Fermi-Dirac (FD), que se aplicam aos fermiões e a Bose-Einstein (BE), que se aplica aos bosões. Estas expressões são necessárias porque os fermiões e os bosões têm características bastante diferentes.
Os fermiões obedecem ao Princípio de Exclusão de Pauli, que diz que dois fermiões não podem estar no mesmo estado quântico-mecânico (estado de energia) ao mesmo tempo. Neste caso, e curiosamente, um núcleo de hélio-3 também pode ser considerado um fermião.

8- O MODELO PADRÃO E A TEORIA DO TUDO

Um bom exemplo de teoria “construída” é o Modelo Padrão das interações fundamentais, que descreve três das quatro forças conhecidas, ou seja, a força eletromagnética, a força fraca (responsável pela radioatividade) e a força forte (responsável pela estabilidade do próton), mas não descreve a quarta força, a gravitacional. As outras duas forças descritas, a fraca e a forte, usam generalização dos conceitos presentes na teoria quântica do eletromagnetismo. A “base” do Modelo Padrão é a teoria quântica da força eletromagnética, por já ter sido testada e verificada com a precisão de uma parte em um bilhão, pode ser considerada uma base extremamente sólida. Embora alguns aspectos do Modelo padrão (ex.: bóson de Higgs) ainda não tenham sido verificados experimentalmente, a maioria dos físicos acredita que a estrutura básica do Modelo Padrão descreve corretamente a física subatômica. Posteriormente, se surgirem discrepâncias entre o esse modelo e as experiências (ex.: neutrinos supermassivos), será possível fazer modificações nas paredes e janelas sem demolir o edifício inteiro. Séculos depois de iniciarmos a busca pelos constituintes fundamentais que constróem a beleza e complexidade do mundo cotidiano, chegamos a uma resposta surpreendentemente simples: são necessárias somente seis partículas: o elétron, o quark up, o quark down, o glúon, o fóton e o bóson de Higgs. Onze outras partículas são suficientes para descrever todos os fenômenos estudados pela física de partículas. Outras onze completam a lista, servindo para descrever todos os fenômenos estudados pela Física de Partículas. O Modelo padrão foi formulado nos anos 70 e estabelecido empiricamente no início dos anos 80. Quase três décadas de experimentos precisos testaram e verificaram a teoria nos seus menores detalhes, confirmando todas suas previsões. Se por um lado o sucesso é compensador, por demonstrar ter sido atingido um patamar de conhecimento nunca antes alcançado, por outro é frustrante, pois antes do Modelo Padrão os físicos estavam habituados a experimentos que produziam partículas inesperadas ou evidencias de uma nova teoria antes que a poeira do giz da anterior baixasse. Foram necessários 30 anos para que isso acontecesse com o Modelo Padrão. Essa espera pode estar chegando ao fim. Experimentos que envolvem colisões com altas energias já estão ocorrendo no Fermi National Accelerator Laboratory, em Batavia, Illinois, EUA. Esse acelerador deverá produzir as partículas elusivas que completam o Modelo Padrão (bóson de Higgs) e talvez possam comprovar a teoria do Modelo Padrão de Mínima Supersimetria. Essa teoria é mais amplamente favorecida como substituta do Modelo Padrão. Nesse modelo, todos os tipos de partículas conhecidas possuem uma supercompanheira, relacionada a elas pela supersimetria. As partículas de distribuem em duas grandes classes: os bósons (como as partículas de força), que podem se reunir num único estado e os férmions (como os quarks e os léptons), que impedem a ocorrência de estados idênticos. A supercompanheira de um férmion é sempre um bóson e vice-versa. Surgem evidências indiretas da supersimetria quando se faz a extrapolação das interações para altas energias. No Modelo Padrão, as três forças tornam-se semelhantes, mas não com a mesma intensidade. A existência das supercompanheiras altera a extrapolação de tal forma que todas as forças têm valores coincidentes em uma energia – um indício de que elas de tornam unificadas se a supersimetria for verdadeira.

9 - UM NOVO MODELO?

Estão em andamento experimentos para detectar partículas misteriosas que formam a matéria escura e fria do Universo e para examinar os prótons com maior sensibilidade para saber como eles decaem, bem como a busca de evidências da supersimetria. O sucesso de qualquer um dos projetos poderá ser um marco na física pós-Modelo Padrão. Ao mesmo tempo em que toda essa pesquisa avança começa uma nova era na física de partículas. Por volta de 2007, o Large Hadron Collider (LHC), uma máquina de 27 Km de circunferência em construção no CERN, estará juntando esforços nessa batalha, que conta com participação brasileira. Um acelerador linear elétron-pósitron de 30 Km de comprimento, para complementar os resultados do LHC, está sendo projetado. As simetrias têm desempenhado um papel fundamental na Física. À cada simetria corresponde uma grandeza conservada, e a busca de leis de conservação e de grandezas conservadas, tem sido, a partir da síntese da primeira grande contradição de filosofia, qual seja, a contradição entre o Uno imóvel de Parmenides e o universo multifacetado e em constante mutação de Heráclito, o fio condutor da elaboração da filosofia natural (a Física) no ocidente. A supersimetria é uma simetria muito especial entre as partículas que obedecem (no universo conceitual da Mecânica Quântica) à estatística de Fermi-Dirac, os fermions, e partículas que obedecem à estatística de Bose-Einstein, os bosons. Supõe-se que a cada partícula fermiônica do Modelo Padrão, como elétron, muon, tau, etc, corresponde um parceiro bosônico com características físicas análogas mas com spin inteiro: selétron, o smuon, o stau. Da mesma forma à cada bóson do Modelo Padrão, como o fóton e os bósons Z e W, corresponde um parceiro de spin fracionário: o fotino, o zino e o wino. Idéias como esta tem sido valiosa em vários contextos da Física - o estabelecimento de uma teoria quântica de gravitação (supergravidade), a formulação da Física de Higgs, a explicação da matéria escura do Universo, e a teoria de cordas (supercordas).

10 - UM EDIFÍCIO PERMANENTE

Será que o Modelo Padrão será quebrado??? Vale lembrar um exemplo clássico: as equações de Maxwell, que inclusive fazem parte do conjunto de equação do Modelo Padrão. Não é possível, mesmo depois de todos os avanços tecnológicos e da física quântica, afirmar que estão as equações estão erradas, mas sim que foram ampliadas para suportar novos efeitos observados. O Modelo Padrão foi bem testado:- Previu a existência dos bósons W e Z, dos glúons e de dois dos quarks mais pesados (charm e botton). Todas foram detectadas com as propriedades previstas.- Angulo de mistura eletrofraca: esse ângulo deve ter o mesmo valor em todos os processos eletrofracos. Isso foi observado, com precisão de 1%.- Large electron-Positron (LEP), do CEN, observou, durante dois anos, 20 milhões de bósons Z, que decaiam da forma prevista no MP. Sobre o poder de previsão do Modelo Padrão, há críticos que dizem ser ele limitado, ou que seu conteúdo é arbitrário ou ainda que ajustando um parâmetro ele explicaria qualquer coisa. O que acontece na realidade é o oposto: uma vez medidas as massas e intensidades das interações, elas são mantidas fixas em toda a teoria e em qualquer outro experimento, sem nenhuma liberdade. Outro detalhe é que a parte matemática foi determinada teoricamente. Todos os parâmetros foram medidos, menos a massa do bóson de Higgs. Assim, se a extensão mais aceitável atualmente, a MSSM – Minimal Supersymetric Standard Model, for incrementada, o Modelo Padrão poderá ganhar mais liberdade.

11 - DEZ MISTÉRIOS

Se o Modelo Padrão é tão bom e funciona tão bem, por que precisa ser estendido???? Uma das razões principais é a incessante busca pela unificação das forças, que move a pesquisa. Outro motivo é entender o nascimento do Universo (Big Bang) e as forças que existiram naquele instante. Outras razões para estender o Modelo Padrão surgem dos fenômenos que a teoria não é capaz de explicar, ou em alguns casos, não é capaz sequer de acomodar.

1. Constante cosmológica – o Modelo Padrão não ajuda a entender esse quebra-cabeça, pois as teorias atuais indicam que deveria haver enorme concentração de energia mesmo em áreas vazias do espaço.

2. Acreditava-se que o Universo deveria ir diminuindo sua expansão devido às forças gravitacionais mútuas entre suas partículas. Porém, hoje sabemos que o Universo acelera sua expansão. A “energia escura” que causa a expansão não pode ser explicada pelo Modelo Padrão.

3. Inflação (logo após o Big Bang) não pode ser explicada pelos mesmos campos do Modelo Padrão.

4. Se o Universo começou com o Big Bang, deveria ter evoluído de forma a conter a mesma quantidade de matéria e antimatéria. A disparidade observada entre matéria e antimatéria (simetria CP – carga-paridade), não pode ser explicada pelo Modelo Padrão.

5. Um quarto do Universo é matéria escura, que não pode ser formada por partículas do Modelo Padrão.

6. A massa das partículas... As interações dos campos de Higgs (bóson de Higgs) fazem com que as partículas tenham massa. O Modelo Padrão ainda não consegue explicar as formar particulares das interações do bóson de Higgs.

7. As massas das partículas deveriam ser enormes, segundo as correções quânticas que aparentemente tornam o bóson de Higgs com massa muito grande. Há aqui um sério problema conceitual.

8. O Modelo Padrão não inclui a gravidade.

9. As massas de elétrons, neutrinos, quarks e léptons não podem ser explicadas pelo Modelo Padrão. Talvez resolvendo a questão 7 isso seja possível.

10. O Modelo Padrão descreve 3 gerações de partículas, sendo que o mundo cotidiano é explicado pela primeira geração. O MP não explica por que existe mais de uma geração.

12 - EPÍLOGO

Com isso, espero ter trazido uma breve visão do que há por trás da matéria e de como funcionam as forças presentes em nosso universo.

Há muito aínda que se desvendar a fim de que possamos compreender mais profundamente esses fenômenos e finalmente estabelecer a "Teoria Unificada das Forças", com a qual, provavelmente decifraremos mais um pouquinho do Universo.