O BÓSON DE HIGGS - parte 2

O MODELO PADRÃO:

O Modelo Padrão diz que as partículas conhecidas como bósons atuam como mensageiras entre as partículas de matéria. É uma teoria quântica de campos, consistente com a mecânica quântica e a relatividade especial.

Modelo Padrão

Esta interação dá origem a quatro forças fundamentais: a força forte, a força fraca e a força eletromagnética, cujos mediadores são respectivamente os glúons, os bósons W e Z e os fótons. Porém, não o faz com a gravidade, cujo possível mediador seria o gráviton, ainda por ser descoberto. Portanto, o modelo padrão não é uma teoria completa das interações fundamentais, pois não descreve a gravidade.

Todas as partículas fundamentais que constituem a matéria, assim como suas forças, foram descritas pelo modelo-padrão.

É por meio dele que os físicos conseguem desenvolver os equipamentos necessários para comprovar a existência dessas partículas preditas e seus comportamentos. É pelos experimentos que os físicos podem comprovar se o modelo realmente tem razão.

Modelo padrão com o bóson de Higgs

 O modelo padrão descreve dois tipos de partículas fundamentais: férmions (com spin semi-inteiro) e bósons (com spin inteiro). Há hádrons com spin semi inteiro, que se classificam como férmions (os bárions) e hádrons com spin inteiro que se classificam como bósons (mésons). Porém os trataremos aqui como um grupo separado, por questões didáticas.

 1 - O Férmion obedece à estatística de Fermi-Dirac que rege as partículas de spin semi-inteiro e obedeceao princípio de exclusão de Pauli o qual afirma que dois férmions idênticos não podem ocupar o mesmo estado quântico simultaneamente.

Férmions

Spin significa as possíveis orientações que partículas subatômicas carregadas e alguns núcleos atômicos podem apresentar quando imersas em um campo magnético. São representados pelos quarks, prótons, elétrons e neutrinos.

Os férmions podem ser agrupados em três gerações com suas anti-partículas:

 A primeira consiste no elétron, no neutrino do elétron e nos quarks up e down .

A segunda consiste no múon no neutrino do múon e nos quarks charm e strange.

A terceira no tau, no neutrino do tau e nos quarks top e bottom.

As gerações mais altas de partículas decaem rapidamente para a primeira geração e somente podem ser gerados por curto espaço de tempo em experimentos de alta-energia.

Os férmions englobam  todos os quarks e léptons, bem como qualquer partículacomposta deumnúmero ímpar dedestes, tais como todos os bárions, muitos átomose núcleos. Os férmions contrastam com bósons que obedecem as estatísticas de Bose-Einstein, uma vez que não obedecem ao princípio da exclusão de Pauli, sendo que estas partículas possuem número de spin inteiro.

Dividem-se em:

1.1 Léptons - partícula subatômica que não interage fortemente, os constituintes básicos da matéria (elétrons, múons, taus e neutrinos). Dividem-se em:

1.1.1 Léptons carregados – são os que possuem carga como os elétrons. Combinam-se com outras partículas de forma a comporem partículas compostas como os átomos e os positrônios (sistema elétron pósitrons que ao se desintegrar forma dois fótons de raios gama).

1.1.2 Léptons Neutros – são os que não possuem carga, como os neutrinos. Raramente interagem com outras partículas.

Quarks

 1.2 Quarks– partículas elementares que se combinam para formar os hádrons estáveis do núcleo atômico (prótons e nêutrons). Dividem-se nos seguintes sabores:

 1.2.1 Quark up - é o mais levede todos os quarks, sendo um dos principais constituintes da matéria. Juntamente com o quark down, forma os nêutrons (um quark up, dois quarks down) e prótons (dois quarks up,um quark down) dos núcleos atômicos.

1.2.2 Quark down -é o segundo mais leve de todos os quarks, sendo o constituinte principal da matéria.

1.2.3 Quark top - participam de todas as formas de interações. É o quark mais pesado e, por causa de sua massa enorme, ele decai muito rapidamente. Não forma hadrons. É criado em colisões de alta energia. Estas ocorrem naturalmente na atmosfera superior da Terra, por meio da colisão entre raios cósmicos e partículas no ar, ou dentro de um  acelerador de partículas.

1.2.4 Quark bottom – é segundo mais pesado dos quarks, que interage através de todas as quatro forças fundamentais, e sua carga elétrica é de -1/3. Surge do decaimento dos quarks top. Depois, decai em um quark up ou charm. Estes decaimentos ocorrem devido à interação fraca. Encontram-se nos B , BC e BSmésons.

1.2.5 Quark charm - é o terceiro quark em massa. São encontrados em hádrons como: meson (J/ψ), D mésons (D) e charmed Sigma bárions (Σ).

1.2.6 Quark strange - é o terceiro mais leve dos quarks. São encontrados em hádrons como: kaons (K), strange D mésons (Ds) e Sigma bárions (Σ).

Obs: sabores (flavours) representam o número quântico das partículas elementares, que na cromodinâmica é a simetria global.

Cromodinâmica Quântica (QCD) na física teórica representa a teoria das interações fortes que descreve a força forte das interações entre quarks e glúons, na geração dos hádrons.

Os quarks têm uma propriedade que chamamos de "cor", e cada quark vem em 3 cores.A noção de carga de cor serve para explicar como os quarks poderiam coexistir dentro de alguns hádrons em idênticos estados quânticos sem violar o princípio de exclusão dePauli.

Na QCD, a cor de um quark pode ter um dos três valores, chamado de vermelho, verde e azul. Um antiquark pode assumir uma das três anticores, chamado anti-vermelho, anti-verde e anti-azul (representado como ciano, magenta e amarelo, respectivamente).

Simetria global é uma simetria mantida em todos os pontos no espaço-tempo sob consideração, em oposição a uma simetria local, que varia de ponto a ponto. Requer as leis da  conservação, mas não forças.

2 O Bóson é uma partícula que possui spin inteiro. Não obedece ao princípio da exclusão de Pauli (princípio da mecânica quântica, no qual não há dois férmions idênticos - partículas com spin semi-inteiro). Pode ocupar o mesmo estado quântico simultaneamente e obedece à estatística de Bose-Einstein, que determina a distribuição estatística de bósons idênticos e indistinguíveis, sobre os estados de energia  em equilíbrio térmico. Dividem-se em:

Bósons

2.2 Bósons de calibre mediadores do modelo padrão – gauge (s = 0,1) – são os portadores de força, ou seja, partículas bosônicas que transportam as interações fundamentais da natureza. As partículas elementares, cujas interações são descritas pela  teoria de calibre, interagem umas com as outraspela  trocade bósons de calibre, que normalmente são partículas virtuais.

O modelo padrão reconhece três tipos de bósons de calibre (considere os bósons W e Z como pertencentes ao mesmo grupo):

2.2.1 Fótons – é o quantum de todas as formas de radiação eletromagnética,e a transportadora da força eletromagnética, mesmo quando estáticos, via fótons virtuais.

2.2.2 Bóson Z são mediadores da interação fraca de partículas de carga nula, uma vez que são eletricamente neutros, portanto não se envolvem na absorção ou emissão de elétrons e pósitrons.

O bóson Z não participa na mudança do sabor de quarks. Assim, suas interações são mais difíceis de detectar. Ele interage, influenciando as seções transversais de espalhamento para neutrinos em que são chamadas "correntes neutras".

Sempre decai em um par de partícula/antipartícula, uma vez que na natureza, as cargas são conservada. Pelas leis da conservação os Bosons Z decaem conforme segue:

Em 10% dos casos o Boson Z decai em um par  lépton-antilepton. Os três tipos possíveis de pares carregados Leptons são: elétron-pósitron, múons-antimuon, e tau-anti-tau, igualmente prováveis.  Há então 3 possibilidades de decaimento.

 Em 20% dos casos decai em um par neutrino-antineutrino. Os neutrinos são invisíveis, pois não interagem com nada. Quando medimos que há uma energia ou força transversal desaparecida  após a colisão sabemos que estes neutrinos estiveram lá. O decaimento dos neutrinos resulta em  3 possibilidades (neutrinos do elétron, do tau e do múon e suas antipartículas). Quanto mais tipos de neutrinos leves estiverem disponíveis, menor o tempo de vida do bóson Z.

  Em 70% dos decaimentos, resulta um par quark-antiquark.Estes aparecemcomo os chuveiros de partículas chamadas "jets" no detector. Somando-se os 6 tipos de quarks (up, down, charm, strange, top e bottom) cada um com 3 resultados de cores, resulta em 18 possibilidades de decaimento.

    

2.2.3 Os bósons W  são mediadores da interação fraca de partículas carregadas, sendo mais conhecidos como mediadores de absorção e emissão do neutrino, onde sua carga está associada a emissão ou absorção de elétrons (W^-) ou pósitrons (W⁺), sempre causando transmutação nuclear.

Seu papel é muito importante no decaimento nuclear, na conversão de neutrons em prótons, com a emissão de um elétron (partícula beta) e de um anti-neutrino do elétron (um quark down decai em um up mais um W^- que decai em um elétron e um antineutrino do elétron, o que converte um nêutron em um próton, pelo decaimento beta).

2.2.4 Os Glúons são os mediadores da força forte entre os quarks, sendo misturas de duas cores, como vermelho e anti-verde, que constitui a sua carga de cor. A QCD considera como únicos oitoglúonsdospossíveisnove combinações cor/anticor.

Como os quarks formam os bárions e os mésons e a interação forte que é a interação entre bárions e mésons, pode-se dizer que a força da cor é a fonte da interação forte, ou que a interação forte é como uma força de "corresidual" que se estende além dos bárions, por exemplo, quando prótons e nêutrons estão unidos em um núcleo.

Em termos técnicos, são bósons vetoriais de calibre que medeiam as interações fortes dos quarks na cromodinâmica quântica (QCD). Ao contrário do fóton eletricamente neutro da eletrodinâmica quântica (QED), os glúons transportam eles mesmos cargas de cor e, portanto, participam da interação forte, além de mediá-la, tornando a QCD significativamente mais difícil de analisar do que QED.

Ha oito estados independentes, de cor correspondentes aos "oito tipos" ou "cores" de glúons, uma vez que os estados podem ser misturados entre si, ou seja, existem muitas maneiras desses estados se apresentarem o que é conhecido como como a "cor do octeto", equivalentes às matrizes de Gell-Mann, uma representação possível dos geradores infinitesimais do grupo especial unitário chamado SU (3) (grupo unitário especial de grau 3, de uma matriz 3X 3 com determinante 1, muito aplicado na QCD.

2.2.5  O Gráviton (s =-2) é a partícula hipotética que medeia a força gravitacional na teoria quântica de campo. Não está incluído no modelo padrão, embora seja um bóson (tem spin inteiro).

Gráviton

Se existir,o gráviton deve ter massa nula, uma vez que a força gravitacional parece ter alcance ilimitado e deve ser um bóson de spin 2.

O spin decorre do fato de que a fonte de gravitação é o tensor de energia e momento, um tensor de segunda ordem (em comparação com o giro eletromagnetismo de 1 fóton, cuja fonte é o quadricorrente atual, tensor de primeira categoria).

Ao contrário das outras forças, a gravidade desempenha um papel especial na relatividade geral na definição do espaço-tempo em que os eventos ocorrem.

A detecção inequívoca de grávitons individuais, embora não proibida por qualquer lei fundamental, é impossível com qualquer detector fisicamente razoável.

A razão para tal se encontra na extremamente baixa seção transversal, a área que mede a probabilidade de que uma colisão (interação) entre um feixe de partículas e outro feixe ocorra, de modo a se verificar a interaçãode grávitons com a matéria.

No entanto, experimentos para detectar ondas gravitacionais, que podem ser compreendidas como estados coerentes de feixes de grávitons,estão em andamento, como:

Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – LIGO, cuja missão é observar as ondas gravitacionais de origem cósmica. VIRGO observatório com um enorme interferómetro laser de Michelson.

Estes experimentos se baseiam em tentar detectar alterações da energia interna de corpos massivos a baixíssimas temperaturas confinados em sistemas amortecidos em laboratório. Essas alterações da energia interna seriam supostamente causadas por ondas gravitacionais oriundas de megaeventos no espaço, como o choque de estrelas.

Embora estas experiências não possam detectar grávitons individuais, elas podem fornecer informação sobrecertas propriedades desta partícula. Por exemplo, se for observado que as ondas gravitacionais se propagam mais lentamente que a velocidade da luz no vácuo, isto implicaria que o gráviton tem massa.

Ondas gravitacionais são ondulações na curvatura do espaço-tempo que se propagam como uma onda, viajando para fora da fonte. Foram previstas por Albert Einsteinem 1916, com base em sua teoria da relatividade geral. As ondas gravitacionais teoricamente transportam energia como radiação gravitacional.

Na teoria de Einstein da relatividade geral, a gravidade é tratada comoum fenômeno resultante da curvatura do espaço-tempo, causada pela presença de objetos maciços. Quanto mais massa tiver o objeto, maior será a curvatura que produzirá e, portanto, mais intensa será sua gravidade.

Como objetos massivos se deslocam no espaço-tempo, as mudanças na curvatura refletem alterações nas cercanias desses objetos.

A teoria da gravidade quântica em loop (LQG) descreveas propriedades quânticas da gravidade acerca do espaço e do tempo quântico, que comodescoberto na teoria da relatividade geral, a geometria do espaço-tempo é uma manifestação da própria gravidade.

É uma tentativa de unificar a teoria da relatividade geral com a mecãnica quântica, baseada na granularidade do espaço, o qual é visto como um fino tecido movendo-se em loops finitos como uma rede de spins, diagrama, que pode ser usado para represerepresentativo dos estados e interações entre as partículas e os campos de mecânica quântica. 

A evoluçãode uma rede de spin ao longo do tempo, é chamada de "spinfoam". O tamanho previsto desta estrutura é o comprimento de Planck. A LQG prevê que não apenas a matéria, mas também o próprio espaço, tem uma estrutura atômica.

A “spinfoam” é um grafico quadridimensional feito de faces bidimensionais que representa uma das configurações que devem ser somadas para obter a integral de trajeto de Feynman, a formulação alternativa de gravidade quântica conhecida como gravidade em loop ou gravidade quântica em loop. 

A teoria das cordas prediz a existência de grávitons e suas interações bem definidas, o qual representa um dos seus mais importantes triunfos. O gráviton na teoria das cordas perturbativas é uma corda fechada em um estado de energia vibracional de baixa energia muito particular. Tal característica não o limitaria em branas, podendo vagar livremente de uma brana para outra.

O vazamento de grávitons para o espaço de mais dimensões explicaria porque a gravidade é tão fraca se comparada a outras forças fundamentais. Grávitons das outras branas adjacentes a nossa própria poderiam prover uma explicação para matéria escura, que só interage gravitacionalmente (ou interage muito pouco de outra forma, sendo sua presença inferida a partir de efeitos gravitacionais sobre a matéria visível, como nas galáxias.

Como conseqüência,a força da gravidade deve aparecer significativamente mais forte em pequenas escalas, onde menos força gravitacional vazou.

2.3 Os Bósons escalares (s=0) são bósons cujo spin é igual a zero. Boson significa que tem uma rotação de valores inteiros, o escalar corrige esse valor para 0. O nome "bóson escalar" surge da teoria quântica de campos. Refere-se às propriedades de transformação particulares sob transformação de Lorentz.

Várias partículas compostas são bósons escalares (partícula alfa e o méson pi).Entre os mésons escalares, há distinção entre o méson escalar e o pseudoscalar, que se refere à sua transformação sob a propriedade de paridade.

O único bóson escalar fundamental no modelo padrão dafísica de partículas elementares é o bóson de Higgs (s =0). É a única partícula elementar no modelo padrão que ainda não foi medida experimentalmente, embora uma partícula semelhante ao Higgs foi observada com o LHC. Existem vários outros bósons escalares hipotéticos fundamentais, incluindo o inflaton.

2.3.1 O inflaton é o nome genérico do campo escalar hipotético e até agora não identificado (e sua partícula associada) que pode ser responsável para a hipótese da inflação nos primórdios do Universo. De acordo com a teoria da inflação, o campo inflaton foi o responsável pelo processo de expansão rápida entre 10^-35 a 10^-34 segundos após a expansão inicial da qual se formou o Universo.

2.3.2 Bóson de Higgs a ser explicado adiante.

2.3.3 Mésons (s= 0,1) explicados nos hadrons.

2.3.4 Núcleos estáveis​​ de mesmo número de massa, por exemplo, o deutério, hélio-4, o chumbo-208).


3 Os Hadrons são partículas compostas, formadas por um estado ligado de quarks que mantêm a sua coesão interna devido à interação forte. Dividem-se em:

Hádrons

3.1 Bárions - partículas subatômicas sensíveis a interações fortes e compostas de três quarks (ex. próton e nêutron). Fazem parte dos férmions. a bariogênese é a teoria que trata da assimetria entre barions e antibarions nos primórdios do Universo que resultou nas quantidades de matéria que hoje constitui o Universo que conhecemos.

3.2 Mesons – são partículas instáveis compostas de um par quark-antiquark (ex. píon e Kaon), pela interação forte. Dividem-se em:

3.2.1 Mésons carregados – que decaem para formar elétrons e neutrinos;

3.2.2 Mésons neutros - que podem decair em fótons. Fazem parte dos bósons.