O que é o Modelo Padrão? Uma discussão sobre a teoria da Física de Partículas.

   Historicamente, diversas reflexões sobre o que compõe a matéria resultaram no modelo de John Dalton, segundo ele o denominado átomo era a menor proporção da matéria, indivisível e maciça. De lá para cá, nos dias atuais, já sabemos que na verdade, os átomos são sim divisíveis, e estão constituídos por elétrons, nêutrons e prótons, que por sua vez são compostos de quarks e léptons. A essa última divisão, daremos o devido aprofundamento da teoria neste blog [1].

   No universo, como o conhecemos, tudo é feito por blocos básicos de partículas inimaginavelmente pequenas, que interagem e formam de grandes estrelas a até mesmo nós, humanos. Essas partículas são regidas por quatro diferentes forças: a força nuclear fraca, força nuclear forte, gravitacional e eletromagnética [2].

   Com a intenção de criar uma teoria que explique a existência de uma gama de partículas, de cargas e massas diferentes — tais quais foram previstas experimentalmente já em meados do século XX — a teoria do Modelo Padrão da Física de Partículas foi desenvolvida. Seu objetivo era de explicar toda a matéria em suas menores partículas, denominadas partículas fundamentais, e as interações entre elas. Entretanto, nesse modelo apenas podemos entender como três dessas forças, anteriormente citadas, estão relacionadas a estas partículas [2,3].

   Sabendo o que é este modelo, podemos passar para quais são as partículas que compõem o mesmo, assim, voltamos a falar dos quarks e léptons, e também introduzimos, os bósons e o bóson de Higgs [4]. No geral, o modelo padrão é composto por dezessete partículas fundamentais, divididas em duas categorias: os férmions, que são os blocos de construção da matéria; e os bósons, responsáveis pelas interações entre essa matéria. Os bósons, de spin^[1] inteiro, são os que representam as três forças descritas pelo Modelo (força nuclear forte, força nuclear fraca e a força eletromagnética) [5].

   Os férmions, partículas de spin semi-inteiro, são doze e divididos entre seis quarks e seis léptons. Quarks são partículas que ao interagirem e com isso “produzem” a força nuclear forte e são classificados pela sua simetria, sendo eles: up (u), down (d), strange (s), charme (c), bottom (b) e top (t). Já os léptons (do grego, “leve”) interagem “produzindo” a força nuclear fraca e são classificados em: elétron (e), neutrino do elétron (ν_e), múon (μ), neutrino do múon (ν_μ), tau (τ) e neutrino do tau (ν_τ) [1,5].

   Ainda existe mais a respeito dos quarks, como dito anteriormente, os mesmos “interagem pela força nuclear forte” (força forte), e essa natureza decorre de uma característica apenas dos quarks: a cor. Os seis diferentes quarks podem ter três distintas cores (vermelho, azul ou verde), sendo assim, na realidade podemos dizer que existem dezoito possibilidades destas partículas, fato que não ocorre aos léptons. Outra questão que aumenta nosso número de possibilidades, é a existência de antipartículas^[1], sendo ao todo trinta e seis quark e doze léptons caso estas situações sejam contabilizadas [5]. Todavia não se preocupe agora, não iremos nos atentar a isso neste momento, este pode ser o assunto de um próximo blog.

   Voltando à teoria, das dezessete partículas fundamentais citadas, ainda falta falar dos bósons. Eles são partículas que podem não conter massa atribuída, são partículas mediadoras, que promovem interações entre férmions. Existem bósons mediadores de cada uma das três forças que são contempladas no modelo padrão: sendo glúons (g) os mediadores da força forte; bósons Z e W, mediadores das interações de carga fracas; fótons () mediam interações eletromagnéticas. E, também, apesar de não constarem no modelo padrão, grávitons. Estes podem ser os mediadores da gravidade (advinda da massa). Os grávitons ainda não foram experimentalmente comprovados, há uma enorme dificuldade em observar uma partícula com uma interação tão desprezível no mundo quântico — em comparação com as outras forças, que tem interação muito forte a tão pequenas distâncias — , uma vez que a gravidade só pode ser experimentada de forma significativa em grandes massas, como vemos, obviamente, no “mundo” astronômico [1].

   Mas agora você pode se perguntar, falamos sobre quatro dos bósons que estão presentes na teoria do Modelo Padrão, ainda falta um. Além disso, também citamos no início um tal de bóson de Higgs. Neste momento, se torna importante explicar sobre uma relação entre duas forças fundamentais, antes de realmente introduzirmos qual a função deste último bóson.

   Na mesma época de formulação do Modelo com o qual estamos trabalhando, físicos perceberam que existia uma relação entre duas das forças fundamentais: a força nuclear fraca e a força eletromagnética. Desta forma, puderam descrever elas em uma mesma teoria, que implica em algo denominado força eletrofraca. As equações da teoria unificada destas forças fizeram-se válidas, entretanto, implicam que todas as partículas presentes na teoria (bósons das duas forças), deveriam surgir sem massa. Esse fato não era verdade aos bósons Z e W, — que na realidade são bem mais massivos que um próton. Surgiu então uma proposta de solução para este problema [8].

   A solução foi dada pelos cientistas Robert Brout, François Englert e Peter Higgs, eles pressuporam que na realidade, as partículas não continham massa, essa era atribuída a eles ao interagirem com um campo invisível denominado “campo de Higgs”. A ideia é que este campo haveria surgido e se expandido desde o big-bang, e à medida que se expandia, as outras partículas interagiriam com ele e adquiriam sua massa. Nesse momento que nosso bóson pode ser introduzido, pois como todo campo, o campo de Higgs também teria sua partícula relacionada, e ela é o bóson de Higgs.

   Por tempos não soubemos se o bóson de Higgs realmente existia, entretanto, pesquisadores da CERN, depois de muitas análises de uma quantidade imensa de dados, foi concluida a observação de uma partícula que coincide com todas características do teorizado bóson de Higgs, dentro de uma margem de erro cabível, concretizando assim a descoberta da partícula[8,9]. Este grande feito mostra que a cada dia mais nos encaminhamos para descobertas inimagináveis.

   Todavia, ainda há muitas respostas que podemos obter, e muitas coisas que devemos desvendar para incrementar ainda mais o modelo padrão. Uma das questões ainda em aberto, está relacionada com a detecção (ou não) do gráviton; e também existe muito a se discutir sobre a antimatéria, assunto ao qual não me estendi, mas se surgir o interesse, posso voltar para discutir.

  Por enquanto, finalizo por aqui este pequeno resumo das descobertas que séculos atrás eram inimagináveis sem o conhecimento científico que temos nos dias atuais.

Autora: Mariana Carachinski.

^{[1] Momento angular intrínseco (inerente) da partícula [6].}

^{[2] Partículas simétricas (de mesma massa e spin), mas de cargas diferentes, elas compõem a denominada antimatéria [7].}

Referências:

[1] Pinheiro L.A.. Costa S.S.C.. Moreira M.A.. Do átomo grego ao Modelo Padrão: os indivisíveis de hoje. Textos de apoio ao  professor de Física. Volume 22.. n.6. 2011. Páginas (72 a 88). Disponível em: https://www.if.ufrgs.br/public/tapf/v22_v6_pinheiro_costa_moreira.pdf. Acessado no dia: 24/05/2021;

[2] CERN, Accelerating Science. The Standard Model: The Standard Model explains how the basic building blocks of matter interact, governed by four fundamental forces. Disponível em: https://home.cern/science/physics/standard-model. Acessado no dia:  17/05/2021;

[3] Office of science. DOE Explains…the Standard Model of Particle Physics. Disponível em: https://www.energy.gov/science/doe-explainsthe-standard-model-particle-physics#:~:text=The%20Standard%20Model%20includes%20the. Acessado no dia: 24/05/2021;

[4] Neutrinos. Introdução ao Modelo Padrão. Disponível em:  https://propg.ufabc.edu.br/mnpef-sites/neutrinos/index.php/situando/modelo-padrao/. Acessado no dia: 24/05/2021;

[5] IOP, Institute of Physics. The Standard Model.Disponível em:  https://www.iop.org/explore-physics/physics-stepping-stones/standard-model#gref. Acessado no dia: 24/05/2021;

[6] Eisberg R., Resnick R.. Física Quântica: Átomos, Moléculas, Sólidos, Núcleos e Partículas. Elsevier. 1994. p.353.

[7] Neutrinos. AS PARTÍCULAS ELEMENTARES. Disponível em: https://propg.ufabc.edu.br/mnpef-sites/neutrinos/index.php/situando/particulas_elementares/. Acessado no dia: 24/05/2021;

[8] CERN, Accelerating Science. The Higgs boson: Elementary particles gain their mass from a fundamental field associated with the Higgs boson. Disponível em: https://home.cern/science/physics/higgs-boson. Acessado no dia: 25/05/2021;

[9] Fermilab. Higgs Boson 2016. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=1AamFQWwh94. Acessado no dia: 22/06/2021;

[10] Quantamegazine. A New Map of All the Particles and Forces. Disponível em: https://www.quantamagazine.org/a-new-map-of-the-standard-model-of-particle-physics-20201022/. Acessado no dia: 24/05/2021;