Física de partículas

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A Física de partículas é um ramo da Física que estuda os constituintes elementares da matéria e da radiação, e a interação entre eles e suas aplicações. É também chamada de Física de altas energias, porque muitas partículas elementares só podem ser criadas a energias elevadas, logo a detecção destas também é possível apenas a altas energias de aceleração. O elétron e o próton foram as únicas partículas aceleradas até os dias de hoje, outras nunca foram detectadas (como o gráviton) e as restantes foram detectadas através da radiação cósmica (como o méson pi e o méson mu).

A Física de partículas, estudada pela Mecânica Quântica (parte da Física Moderna), busca o fundamental, o nível mais básico da matéria e da Natureza. Todo o nosso mundo visível se fundamenta nesse nível invisível das partículas elementares. Podemos chamar de partículas elementares toda a porção indivisível da matéria, como os elétrons, os fótons, os quarks e outras.

Breve história

Os gregos antigos formularam dois conceitos sobre Física de Partículas. O primeiro foi formulado por Tales de Mileto e diz respeito à eletricidade. O segundo foi formulado por Demócrito e diz que toda matéria pode ser dividida até chegar em um ponto que se encontraria a parte mais fundamental e indivisível da matéria a que Demócrito deu o nome de átomo. Ele dizia que o átomo não poderia ser criado ou destruído e que toda a matéria conhecida seria formada por diversas combinações de diferentes átomos. Suas ideias se aproximavam muito dos atuais conceitos de física atômica.

As ideias de Demócrito só voltaram a ser revistas no século XIX, por Dalton. As de Tales de Mileto foram revistas a partir do século XV.

Principais partículas e antipartículas conhecidas: Elétron, pósitron, próton, antipróton, nêutron, antinêutron, neutrino, antineutrino, Mésons (pi+, pi0, pi-, mu+, mu-, k+, k-, k0), hiperons (lambda 0, sigma +, sigma 0, sigma -) e fótons.

Modelo de Thomson

Partículas subatômicas

Ver artigo principal: Partícula subatômica

A pesquisa moderna da física da partícula é focalizada nas partículas subatômicas, que têm dimensões menores que as dos átomos. Incluem constituintes atômicos tais como elétrons (no modelo padrão ele é um lépton, junto com o muon, o tau e os respectivos neutrinos.), prótons, e nêutrons (os prótons e os nêutrons são partículas compostas, feita de quarks), partículas produzidas por processos radiativos e de espalhamento tais como fótons, neutrinos, e múons, bem como uma larga escala de partículas exóticas.

• Elétron: Partícula mais conhecida e mais estudada, pertence a categoria de Léptons. Massa de repouso: 9,1083 x 10⁻³¹ kg, carga elétrica: − 1,602 x 10⁻¹⁹ C, Spin: 1/2 ħ
• Pósitron: Já era previsto por Paul Dirac e sua existência foi confirmada em 1930-1940 pelo físico americano Anderson. É a antipartícula do elétron, possui massa de repouso e spin iguais aos do elétron. Carga elétrica de mesmo módulo e sinal contrário.
• Próton: É um núcleon partícula que se localiza no núcleo. Também pode ser classificada como um Bárion (tipo de partícula formada por 3 Quarks ligados por Glúons) e possui massa 1836,12 vezes a massa do elétron. Mesmo spin e carga de sinal contrário.
• Antipróton: Descoberto em 1955. Já se suspeitava que existissem outras antipartículas desde a descoberta do pósitron. Possui mesma massa e spin que o próton, mas carga de sinal oposto (sinal negativo).
• Nêutron: Como o próton, é um nucleon e também é classificado como Bárion. Possui carga nula, massa 1836,65 vezes a massa do elétron e spin 1/2 ħ. Pode se desintegrar dando origem a um próton, um elétron e um neutrino apenas quando está livre (fora do núcleo).
• Antinêutron: Possui exatamente as mesmas características do nêutron, mas organização interna diferente. Um nêutron é composto de um quark up e dois quarks down. Logo, imagina-se que o antinêutron seja formado por um antiquark up e dois antiquarks down.
• Fótons: É a partícula de mediação da força eletromagnética, classificada como Bóson, são chamados de quantum do campo eletromagnético. Possui massa e carga elétrica zero e spin 1 ħ.
• Grávitons: Teoricamente é a partícula mediadora da força Gravitacional, também sendo classificada como um Bóson, analogamente ao fóton, o gráviton é o quantum do campo gravitacional. Não se tem muita informação experimental sobre ele. Só existe com velocidades próximas ou iguais a c (velocidade da luz no vácuo).
• Mésons: São uma classe de Hádrons quer dizer, massa média. São partículas que possuem massa entre a do elétron e a do próton. Existem oito tipos de mésons:

- Mésons pi +, - e 0, méson mu +, - , méson k+, - e 0.

• Híperons: Partículas de massa maior que a do próton. Pode ser dividido em seis tipos:

- Hiperons lambda 0, hiperon sigma +, -, 0 , hiperon csi+, 0

• Neutrinos: O neutrino surge da desintegração de um nêutron em próton e elétron. Possui massa menor que 0,000005 vezes a massa do elétron e até agora foram descobertos quatro tipos de neutrinos diferentes.

• Glúon: é um bóson vetorial de massa nula. Há oito tipos de glúon. São partículas que intermediam a interação forte (assim como o fóton intermedia a interação eletromagnética).

• Tau: é uma partícula subatômica da família dos léptons, sendo que ele é muito parecido com o elétron, ele pode ser genericamente chamado de elétron super-pesado. Sua anti-partícula é o anti-tau. Como no caso do elétron e do múon, o tau tem um neutrino associado, este é o neutrino de tau, seu tempo de vida é de cerca 2,9 × 10¹³.

• Múon: é uma partícula elementar semi-estável com carga elétrica negativa e spin de 1/2 (férmion). Em conjunto com o elétron, o tau e seus respectivos neutrinos, é classificado como fazendo parte da família dos léptons.

Interações fundamentais

Ver artigo principal: Interações fundamentais

São quatro as interações fundamentais:

1. Interação gravitacional
2. Interação eletromagnética
3. Interações nucleares fortes - Possuem natureza atrativa e repulsiva, dependendo da distância. Se estiver a uma distância d maior que 0,4 fermi, torna-se repulsiva. Possui intensidade maior que a força gravitacional e, até a uma determinada distância (raio do núcleo), maior que a eletromagnética. É responsável pela união de prótons e nêutrons no núcleo, visto que é independente da carga elétrica.
4. Interação nuclear fraca - É mais forte que a interação gravitacional. Há uma teoria que une a interação fraca com a eletromagnética, afirmando que trata-se da mesma interação sob duas formas chamada interação eletrofraca. Foi formulada e está sendo desenvolvida uma teoria de unificação das 4 interações fundamentais conhecida como Teoria da Supergravidade.

Livros recomendados

• O Discreto charme das partículas elementares (Cristina Abdalla)

Ver também

• Férmion
• Hádron
• Lépton
• Núcleo
• Quark
• Antimatéria
• Cromodinâmica quântica
• Eletrodinâmica quântica
• Espalhamento profundamente inelástico
• Física de aceleradores
• Física matemática
• Mecanismo de Higgs
• Modelo padrão
• Modelo Technicolor
• Partícula virtual
• Processo Drell-Yan
• Problema de hierarquia
• Quebra espontânea de simetria
• Simetria Left-Right
• Supersimetria
• Teorias de grande unificação
• Teoria das supercordas
• Teoria quântica de campos
• Táquion

Ligações externas

• A aventura das Partículas (em português)
• Notícias e Recursos sobre a Física de Partículas
• Site Oficial da Teoria das Cordas
• Grupo de Física de Partículas e Campos da UFPB (em português)
• Problemas de Físicas para o Próximo Milênio
• Instituto de Física Teórica da Unesp (em português)
• Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (em português)