Conheça o Hádron e o Que o Torna Diferente dos Léptons

Tempo de leitura: 16 minutos

Você sabe o que é hádron ou lépton?

O átomo é constituído por núcleo massivo que contém prótons e nêutrons. Além disso, os elétrons se movem na parte externa, por uma região que é aproximadamente 10.000 vezes maior que o tamanho do núcleo.

Os quarks estão confinados dentro dos prótons e nêutrons. Assim como quarks e antiquarks também estão confinados dentro dos mésons.

A interação entre os quarks, medida pelos gluons é a mais forte conhecida. De fato, essas forças existem entre os hádrons, que podem ser bárions ou mésons.

Este artigo aborda tanto os hádrons quanto os léptons continue lendo e entenda mais sobre:

O Que São Hádrons?

Propriedades dos Hádrons

Classificação dos Hádrons

Interação Entre as Partículas

O Que São Léptons?

História dos Léptons

Propriedades dos Léptons

O Que São Hádrons?

Na física das partículas, um hádron é uma partícula composta formada por um estado ligado de quarks. O hádron mantém sua coesão interna devido à interação forte de maneira similar à que mantém os átomos unidos pela força eletromagnética. Os hádrons mais conhecidos são os Prótons e os nêutrons.

Os hádrons são categorizados em duas famílias: bárions, feitos de três quarks e mésons, feitos de um quark e um antiquark. Entretanto, hádrons contendo mais de três quarks de valência (Hadrons exóticos) foram descobertos recentemente.

Dos hádrons, os prótons são estáveis e os nêutrons ligados dentro dos núcleos atômicos são estáveis. Outros hádrons são instáveis sob condições normais; enquanto os nêutrons livres decaem com uma meia vida de cerca de 611 segundos.

Experimentalmente, a física hadrônica é estudada colidindo prótons ou núcleos de elementos pesados, como chumbo e detectando os detritos nos chuveiros de partículas produzidos.

Propriedades dos Hádrons

Nos anos 50 e 60, os cientistas descobriram muitos tipos de partículas subatômicas que agora são classificadas como hádrons. O conceito de quarks foi inicialmente formulado para explicar esses vários tipos de partículas.

Quarks de Valência

De acordo com o modelo de quarks, as propriedades dos hádrons são determinadas pelos seus chamados quarks de valência. Um próton, por exemplo, é composto de dois quarks up e um quark dawn. Os quarks up têm carga elétrica +2/3 e o quark dawn -1/3. Adicioná-los juntos gera a carga de prótons de +1.

Embora os quarks também tenham carga de cor, os hádrons devem ter uma carga total de cor zero devido a um fenômeno chamado confinamento de cores. Ou seja, os hádrons devem ser incolores ou brancos.

Isso ocorre de duas maneiras; três quarks de cores diferentes ou um quark de uma cor e um antiquark carregando a anticor correspondente. Os hádrons com o primeiro arranjo são chamados bárions e aqueles com o segundo arranjo são mésons.

A Cor dos Quarks

A cor dos quarks é uma propriedade quântica que os hádrons não possuem. Em analogia a teoria das cores, onde obtemos o elemento neutro (branco) tanto a partir da combinação de três cores fundamentais (bárions), quanto de uma cor e a sua complementar, a anticor mésons.

Composição do Hádron

Os hádrons, no entanto, não são compostos de apenas três ou dois quarks, devido à força da interação forte. Mais precisamente, os glúons de interação forte tem energia suficiente (E) para ter ressonâncias compostas de quarks maciços (m) (E> mc2). Assim, quarks virtuais e antiquarks, na proporção de 1: 1 formam a maioria das partículas massivas dentro de um hádron.

Os dois ou três quarks que compõem um hádron são o excesso de quarks VS. antiquarks e também no caso dos anti-hádrons (antipartículas).

Como os quarks virtuais não são pacotes de ondas estáveis (quanta), mas um fenômeno irregular e transitório, não é significativo perguntar qual quark é real e qual virtual; apenas o excesso é aparente do exterior na forma de um hadrônio.

Os gluons virtuais sem massa compõem a maioria numérica das partículas dentro dos hádrons.

Os Números Quânticos do Hádron

Como todas as partículas subatômicas, os hádrons recebem números quânticos correspondentes às representações do grupo de Poincaré: JPC (m), onde J é o número quântico do spin, P a paridade intrínseca (ou paridade P), C a conjunção de carga (ou paridade C) e m massa da partícula.

A massa de um hádron tem pouco a ver com a massa de seus quarks de valência; em vez disso, devido à equivalência massa-energia, a maior parte da massa provém da grande quantidade de energia associada à forte interação. Os hádrons também podem carregar números quânticos de sabor, como isospin (paridade G) e estranheza.

Todos os quarks possuem um número quântico conservativo e aditivo chamado número bárion (B), que é +1/3 para quarks e -1/3 para antiquarks. Isso significa que os bárions (grupos de três quarks) têm B = 1, enquanto os mésons têm B = 0.

Classificação dos Hádrons

Hádrons podem ser classificados pela sua composição e pelo seu spin.

  • Bárions são compostos de três quarks e têm spin semi-inteiro, caracterizando-se como férmions. Os bárions mais conhecidos são o próton e o nêutron.
  • Mésons são compostos de um quark e outro antiquark e são bósons, ou seja, têm spin inteiro. Píons e káons são exemplos de mésons.
  • Hádrons exóticos possuem um número diferente de quarks que os hádrons ordinários. Há quatro tipos de hádrons exóticos são eles:
    • Bárion exótico é composto de um número ímpar maior que três de quarks.
    • Méson exótico contém mais de um par quark-antiquark.
    • Méson híbrido consiste de no mínimo um par de quark-antiquark e ao menos um glúon que não seja virtual.
    • Bola de glúons não contém quark, sendo composta apenas de glúons. Estas entidades misturam-se facilmente com mésons ordinários, tornando-se de difícil identificação.

Interação Entre as Partículas

As partículas podem ser classificadas em termos das interações fundamentais a que estão sujeitas. As partículas sujeitas a interação forte são chamadas de hádrons e as partículas sujeitas a interação fraca são chamadas de léptons.

A interação forte faz com que os núcleons se mantenham unidos para formar os núcleos. A interação fraca está ligada ao decaimento beta e processos semelhantes. Podemos concluir assim, que a interação forte age apenas sobre algumas partículas, já a interação fraca age sobre todas as partículas.

Os hádrons podem ser subdivididos em mésons e bárions. Enquanto os mésons como o píon são bósons; os bárions como o próton e o nêutron, são férmions.

O Que São Léptons?

Na física de partículas, um lépton é uma partícula elementar de spin de meio inteiro que não sofre interações fortes. Existem duas classes principais de léptons: os léptons carregados; também conhecidos como léptons parecidos com elétrons e os léptons neutros; mais conhecidos como neutrinos.

Os léptons carregados podem combinar-se com outras partículas para formar várias partículas compostas, como os átomos e o positrônio, enquanto os neutrinos raramente interagem com qualquer coisa, de forma que raramente são observados. O mais conhecido de todos os léptons é o elétron.

Existem seis tipos de léptons conhecidos como sabores agrupados em três gerações. Os léptons de primeira geração, também chamados de léptons eletrônicos, compõe o elétron e o neutrino de elétrons; o segundo são os léptons muônicos, correspondendo ao múon e ao neutrono do múon; e o terceiro são os léptons tauônicos, acrrespondendo ao tau e o neutrino tau.

Os elétrons têm a menor massa de todos os léptons carregados. Os múons e taus mais pesados irão rapidamente transformar-se em elétrons e neutrinos através de um processo de decaimento de partículas: a transformação de um estado de massa mais elevado para um estado de massa mais baixo.

Assim, os elétrons são estáveis e o lépton mais comum no universo, enquanto múons e taus só podem ser produzidos em colisões de alta energia como aquelas envolvendo raios cósmicos e aquelas realizadas em aceleradores de partículas.

Os léptons possuem várias propriedades intrínsecas, incluindo carga elétrica, spin e massa. Diferente dos quarks, no entanto, os léptons não estão sujeitos à interação forte, mas estão sujeitos a outras três interações fundamentais: a gravitação, a interação fraca e o eletromagnetismo, que é proporcional à carga, portanto é zero para os neutrinos eletricamente neutros.

História dos Léptons

O primeiro lepton identificado foi o elétron, descoberto por J. J. Thomson e sua equipe de físicos, em 1897.  Em 1930, Wolfgang Pauli postulou o neutrinos de elétrons. Pauli teorizou que uma partícula não detectada estava carregando a diferença entre a energia, o momento e o momento angular das partículas finais iniciais e observadas.

O muon foi descoberto por Carl D. Anderson em 1936. Devido a sua massa foi inicialmente classificado como um meson ao invés de um lépton

Mais tarde ficou claro que o múon era muito mais semelhante ao elétron do que os mésons, pois os múons não sofrem a interação forte, portanto o múon foi reclassificado: elétrons, múons e neutrinos de elétrons foram agrupados em um novo grupo de partículas – os léptons.

Em 1962, Leon M. Lederman, Melvin Schwartz e Jack Steinberger mostraram que existe mais de um tipo de neutrino, detectando primeiro as interações do neutrino do múon.

O tau foi detectado pela primeira vez em uma série de experimentos entre 1974 e 1977 por Martin Lewis Perl com seus colegas do grupo SLAC LBL. Assim como o elétron e o múon, também era esperado que ele tivesse um neutrino associado.

A primeira evidência para os neutrinos da tau veio da observação de energia e do momento “ausentes” no decaimento da tau, análoga à energia e momento “ausentes” no decaimento beta, levando à descoberta do neutrino do elétron.

A primeira detecção de interações de neutrinos de tau foi anunciada em 2000 pela colaboração DONUT no Fermmilab, fazendo com que a mais recente partícula do modelo padrão fosse observada diretamente, além do bóson de Higgs, que foi descoberto em 2012.

Propriedades dos Léptons

Rotação e Quiralidade

Léptons são spin – ½ partículas. O teorema da estatística de spin, portanto, implica que eles são férmions e, portanto que estão sujeitos ao princípio de exclusão de Pauli: Não há dois léptons da mesma espécie que possam estar no mesmo estado ao mesmo tempo.

Além disso, significa que um lépton pode ter apenas dois possíveis estados de rotação, ou seja, para cima ou para baixo.

Uma propriedade intimamente relacionada é a quiralidade, que por sua vez está relacionada a uma propriedade mais facilmente visualizada chamada helicidade.

A helicidade de uma partícula é a direção de sua rotação em relação ao seu momento; partículas com spin na mesma direção que seu momento são chamadas destras e de outra forma são chamadas canhoto.

Quando uma partícula é sem massa, a direção do seu momento em relação ao seu spin é independente do quadro. Enquanto que para partículas massivas é possível “ultrapassar” a partícula por uma transformação de Lorentz invertendo a helicidade.

A quiralidade é uma propriedade técnica (definida através do comportamento de transformação sob o grupo Poincaré) que concorda com a helicidade para partículas aproximadamente sem massa e ainda é bem definida para partículas massivas.

Interação Eletromagnética

Uma das propriedades mais importantes dos léptons é sua carga elétrica, Q. A carga elétrica determina a força do campo elétrico gerado pela partícula e quão fortemente a partícula reage a um campo elétrico ou magnético externo.

Cada geração contém um lépton com Q = – e (convencionalmente a carga uma partícula é expressa em unidades da carga elementar) e um lépton com carga elétrica nula. O lépton com carga elétrica é chamado simplesmente de “lépton carregado”, enquanto o lépton neutro é chamado de neutrino. Por exemplo, a primeira geração consiste no elétron ecom uma carga elétrica negativa e o neutrino eletronicamente neutro ve.

Na linguagem da teoria quântica de campos, a interação eletromagnética dos léptons carregados é expressa pelo fato de as partículas interagirem com o quantum do campo eletromagnético, o fóton.

Interação Fraca

No modelo padrão, o lépton carregado canhoto e o neutrino canhoto são dispostos em dupleto (v e L, e L) que se transforma na representação do spinor (T = ½) da simetria de calibre da fraca isospin SU. Isso significa que essas partículas são auto-estatais da projeção isospin T3 com autovalores 1 and2 e ½ respectivamente.

Enquanto isso, o lépton carregado do lado direito se transforma como um isósparo escalar fraco (T = 0) e, portanto, não participa da interação fraca, enquanto não há evidencia de que um neutrino destro exista.

Massa

No modelo padrão, cada lépton começa sem massa intrínseca. Os léptons carregados (isto é, o elétron o múon e o tau) obtêm uma massa efetiva por meio da interação com o campo de Higgs, mas os neutrinos permanecem sem massa.

Por razões técnicas, a falta de massa dos neutrinos implica que há mistura das diferentes gerações de léptons carregados como existe para os quarks. Isto está em estreita concordância com as observações experimentais atuais.

No entanto, é conhecido a partir de experimentos mais proeminentemente das oscilações de neutrinos observadas, que os neutrinos possuem de fato uma massa muito pequena, provavelmente menor que 2 eV / C2. Isso implica a existência da física além do modelo padrão.

A extensão mais favorecida é o chamado mecanismo de gangorra, que explicaria por que os neutrinos canhotos são tão leves em comparação com os correspondentes léptons carregados, e por que ainda não vimos nenhum neutrino destro.

Números Leptônicos

Os números do dueto de isospina fraco de cada geração recebem números leptônicos que são conservados sob o modelo padrão. Elétrons e neutrinos de elétrons têm um número eletrônico de Le = 1; enquanto múons têm um número muônico de Lµ = 1; enquanto partículas de tau e neutrinos de tau têm um número tauônico de LT = 1.

Os antileptônicos têm os números leptônicos de sua respectiva geração de -1.

A conservação dos números leptônicos significa que o número de léptons do mesmo tipo permanece o mesmo, quando as partículas interagem. Isto implica que léptons e antiléptons devem ser criados em pares de uma única geração.

No entanto, sabe-se que as oscilações dos neutrinos violam a conservação dos números leptônicos individuais. Tal violação é considerada evidência de fumigação para a física além do modelo padrão.

Uma lei de conservação muito mais forte é a conservação do número total de léptons (L), conservados até mesmo no caso de oscilações de neutrinos, mas ainda é violado por uma pequena quantidade pela anomalia quiral.

Conclusão

A pálavra lépton vem do grego e significa “leve” em oposição aos hádrons que são “pesados”. Léptons comportam se como férmions e não são feitos de quarks. Os léptons não sentem a força nuclear forte, mas interagem com os hádrons pela força nuclear fraca.

Referências:

  1. Wikipédia, Hadron, disponível neste link.
  2. Wikipédia, Hádron, disponível neste link.
  3. Marina Nielsen e Fernando S. Navarra, Ciência Mão, Física de Hádrons, disponível em: <http://www.cienciamao.usp.br/cienciasfisicas/index.php?painel=06>.
  4. SILVA, Domiciano Correa Marques da. “Hádron ou Lépton”; Brasil Escola. Disponível neste link.
  5. Hádron, Enciclopédia do Novo Mundo, disponível neste link.
  6. Wikipédia, Lepton, disponível em: <https://en.wikipedia.org/wiki/Lepton>.
  7. Wikipédia, Lépton, disponível em: <https://pt.wikipedia.org/wiki/Lépton>.

Imagem Wikimedia Commons.

Comments

comments