Quark: A Partícula Elementar que Forma os Prótons e Nêutrons

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No principio houve uma grande dificuldade teórica em acreditar que os quarks realmente existiam, pois eles são detectados em conjunto, formando novas partículas. Por esse motivo é muito difícil medir experimentalmente a massa do quark.

Até bem pouco tempo acreditava-se que a matéria era composta principalmente por prótons, nêutrons e elétrons. Estudos mais recentes sobre radiações nucleares e de choques entre partículas revelaram diversos novos componentes da matéria.

A massa de um elétron é bem inferior às massas dos prótons e dos nêutrons. E foi este fator que fez com que os estudiosos suspeitassem que essas partículas nucleares fossem compostas por outras. A partir de diversas análises foi sugerido que o núcleo seria composto por quarks. Eles são sempre detectados em grupos de três.

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História dos Quarks

O Que São Quarks?

Propriedades dos Quarks

História dos Quarks

O modelo de quarks foi proposto independentemente pelos físicos Murray Gell-Mann e George Zweig em 1964. A proposta veio logo após a formulação de 1961 de Gell-Mann de um sistema de classificação de partículas conhecido como Oitavo Caminho; ou, em termos mais técnicos, SU sistema de sabor, simplificando sua estrutura.

O físico Yuval Ne’eman desenvolveu um esquema semelhante ao oitavo caminho no mesmo ano. Uma tentativa inicial de organização constituinte estava disponível no modelo Sakata.

O Modelo Inicial

No momento da criação da teoria dos quarks, o zoo das partículas incluía, entre outras partículas, uma multidão de hádrons. Gell-Mann e Zweig postularam que eles não eram partículas elementares, mas eram compostos de combinações de quarks e antiquarks. Seu modelo envolvia três sabores de quarks up, down e strange, aos quais atribuíam propriedades como spin e carga elétrica.

A reação inicial da comunidade de física à proposta foi mista. Houve uma disputa particular sobre se o quark era uma entidade física ou uma mera abstração usada para explicar conceitos que não eram bem entendidos na época.

Em menos de um ano, foram proposta extensões para o modelo de Gell-Mann-Zweig. Sheldon Lee Glashow e James Bjorken previam a existência de um quarto sabor de quark, que eles chamavam de charm.

A adição foi proposta porque permitiu uma melhor descrição da interação fraca (o mecanismo que permite que os quarks se decomponham), equalizou o número de quarks conhecidos com o número de léptons conhecidos e implicou uma fórmula de massa que reproduziu corretamente as massas dos quarks, mésons conhecidos.

Os Primeiros Experimentos

Em 1968, experimentos de espalhamento inelástico profundo no Centro de Acelerador Linear de Stanford (SLAC) mostraram que o próton continha objetos pontuais muito menores e, portanto, não era uma partícula elementar.

Os físicos relutavam em identificar esses objetos com quarks na época, chamando-os de “partons” ­ um termo cunhado por Richard Feynman. Os objetos que foram observados no SLAC seriam identificados como quarks up e down quando os outros sabores fossem descobertos. No entanto, “parton” permanece em uso como um termo coletivo para os constituintes de hádrons (quarks, antiquarks e gluons).

A estranha existência do quark foi indiretamente validada pelos experimentos do SLAC: não apenas foi um componente necessário do modelo de três quarks de Gell-Mann e Zweig, mas forneceu uma explicação para o Kaon e o pion, por exemplo, hádrons descobertos nos raios cósmicos em 1947.

Novos Sabores de Quark

Num artigo de 1970, Glashow, John Iliopoulos e Luciano Maiani apresentaram o chamado mecanismo Gim para explicar a não observação experimental de correntes neutras que alteram o sabor.

Este modelo teórico exigia a existência do quark charm ainda não descoberto. O número de supostos sabores de quark cresceu para os seis atuais em 1973; quando Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa observaram que a observação experimental de violação de CP poderia ser explicada se houvesse outro par de quarks.

Quark charm foram produzidos quase que ao mesmo tempo por duas equipes, em novembro de 1974 no SLAC sob Burton Richter e um no Brookhaven National Laboratory sob Samuel Ting. Os quarks charm foram descobertos ligados com antiquarks charm em mésons. A descoberta convenceu a comunidade de física da validade do modelo de quarks

Em 1977, o quark down foi observado por uma equipe do Fermilab liderada por Leon Lederman. Este foi um forte indicador da existência do quark top: sem o quark top, o quark bottom não teria parceiro.

No entanto, só em 1995 é que o quark top foi observado, também pelas equipes CDF e DO no Fermilab. Ele tinha uma massa muito maior do que a esperada, quase tão grande quanto a de um átomo de ouro.

Experiências de acelerador forneceram evidências para todos os seis sabores. O quark up, observado pela primeira vez no Fermilab em 1995 foi o último a ser descoberto.

O Que São Quarks?

O quark é um tipo de partícula elementar e um constituinte fundamental da matéria. Eles se combinam formando os hádrons que são partículas compostas; das quais as mais estáveis são os prótons e os nêutrons que compõem os núcleos atômicos.

Devido a um fenômeno conhecido como confinamento de cores, os quarks nunca são diretamente observados ou encontrados isolados; eles podem ser encontrados apenas dentro de hádrons que podem ser bárions ou mésons. Por essa razão, muito do que se sabe sobre os quarks foi extraído da observação dos hádrons.

Os quarks têm várias propriedades intrínsecas, incluindo carga elétrica, massa, carga de cor e spin. São as únicas partículas elementares do modelo padrão da física de partículas a experimentar todas as quatro interações fundamentais, também conhecidas como forças fundamentais. As forças fundamentais são eletromagnetismo, gravitação, interação forte e interação fraca.

Bem como as únicas partículas conhecidas cujas cargas elétricas não são múltiplos inteiros da carga elementar.

Quarks são spin ½ partículas, o que implica que eles são férmions de acordo com o teorema de spin-estatísticas. Eles estão sujeitos ao princípio de exclusão de Pauli, que afirma que não há dois férmions idênticos que possam ocupar simultaneamente o mesmo espaço.

Isto está em contraste com bósons (partículas de spin inteiro), dos quais qualquer número pode estar no mesmo estado. Ao contrário dos léptons, os quarks possuem carga de cor, o que faz com que eles se envolvam na interação forte. A atração resultante entre os diferentes quarks causa a formação de partículas compostas conhecidas como hádrons.

Dois quarks juntos formam os mésons. Já a união de três quarks formam bárions, como aqueles que compõem o núcleo atômico.

Hádrons

Os quarks que determinam os números quânticos de hádrons são chamados de quarks de valência. Existem duas famílias de hádrons: bárions, com três quarks de valência e mésons, com um quark de valência e um antiquark.

Um grande número de hádrons é conhecido, a maioria deles diferenciada pelo seu conteúdo de quarks e pelas propriedades que estes quarks constituintes conferem. A existência de hádrons exóticos com mais quarks de valência, como os tetraquarks e pentaquarks, foram conjecturados a partir do início do modelo de quarks, mas não descobertos até o início do século XXI.

Férmions

Férmions elementares são agrupados em três gerações, cada uma compreendendo dois léptons e dois quarks. A primeira geração inclui quarks up e down, o segundo strange e charm e o terceiro quarks botttom e top.

Todas as buscas por uma quarta geração de quarks e outros férmions elementares falharam, e há fortes evidências indiretas de que são mais do que três gerações que existem.

Partículas em gerações mais altas costumam ter maior massa e menos estabilidade. Fazendo assim com que elas se decomponham em partículas de menor geração por meio de interações fracas.

Apenas os quarks de primeira geração ocorrem comumente na natureza. Os quarks mais pesados só podem ser criados em colisões de alta energia e decaem rapidamente; no entanto, acredita-se que tenham estado presentes durante as primeiras frações de segundo após o Big Bang, quando o universo estava em uma fase muito quente e densa.

Tipos de Quark

Os quarks up e down têm as massas mais baixas de todos os quarks. Os quarks mais pesados mudam rápido para os quarks up e down através de um processo de decaimento de partículas; a transformação de um estado de massa mais elevado para um estado de massa mais baixo.

Por causa disso, os quarks up e down costumam ser estáveis e mais comuns no universo, enquanto quarks estranhos, chamados inferiores e superiores só podem ser produzidos em colisões de alta energia; como as que envolvem raios cósmicos e aceleradores de partículas.

Os quarks podem ser divididos em seis tipos, porém desse total apenas dois fazem parte da composição dos prótons e nêutrons. Os outros quatro quarks existiram apenas durante os primeiros momentos da criação do universo e só é possível recriá-los usando os aceleradores de partículas.

Os seis quarks são:

Up (para cima) – que é o quark mais leve. Um próton possui dois Up em seu interior e um nêutron possui um.

Down (para baixo) – ele faz dupla com o Up na constituição da matéria. Um próton possui um Down e um nêutron possui dois.

Charm (charme) – é maior que o Up e que o Down, porém só aparece em aceleradores de partículas.

Strange (estranho) – é o par do Charm e também muito pesado para permanecer inteiro na natureza. Existiu apenas nos primórdios da criação do Universo.

Top (topo) – é o mais pesado de todos os quarks, sua massa é igual à de um átomo de ouro.

Bottom (fundo) – assim como os três anteriores, é muito pesado para existir hoje. Nos aceleradores dura apenas um milionésimo de milionésimo de segundo.

Antiquarks

Para cada sabor de quark existe um tipo correspondente de antipartícula, conhecido como um antiquark, que difere do quark apenas em algumas de suas propriedades, tem igual magnitude, mas sinal oposto.

Como com a antimatéria em geral, os antiquarks têm a mesma massa, tempo médio de vida e spin como seus respectivos quarks, mas a carga elétrica e outras cargas têm o sinal oposto. Os antiquarks são antiup, antidown, anticharm, antistrange, antitop, antibottom.

Propriedades dos Quarks

Os quarks possuem duas propriedades que são muito importantes, o sabor e a cor.

Carga Elétrica

Quarks têm fracionais valores de carga elétrica ­ 1/3 ou + 2/3 elementar (E) dependendo do sabor. Up, charm e top quarks têm carga de + 2/3, ao mesmo tempo down, strange e bottom têm ­ 1/3 e. Os antiquarks têm a carga oposta aos seus quarks.

Como a carga elétrica de um hádron é a soma das cargas dos quarks que os compõem, todos os hádrons tem cargas inteiras; a combinação de três quarks (bárions), três antiquarks (antibárions) ou um quark e um antiquark (mésons) sempre resultam em cargas inteiras.

Spin

O spin é uma propriedade intrínseca das partículas elementares e sua direção é um importante grau de liberdade. Às vezes, é visualizado como a rotação de um objeto em torno de seu próprio eixo (daí o nome spin), embora essa noção seja um tanto equivocada em escalas subatômicas, porque se acredita que partículas elementares sejam pontuais.

O spin pode ser representado por um valor cujo comprimento é medido em unidades da constante reduzida de Planck pron. Para os quarks, uma medição do componente do vetor de spin ao longo de qualquer eixo só pode produzir os valores +h/2 ou ­ h/2; por esta razão os quarks são classificados como spin ½ partículas.

Interação Fraca

O quark de um sabor pode se transformar em um quark de outro sabor apenas através da interação fraca, uma das quatro interações fundamentais na física de partículas. Ao absorver ou emitir um bóson w, os quarks up, charm e top podem se transformar em down, strange ou botton e vice versa.

Este mecanismo de transformação de sabores causa o processo radioativo do decaimento beta, no qual um nêutron (n) divide um próton (p) um elétron (e) e um antineutrino eletrônico.

Isso ocorre quando um dos quarks down do nêutron decai em um quark up emitindo um bóson virtual, transformando o nêutron em próton. O bóson então se decompõe em um elétron e um elétron antineutrino.

Tanto o decaimento beta quanto o processo inverso do decaimento beta inverso são usados em aplicações médicas, como; a tomografia por emissão de pósitrons (PET) e em experimentos que envolvem a detecção de neutrinos.

Embora o processo de transformação de sabores seja o mesmo para todos os quarks, cada quark tem preferência para se transformar no quark de sua própria geração.

Interação Forte e Carga de Cor

De acordo com a cromodinâmica, os quarks possuem uma propriedade chamada carga de cor. Existem três tipos de carga de cor, rotulados arbitrariamente de azul, verde e vermelho. Cada um deles é complementado por uma anticor ­ antiazul, antiverde e antivermelho. Todo quark carrega uma cor, enquanto todo antiquark carrega uma anticor.

O sistema de atração e repulsão entre os quarks carregados com diferentes combinações das três cores é chamado interação forte. É mediada pela força que transporta partículas conhecidas como glúons. A teoria que descreve interações fortes é chamada de cromodinâmica quântica.

Um quark terá um único valor de cor, pode formar um sistema encadeado com um antiquark carregando a anticor correspondente. Além disso, o resultado de dois quarks de atração será a neutralidade da cor: um quark com carga de cor mais um antiquark ­ resultará em uma carga de cor 0 ou cor branca e a formação de um meson.

Da mesma forma, a combinação de três quark, cada um com diferentes cargas de cor ou três antiquarks, cada um com cargas de anticor, vai resultar no mesmo branco carga de cor e a formação de um bárion ou antibárion. Na moderna física de partículas, as simetrias de calibre – uma espécie de grupo de simetria – relaciona as interações entre as partículas.

Massa

Dois termos são usados para se referir à massa de um quark: a massa de quark atual se refere à massa de um quark por si só, enquanto a massa de quark constituinte se refere à massa de quark atual mais a massa do campo de partículas de glúon ao redor do quark.

Essas massas costumam ter valores muito diferentes. A maior parte da massa dos hádrons vem dos glúons que unem os quarks constituintes e não dos próprios quarks. Embora os glúons sejam inerentemente sem massa, eles possuem energia ­ mais especificamente energia de ligação da cromodinâmica quântica -­ e é isso que contribui muito para a massa total do hádron.

O modelo padrão postula que as partículas elementares derivam suas massas do mecanismo de Higgs. Este está associado ao bóson de Higgs.

Conclusão

Algumas evoluções do modelo padrão lançaram a ideia que os quarks e os léptons têm uma subestrutura. Em outras palavras, este modelo assume que as partículas elementares do modelo padrão são de fato partículas compostas, feitas de algum outro constituinte elementar.

Tais ideias estão abertas para a fase de testes experimentais e estas teorias são severamente limitadas por falta de dados. Não há no momento atual nenhuma evidência desta subestrutura.

Referências:

  1. Quark, Wikipédia (Inglês), disponível neste link.
  2. Quark, Wikipédia, disponível neste link.
  3. Priscila Melo, Estudo Prático, O que são quarks? Disponível em: <https://www.estudopratico.com.br/o-que-sao-quarks/>.
  4. Luiz Bruno Vianna, InfoEscola, Quarks, disponível em: <https://www.infoescola.com/fisica/quarks/>.

Imagem Wikimedia Commons.

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