Nos últimos 115 anos, os físicos descobriram que quase tudo o que é material, incluindo pedras, chuva, sol e luz solar, ondas do mar e ondas de rádio, pode ser descrito em termos de partículas (e seus campos correspondentes). As experiências descobriram uma variedade de tipos de partículas que hoje parecem elementares para nós (ou seja, elas não consistem em partículas mais elementares). Toda a diversidade complexa de nosso mundo familiar consiste em um pequeno conjunto de tais partículas. As partículas restantes são fugazes, decaem tão rapidamente que, em condições normais, não as encontramos. Mas eles podem manter as chaves dos segredos do universo que permanecem inacessíveis para nós.
Neste artigo, você encontrará uma pequena visão geral do entendimento atual das partículas e sua organização em classes. Algo como uma tabela periódica de partículas com alguns truques. Além disso, você aprenderá o que o campo de Higgs e seu papel crítico na vida do universo fazem com as partículas.
Nosso entendimento atual, junto com as hipóteses mais simples sobre a operação da partícula e do campo de Higgs, é reduzido a um conjunto de equações chamado "Modelo Padrão da Física de Partículas" ou simplesmente "Modelo Padrão". As partículas elementares no Modelo Padrão historicamente têm nomes muito estranhos, além de grande dispersão em massa. Na fig. 1:
• Desenhei partículas mais pesadas por cima e leves por baixo. De acordo com minha lógica, partículas sem massa são o nível mínimo e não há limite superior para a massa de partículas. Ou seja, há um piso duro abaixo e apenas céu acima.
• Em vez de massas, cito energias de massa equivalentes (E = mc
2 ), que são comumente usadas por físicos de partículas. Controlar a energia que não desaparece e não aparece é mais fácil do que rastrear a massa de partículas que podem mudar em determinados processos, por exemplo,
durante a decomposição . A unidade GeV é aproximadamente igual à energia de massa do átomo mais leve, o hidrogênio.
• Identifiquei três classes de partículas: leptões carregados (discos azuis), neutrinos (discos pretos) e quarks (discos vermelhos). Os quarks são geralmente divididos em duas classes, superior e inferior, diferindo apenas na carga elétrica. A importância dessa classificação ficará clara mais tarde.
• Nos retângulos, indiquei três interações junto com suas partículas transportadoras. Excluí a quarta interação, a gravidade, para não entupir a imagem.
• O campo Higgs (ou algo que desempenha seu papel) na natureza é, em média, diferente de zero. Eu o designei através de um fundo verde.
Fig. 1
Que tipo de partículas são essas? Todos eles têm antipartículas, mas por brevidade eu os omito. Vamos examinar rapidamente a estrutura da matéria, desmontando-a até atingirmos o nível desejado.
• Átomos, cujo raio é cerca de um bilhão de vezes menor que a sua cabeça, são compostos de elétrons e núcleos atômicos.
• Os átomos absorvem e emitem partículas de luz, fótons. Isso acontece devido à interação eletromagnética realizada pelo fóton (ou seja, quando o eletromagnetismo funciona, os fótons estão sempre presentes).
• Núcleos atômicos são compostos de prótons e nêutrons, 100.000 menores que o próprio átomo, e consistem principalmente em quarks superiores e inferiores (e antiquarques) e glúons.
• Prótons e nêutrons não se separam e também são retidos dentro do núcleo devido à forte interação realizada por 8 tipos de glúons.
• O sol está brilhando e alguns núcleos atômicos decaem devido à conversão de quarks de um tipo em quarks de outro tipo. Nesse caso, elétrons e neutrinos são emitidos, essas partículas vêm diretamente do centro do sol.
• Essa transformação de quarks e a emissão de neutrinos é devida à fraca interação carregada pelas partículas W
+ , W
- e Z
0 .
• A última interação conhecida é a gravidade, que supostamente carrega um graviton. Devido à incrível fraqueza da gravidade, essa partícula é muito difícil de detectar.
Quase todos os aspectos do nosso mundo são determinados por essas partículas. Mas existem outros. O elétron, neutrino-1, o quark superior e o quark inferior são chamados de "geração" de partículas - nesse caso, a geração significa aproximadamente o mesmo que o de uma árvore genealógica. Existem duas gerações mais pesadas, cada uma com cópias ponderadas dessas quatro partículas.
• A segunda geração consiste em um múon, neutrino-2, um quark encantado e um quark estranho.
• A terceira geração consiste em tau, neutrino-3, t-quark e b-quark.
A estrutura de gerações divide essas partículas em camadas horizontais. Eles também podem ser divididos verticalmente nas classes que mencionei: as pessoas costumam falar sobre "partículas do tipo eletrônico" ou "leptões carregados", referindo-se ao elétron, múon e tau, falam sobre "neutrinos" em geral e dividem os quarks em "superiores" (superior, encantado, t) e "inferior" (inferior, estranho, b).
Você pode estar se perguntando por que os neutrinos têm nomes tão chatos em comparação com outras partículas. Nós os chamamos de forma diferente, mas nos últimos 20 anos aprendemos muito sobre eles e continuamos aprendendo. Talvez quando a poeira baixar, daremos a eles novos nomes.
Sabemos pouco sobre a partícula de Higgs, mas em um futuro próximo aprenderemos mais.
Vamos dar uma olhada nas diferentes massas. Eles não apenas têm uma disseminação enorme, mas também não possuem um sistema explícito. Aqui estão algumas notas sobre massas, começando pelas partículas mais leves:
• O fóton e o graviton provavelmente não têm massa - sua massa deve ser surpreendentemente pequena para que haja campos magnéticos intergaláticos observáveis e enormes estruturas do Universo.
• Os glúons não têm massa, na medida em que faz sentido - eles passam a vida em cativeiro dentro de hádrons, como prótons, e medir sua massa diretamente não é fácil.
Os teóricos discutem há muito tempo sobre a presença de massa de neutrinos. Os experimentos da última década resolveram essa disputa (embora, devido ao fato de que as evidências obtidas sejam indiretas, ainda haja espaço para manobras). As massas de neutrinos são muito pequenas, a mais pesada delas é pelo menos um bilhão de vezes mais leve que o átomo mais leve (hidrogênio), e a massa das mais leves é ainda menor.
• Massas de outras partículas são conhecidas. Um elétron é cerca de 1800 vezes mais leve que o hidrogênio, um quark t é cerca de 400.000 vezes mais pesado que um elétron e apenas alguns por cento mais leve que um átomo de ouro. A massa das partículas W e Z é aproximadamente metade da massa do t-quark.
• Todas as partículas com massa significativa a possuem devido à interação com o campo de Higgs. Os neutrinos podem receber massa não diretamente, mas o campo de Higgs também desempenha um papel importante. Notei esse fato através das molduras verdes de várias espessuras em discos que denotam partículas.
• A energia de massa de uma partícula de Higgs é de 125 GeV
Na fig. 2 Agrupei partículas e interações de maneira diferente.
Fig. 2
A figura mostra quais partículas afetam diretamente quais. Desenhei linhas entre todos os tipos de partículas que interagem diretamente entre si. O que é interessante notar:
• Nada do que costuma ser chamado de partículas de matéria - leptões, neutrinos ou quarks carregados de matéria - interage entre si.
• Partículas de matéria interagem diretamente apenas com partículas que transferem interações!
Isso explica por que as operadoras de interação são chamadas dessa maneira. Quando um elétron em um átomo interage com um quark superior em um núcleo atômico, ele não faz isso diretamente. Um elétron interage diretamente com um fóton, um quark interage com um fóton e, como resultado (é bastante complexo e não intuitivo), verifica-se que o elétron é atraído pelo quark e vice-versa. Da mesma forma, a interação entre dois quarks é indireta e vem da interação direta de quarks com glúons. Todas as interações conhecidas entre partículas de matéria não ocorrem diretamente; portadores de interações participam delas. Quando você abre a porta, os fótons funcionam.
A figura também indica várias propriedades importantes de interações e classes de partículas:
• Todas as partículas de uma determinada classe obedecem a uma interação - é isso que determina sua pertença à classe. Os neutrinos sentem apenas uma interação fraca. Apenas quarks e glúons sentem uma forte interação.
• Linhas curvas mostram que algumas das operadoras de interação interagem diretamente consigo mesmas ou com outras operadoras. Os glúons interagem consigo mesmos, mas o fóton não interage consigo mesmo (pelo menos não diretamente).
• De certa forma, a partícula de Higgs também é portadora de interação. Mas este é um caso especial. Quanto mais forte o efeito exercido pela interação de Higgs em uma partícula, maior a massa dessa partícula em um campo de Higgs diferente de zero. (Esta afirmação é verdadeira para partículas conhecidas, mas pode não ser verdade para aquelas ainda não descobertas). Eu o marquei com o gradiente do campo verde, que fica mais escuro no topo, o que significa a amplificação do efeito para partículas pesadas. Da mesma forma, uma partícula de Higgs interage mais fortemente com partículas pesadas do que com partículas leves.
Este mundo parece terrivelmente estranho, mas, quer você queira ou não, é nosso. Você pode ver alguns esquemas mais ou menos marcados, mas ainda não há uma organização clara. A desorganização, de uma maneira ou de outra, está relacionada ao campo (ou campos) de Higgs.