Lptons e Quarks: os constituintes bsicos de todo o UniversoVimos que, segundo o modelo de Bohr, os tomos so formados por eltrons que esto em rbita em torno de um ncleo que, por sua vez, formado por prtons e nutrons. No entanto a mecnica quntica nos mostrou que o tomo muito mais complexo do que isto. Ao mesmo tempo, a fsica de partculas elementares, ao estudar o ncleo dos tomos, nos revelou um segredo muito bem guardado: os prtons e nutrons no eram partculas verdadeiramente elementares. Tanto os prtons como os nutrons eram formados por partculas ainda menores, estas sim partculas fundamentais. Classificao das Partculas Fundamentais As partculas realmente fundamentais, ou seja aquelas que no so formadas por nenhuma outra e a partir das quais todas as outras partculas so formadas, so separadas em trs grupos chamados coletivamente de lptons, quarks e mediadores. Todas estas partculas fundamentais possuem antipartculas que tambm so consideradas fundamentais. A diviso delas nestes grupos feita de acordo com propriedades caractersticas que elas possuem. Note nas tabelas abaixo que a carga dada em unidades da carga do eltron. A massa dada em unidades de MeV/c2, unidade muito usada pelos fsicos de partculas elementares. Um MeV equivalente a 106 eltrons-volts (eV) e a letra c representa a velocidade da luz, cerca de 300000 km/segundo. Deste modo, Mev/c2 = 1,782676 x 10-30 quilogramas. LPTONS nome do lpton primeira gerao eltron neutrino do eltron segunda gerao muon neutrino do muon terceira gerao tau neutrino do tau carga -1 0 -1 0 -1 0 massa (em Mev/c2) 0,511003 0 105,659 0 1784 0 tempo de vida (em segundos) infinito infinito 2,197 x 10-6 infinito 3,3 x 10-13 infinito

QUARKS Estas so partculas fundamentais da natureza que esto no ncleo do tomo. Acreditamos hoje que os quarks so a unidade estrutural mais fundamental a partir da qual todas as partculas nucleares se formam. Existem 6 tipos de quarks: up, down, strange, charm, bottom e top. Chamamos de flavor ("sabor") os diversos tipos de quarks conhecidos. Note que na tabela abaixo damos a carga em termos da carga do eltron. Alm disso aparecem vrios valores de massa, que dada em unidades MeV/c2. O termo massa "n" significa o valor da massa do quark isolado, sem estar combinado com outros quarks enquanto que a massa efetiva aquela que o quark possui quando est formando brions ou msons (o significado destes termos est explicado mais abaixo).

massa (especulativa) tipo de quark (flavor) carga "n" em brions u quarks leves d s c quarks pesados b t +2/3 -1/3 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 4,2 7,5 150 1100 4200 538 1500 4700 >23000 483 363 efetivo em msons 310

Veja que, curiosamente, os quarks possuem carga eltrica fracionria! Um prton constituido por um quark down e dois quarks up. Dizemos ento que o prton tem a estrutura uud.

Um nutron formado por um quark up e dois quarks down. Da os nutrons tm a estrutura udd.

H uma grande surpresa nisto tudo. Embora estejam listados 6 tipos bsicos de quarks, o Universo como o conhecemos hoje, ou seja para o estado de energia atual, formado simplesmente pelos quarks dos tipos u e d! As outras partculas, formadas por quarks dos tipos s, c, b e t, s existiram no Universo mais primordial, quando a temperatura (e portanto a energia) era muito mais alta. Estas partculas hoje s surgem em experincias realizadas nos grandes aceleradores de partculas que existem em laboratrios tais como o CERN, na Suia, o FermiLab, nos Estados Unidos, ou o DESY, na Alemanha. MEDIADORES Veremos num prximo captulo que existem partculas que so as mediadoras dos vrios processos fsicos que ocorrem no interior da matria. A elas damos o nome de mediadores. Elas tambm so partculas fundamentais e assumem um importante papel no estudo das interaes fundamentais, como veremos mais tarde. Na tabela abaixo a massa dada em MeV/c2, a carga dada em unidades de carga do eltron e o tempo de vida em segundos. O significado das foras citadas abaixo (forte, fraca, eltromagntica) ser explicado em um prximo item.

mediador gluon fton bsons vetoriais intermedirios

smbolo g

carga 0 0

massa 0 0 81800 92600

tempo de vida infinito infinito desconhecido desconhecido

fora forte eletromagntica fraca (carregada) fraca (neutra) eletrofraca

W Z0

1 0

O "Bsons de Higgs" Existe mais uma partcula fundamental, chamada bson de Higgs, que foi prevista a partir de estudos tericos. Ela no se enquadra em nenhuma das classificaes acima e a nica partcula fundamental que at hoje no foi obtida nos laboratrios de fsica de altas energias. Classificao das partculas elementares nucleares O ncleo atmico muito mais complexo do que um simples aglomerado de prtons e neutrons. Alis, damos o nome genrico de nucleons aos prtons e nutrons. Experincias realizadas com raios csmicos e em laboratrios de altas energias mostraram a existncia de muitas outras partculas, algumas muito pesadas, no interior do ncleo atmico. A descoberta destas partculas que conduziu os fsicos a acreditarem na existncia dos quarks como os constituintes bsicos das partculas nucleares. A estas partculas que esto no interior do ncleo atmico damos o nome genrico de hdrons. Logo os fsicos viram que o nmero de hdrons aumentava cada vez mais. Uma quantidade enorme de partculas nucleares passaram a ser conhecidas: pions, kaons, sigmas, eta, lambda, xis, deltas, etc. Tendo em vistas propriedades comuns entre vrias dessas partculas, os fsicos as classificaram em duas famlias chamadas msons e brions. Todos os msons e brions so formados por quarks embora de modos diferentes. Msons e brions so hdrons.

MSONS esta uma classe de partculas nucleares que so formadas por um par quark-antiquark. Os msons so importantes para a astrofsica em particular porque um deles, o mson , um dos constituintes dos raios csmicos que incidem na atmosfera superior da Terra. Os raios csmicos so formados por ncleos pesados, prtons, eltrons e outras partculas que so produzidas nas estrelas, lanadas ao espao e aceleradas a energias altssimas pelos campos magnticos que permeiam o espao interestelar.

BRIONS a classe de partculas subatomicas na qual os prtons e nutrons esto includos. Os brions so formados por trs quarks e constituem o ncleo atmico, juntamente com os msons. Ns, formados por prtons e neutrons, somos feitos de matria barinica. Os astrnomos acreditam que o Universo seja formado tanto por matria barinica como por matria no barinica. Toda a matria que existe no Universo visvel de natureza barinica. No entanto, os astrnomos acreditam que uma grande parte da matria que forma o Universo no seja visvel. Esta matria no visvel coletivamente chamada de matria escura e possivelmente formada, em sua maior parte, por matria no barinica. A procura por esta matria no barinica, parte importante da estrutura do nosso Universo, uma das reas de pesquisa da Cosmologia.

Os neutrinos Vimos acima que os neutrinos so lptons e, portanto, so partculas fundamentais da natureza. O neutrino uma partcula sem carga eltrica, praticamente sem massa, e que produzida em grande nmero em algumas reaes nucleares que ocorrem no interior das estrelas. Eles so muito difceis de detectar uma vez que a maioria deles atravessa completamente a Terra sem sofrer qualquer tipo de interao. Seu smbolo a letra grega .

O Sol, assim como as outras estrelas, emite uma quantidade incrvel de neutrinos e estes neutrinos incidem sobre o nosso planeta. Neste momento, e em todos os momentos da sua vida, o seu corpo est sendo atravessado por milhares de neutrinos sem que voc sinta qualquer efeito. Um outro fato importante que o neutrino capaz de dar aos astrofsicos informaes muito mais atuais sobre o interior profundo das estrelas do que os ftons produzidos na mesma regio. Por exemplo, um fton produzido no interior do Sol leva cerca de 107 anos para conseguir chegar sua superfcie e ser captado por um observador na Terra. Enquanto isso, um neutrino produzido no interior do Sol leva apenas 2 segundos para escapar dele e atingir os detectores colocados na Terra. Se alguma coisa desse errado com a fornalha nuclear que existe no interior do Sol e ele, por exemplo, no produzisse mais ftons levaramos (grosseiramente) 107 anos para perceber mudanas sensveis na sua luminosidade. No entanto, estudando a emisso de neutrinos solares, veramos quase imediatamente que algo anormal deveria estar acontecendo no interior do Sol se, de repente, no captassemos mais seus neutrinos. Quando uma estrela explode, fenmeno que a criao de uma supernova, uma quantidade imensa de neutrinos lanada ao espao. A imagem ao lado mostra a formao de uma supernova que hoje a nebulosa M1 tambm conhecida como "nebulosa do Caranguejo". Alm disso muitas outras fontes de altas energias que existem no Universo emitem grandes quantidades de neutrinos. O neutrino to importante que existe uma rea da astrofsica, chamada "astrofsica de neutrinos", cujo objetivo estudar a sua participao nos fenmenos que ocorrem nos corpos celestes. Em resumo, quantas so e quais so as partculas elementares fundamentais que formam toda a matria do Universo? Abaixo listamos todas as partculas fundamentais conhecidas pela teoria da fsica de partculas elementares como os elementos fundamentais da matria em todas as suas formas. teoria atual mais geral que descreve a matria como sendo formada por estas partculas damos o nome de "Modelo Padro da Fsica de Partculas Elementares".

eltron anti-eltron muon anti-muon tau anti-tau lptons (TOTAL = 12 leptons) neutrino do eltron anti-neutrino do eltron neutrino do muon antineutrino do muon neutrino do tau anti-neutrino do tau up anti-up down anti-down strange quarks (cada quark existem em trs "cores" diferentes) (TOTAL = 36 quarks) anti-strange charm anti-charm bottom anti-bottom top anti-top fton (mediador das interaes eletromagnticas) mediadores (TOTAL = 12 mediadores) (mediadores das interaes eletrofracas) gluons (mediadores das interaes fortes) bson de Higgs

e

e+

++ e

_e

_

_u _ u d _ d s _ s c _ c b _ b t _ t

W+ WZo (8 tipos diferentes de gluons)

Temos ento um total de 12 leptons, 36 quarks, 12 mediadores e uma partcula de Higgs, fazendo um total de 61 partculas elementares fundamentais.