Partículas subatômicas

Todas aquelas estruturas menores que o átomo são consideradas partículas subatômicas. Eles são responsáveis ​​por dar propriedades à matéria e sua descoberta nos permitiu compreender muitos dos fenômenos do nosso universo.

A física que governa o pequeno mundo das partículas subatômicas é a física quântica, mais especificamente a teoria quântica de campos. Esta área da física descreve teoricamente as diferentes características dessas partículas e tem representado um grande avanço na física moderna.

Ao longo da história, o ser humano sempre tentou compreender de que é feita a matéria que nos rodeia. Durante muitos séculos acreditou-se que o átomo era a parte indivisível da matéria.

Hoje sabemos que não é esse o caso. Existe um mundo cheio de partículas menores que o átomo e muitas delas não existem naturalmente em nosso planeta por serem altamente instáveis.

Por esta razão construímos grandes aceleradores de partículas onde geramos subpartículas muito instáveis ​​que não conseguimos detectar naturalmente. Dessa forma vamos descobrindo gradativamente cada vez mais subpartículas atômicas, como, por exemplo, o famoso bóson de Higgs.

As partículas subatômicas são classificadas de acordo com o modelo padrão em vários grupos. O primeiro nível de classificação são bósons e férmions.

Os férmions são considerados aquelas estruturas que formam a matéria e os bósons são considerados aqueles que medeiam a interação entre os diferentes férmions.

A seguir faremos uma introdução às partículas subatômicas, compostas e elementares mais importantes da física moderna.

Os férmions são um tipo de partícula cuja função é constituir matéria. Este tipo de estrutura é descrito por uma função de onda quântica antissimétrica que segue o princípio de exclusão de Pauli.

Este princípio diz que dois férmions não podem estar no mesmo estado quântico. Além disso, esses tipos de partículas possuem spins meio inteiros. Podemos classificar os férmions em quarks e léptons.

Quarks são partículas elementares que se unem por meio de forte interação nuclear para formar hádrons, dentro dos quais estão prótons ou nêutrons.

Conhecemos 6 tipos de quarks: quark up, quark down, quark charm, quark estranho, quark top e quark bottom.

A cromodinâmica quântica é a teoria quântica de campos que descreve o comportamento da interação dos quarks no núcleo e do bóson que medeia essa interação: os glúons.

Os léptons são um tipo de férmions que seguem a estatística de Fermi-Dirac, ou seja, possuem spin ½ e obedecem ao princípio de exclusão de Pauli.

No total existem 6 léptons diferentes de acordo com suas propriedades. Estes são o elétron, o múon, o tau e seus neutrinos correspondentes, o neutrino do elétron, o neutrino do múon e o neutrino do tau.

Hádrons são partículas compostas por quarks que se mantêm unidas por meio da troca de bósons chamados glúons, mediadores da interação nuclear forte.

Podemos classificar os hádrons em bárions e mésons. Bárions são hádrons compostos de 3 quarks com cargas de cores diferentes. Os exemplos mais conhecidos de bárions são as partículas compostas que constituem o núcleo atômico, nêutrons e prótons.

Os mésons são hádrons formados pela união de um quark e um antiquark.

Bósons são as partículas elementares que geram as forças fundamentais do universo.

Segundo a teoria quântica de campos, as interações existentes são consequência da troca de bósons entre férmions. Por exemplo, a força elétrica experimentada entre duas cargas é devida à troca de fótons.

Os quarks são mantidos juntos no núcleo atômico graças à força nuclear forte, ou seja, à troca de bósons chamados glúons.

Os fótons são partículas fundamentais que constituem a luz. Os fótons viajam no vácuo a uma velocidade de 300.000 km/s e não têm massa. Eles são portadores de todos os tipos de radiação, como luz infravermelha, luz ultravioleta, luz visível, raios X ou raios gama.

Glúons são os bósons que geram a interação nuclear forte. Eles têm uma propriedade quântica característica chamada carga de cor. A carga colorida tem a função de manter os quarks unidos no núcleo atômico.

Os glúons, mais especificamente, o campo a eles associado (campo glúon) é responsável por dar massa aos bárions como prótons ou nêutrons.

Esses tipos de bósons são responsáveis ​​pela força nuclear fraca. Esta força medeia a desintegração radioativa de núcleos atômicos instáveis.

A teoria eletrofraca descreve a interação nuclear fraca como um campo de Yang-Mills associado a uma simetria de calibre SU(2). Os bósons W e Z são partículas geradas através da excitação deste campo quântico de calibre.

O gráviton é uma partícula hipotética que seria a causa da interação gravitacional. Sua existência ainda não foi confirmada experimentalmente, apenas a partir de teorias como a teoria das cordas na tentativa de quantizar a gravidade.

Segundo modelos teóricos, o gráviton deve ter spin 2, sem carga e com massa praticamente nula.

A teoria das cordas descreve o gráviton como uma corda fechada ou brana. Isto explicaria a fraqueza deste tipo de força e também poderia exercer a força gravitacional em outras dimensões além das 3 dimensões do nosso universo.

Partículas virtuais são um tipo de partículas subatômicas que vivem por um período muito curto e suas propriedades são difíceis de obter.

Segundo as teorias modernas, as forças fundamentais são consequência da troca de bósons. Esses bósons seriam partículas virtuais com tempos de vida muito curtos.

Por exemplo, os fótons são partículas reais quando transmitem radiação eletromagnética, como a luz. Porém, quando atuam como mediadores da força eletromagnética, atuam como partículas virtuais.