Mistérios da matéria - os quarks
Valdir Aguilera
Sabemos que no Universo existem apenas Força e Matéria.
Esta sofre constante atuação daquela num processo interminável
de transformação e organização.
A matéria que compõe os corpos que a Física e a Química
estudam é organizada em porções que os gregos chamaram de átomos,
isto é, indivisível. Hoje sabemos que os átomos não são indivisíveis,
mas que têm uma estrutura interna.
Nos primeiros anos após a descoberta da divisibilidade do átomo, pensou-se
que eles eram formados por duas partículas, os elétrons (com
carga elétrica negativa) e os prótons (com a mesma carga elétrica
do elétron, mas positiva). Os prótons se localizavam no centro do átomo
em torno do qual os elétrons orbitavam. Poucos anos depois, descobriu-se
que o núcleo atômico continha mais um inquilino, o nêutron, muito
parecido com o próton mas sem carga elétrica. Os interessados em mais
detalhes sobre as diversas propostas de modelos para representar os átomos
pode consultar o artigo
Conceitos
de Física Moderna - 2: A saga do átomo, disponível na seção "Artigos"
deste site.
Em 1964 Murray Gell-Mann, inspirado na Teoria de Representação de
Grupos Unitários, sugeriu a existência de partículas que ele batizou de
quarks e que seriam, juntamente com os elétrons, os
constituintes fundamentais
da matéria. Embora os quarks ainda não tenham sido observados diretamente,
não mais se duvida de sua realidade. Eles são "vistos" após colisões
provocadas no interior de poderosos aceleradores de partículas construídos
nos E. U. A. e na Europa. Na biblioteca deste site há um vídeo sobre os quarks
e onde se vê o acelerador do Fermi Lab (interior e exterior), localizado em Illinois.
As explicações estão em inglês, mas as imagens são bastante informativas.
O próton e o nêutron são formados por dois quarks
de tipos diferentes. Um deles recebe o nome de quark down e ou outro,
quark up. A figura 1 mostra a estrutura interna de um próton e de
um nêutron. O próton é constituído de dois quarks up e um quark down;
o nêutron é formado por um quark up e dois quarks down. [Não dê
importância às cores dos quarks.]

Figura 1. Estrutura interna do próton e do nêutron.
d representa um quark down e u um quark up
De acordo com este modelo, toda matéria que forma os
corpos do universo é formada por quarks e elétrons. Os prótons e nêutrons
deixaram de ser os tijolinhos fundamentais dos núcleos atômicos, cedendo
lugar para os quarks. Em resumo, os átomos são formados por elétrons,
prótons e nêutrons. Estes últimos, por sua vez, são formados por quarks,
up e down. Os elétrons não têm estrutura interna.
Mas, a história não termina aqui. Há algumas surpresas pela frente.
Descobriu-se que em vez de dois, há seis tipos de quarks!
Somam-se aos down e up mais quatro tipos de quarks: estranho,
charmoso, bottom e top. Esses quarks, que não são estáveis como os up e down,
não fazem parte da matéria
ordinária que detectamos com nossos sentidos e instrumentos. Poderíamos
perguntar, então, o que eles estão fazendo no universo, para que
servem?
De acordo com uma teoria da Física Moderna, chamada de modelo padrão,
os quarks são os tijolinhos que formam uma
quantidade enorme de partículas, denominadas genericamente de hádrons, e
que se mantêm coesas graças a forças ou interações fortes atuando entre os
quarks. A maior parte dessas partículas tem existência efêmera, com vidas extremamente
curtas. Aparentemente não têm serventia alguma. Então, por que existem?
As doze partículas fundamentais
De acordo com o modelo padrão (que, além da classificação das partículas
elementares inclui, também, a classificação das forças fundamentais) as 12 partículas
básicas da natureza se agrupam em três famílias. Dessa dúzia de partículas, 6 são quarks e 6 são
léptons (o elétron é um dos léptons). A tabela 1 mostra como as partículas
fundamentais se agrupam nessas famílias. Os números entre parênteses são
as massas correspondentes em múltiplos da massa do próton, isto é, para se
saber a massa de uma delas multiplica-se o número entre parênteses pela
massa do próton.
Primeira família
• elétron (0,00054)
• neutrino do elétron (<10-8)
• quark up (0,0047)
• quark down (0,0074)
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Segunda família
• muon (0,11)
• neutrino do muon (<0,0003)
• quark charmoso (1,6)
• quark estranho (0,16)
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Terceira família
• tau (1,9)
• neutrino do tau (<0,033)
• quark top (189)
• quark bottom (5,2)
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Tabela 1. As três famílias em que se agrupam os quarks e
os léptons.
Os membros dessas famílias são os constituintes mais
fundamentais de tudo o que existe na natureza e daquilo que é produzido
artificialmente nos grandes aceleradores de partículas. Por que são 12 e
não 15, 20 ou 80? Por que se agrupam em três famílias e não em uma só, ou
em quatro ou mais?
Os mistérios não terminam aqui. A cada uma das partículas
fundamentais mencionadas há uma anti-partícula associada. A tabela 2
mostra as 12 anti-partículas em suas famílias (ou deveríamos chamar de
anti-famílias?). O pósitron da tabela 2 corresponde ao elétron da tabela 1
e assim por diante.
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Primeira família
• pósitron
• anti-neutrino do elétron
• anti-quark up
• anti-quark down
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Segunda família
• muon positivo
• anti-neutrino do muon
• anti-quark charmoso
• anti-quark estranho
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Terceira família
• tau positivo
• anti-neutrino do tau
• anti-quark top
• anti-quark bottom
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Tabela 2. As três famílias em que se agrupam os
anti-quarks e os anti-léptons.
Chegamos aos ingredientes mais íntimos da matéria?
Na busca dos elementos mais básicos da matéria, o
pensamento humano começou com a proposta dos átomos. Assim raciocinavam os
antigos filósofos e cientistas: um corpo qualquer, uma barra de ferro por
exemplo, pode ser dividida ao meio para obtermos duas barras de ferro
menores. Cada uma dessas novas barras ainda pode ser dividida várias
vezes para se obter barras cada vez menores. Mas, chegará o momento em que
não será mais possível dividir a barra. Ela terá atingido a condição de
indivisibilidade e esse elemento indivisível foi batizado de átomo. Os átomos
passaram a ser considerados as elementos básicos na formação dos corpos.
Mais tarde, na verdade muitos séculos depois, descobriu-se
que o átomo era formado de partes menores, tinha uma estrutura. Passaram
os cientistas a descrever o átomo como uma estrutura composta de elétrons
circundando um núcleo central. Não foi necessário muito tempo para se
descobrir que o núcleo tinha partes internas: os prótons e os
nêutrons. Pensava-se que estes, juntamente com os elétrons, eram os
menores constituintes da matéria. Não são.
Hoje sabemos que mesmo os prótons e nêutrons têm uma
estrutura interna. São formados por quarks, como descrito acima. Os
elétrons (leia-se, os léptons), por sua parte, ainda são considerados como
partículas elementares, indivisíveis.
Contudo, este parece não ser ainda o fim do filme. Há uma
teoria (Teoria das Cordas), que vem sendo bastante discutida pelos
físicos. Ela propõe os quarks e os léptons também são resultados de vibrações
específicas de cordas infinitesimais. Essas cordas passariam, assim,
a ser os elementos mais básicos da matéria. A Teoria das Cordas considera, também,
as forças fundamentais do Universo. Não vamos nos ocupar, agora, desse detalhe da teoria,
embora importante.
A proposta das cordas vibrantes é bem recebida pelo autor deste artigo. Ela
vem corroborar o que o Racionalismo Cristão vem afirmando desde o início do século
passado e que podemos resumir nestas palavras "a toda partícula de
matéria há uma força associada que a faz vibrar com frequência
característica".
A Teoria das Cordas enfrenta alguns problemas ainda sem
solução e apresenta alguns aspectos que causam algum
desconforto. Conforme sua formulação, ela requer que, além das três dimensões
espaciais que nos são familiares, ainda haja mais sete ou oito que ainda
não foram detectadas (e possivelmente nunca sejam, pois são extremamente pequenas).
Além disso, seu desenvolvimento matemático baseia-se em espaços, ou formas, de Calabi-Yau,
estruturas algébricas ainda objeto de estudo dos matemáticos. Quando os quarks foram
propostos, a Teoria da Representação de Grupos Unitários em que Gell-Mann se baseou era bastante
conhecida e bem estabelecida. Foi relativamente fácil trabalhar com seus
conceitos. O mesmo não acontece atualmente com as bases matemáticas da
Teoria das Cordas. Faz-se necessário desenvolver essas bases com suficiente
profundidade e clareza. Felizmente, há muita gente trabalhando nisso.
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