Uma variedade estonteante de partículas, forças e campos dita a base subatômica de tudo o que vemos.
Paul Sutter é um astrofísico da Universidade Estadual de Ohio e o principal cientista do centro de ciências COSI. Sutter também é apresentador de "Ask a Spaceman" e "Space Radio", e lidera o AstroTours em todo o mundo. Sutter contribuiu com este artigo para Expert Voices: Op-Ed & Insights da Space.com.
Para visitar uma terra verdadeiramente estranha, cheia de maravilhas e mistério, você não precisa esgueirar-se por um armário mágico, montar uma criatura voadora que não possa voar ou pular imprudentemente através de um portal para outra dimensão. Não, tudo o que você precisa fazer é abrir o acelerador de partículas e olhar para baixo, para baixo, para baixo.
No nível subatômico, a verdadeira variedade e esplendor da natureza está em plena exibição, com uma variedade estonteante de partículas, forças e campos, todos zunindo e zunindo, governados por leis quase inescrutáveis da física. No entanto, de alguma forma, em vez de criar uma confusão caótica, todas as suas interações complicadas produzem o mundo macroscópico regular, ordenado e padronizado com o qual estamos familiarizados. [Quarks e Muons estranhos, oh meu! As menores partículas da natureza dissecadas (infográfico)]
Pode-se entender esse mundo minúsculo como segregado em uma hierarquia estrita, com linhas claras entre os governantes e os governados, entre aqueles que se sentam confortavelmente em seus castelos estáveis e os humildes camponeses que realmente fazem o trabalho. As interações entre os vários habitantes são imutáveis por regras imutáveis: existe um lugar para todos e todos têm um lugar.
Venha, vamos visitar.
É bom ser o rei
No centro de tudo, estão as partículas estáveis mais massivas: os quarks para cima e para baixo. Sua longevidade permite que eles se unam em fortalezas quase inexpugnáveis: os castelos de nucleon conhecidos como prótons e nêutrons. Mas não são os quarks que fazem o trabalho de manter essas citadelas nucleônicas. De fato, a massa combinada de todos os quarks em um núcleo é muito menor que a massa de um próton ou nêutron.
Em vez disso, os quarks para cima e para baixo são imbuídos de uma habilidade especial desconhecida pelas outras partículas no reino. Eles podem sentir a força nuclear forte. Essa é, de longe, a força mais poderosa, colando os quarks com tanta intensidade que um único nunca pode ser visto isoladamente. Essa interação forma a espinha dorsal invisível do nosso mundo macroscópico. Tomamos prótons e nêutrons como garantidos - é com que solidez eles constroem as muralhas do castelo. E suas massas são principalmente devidas à força de suas ligações nucleares internas, e não aos quarks individuais.
A força nuclear forte não para no nível de prótons e nêutrons. A cola que une os quarks, dando-lhes domínio sobre todas as outras partículas, é tão dominante que pode reunir alguns desses castelos em uma forte fortaleza conhecida como núcleo atômico. Embora essa estrutura não seja inexpugnável como os prótons e os nêutrons, derrubar um núcleo ainda exige imenso esforço.
No entanto, apesar de todo o seu poder dominador, o alcance das garras dos quarks é limitado a seu castelo particular e arredores. Isso ocorre porque a força forte, apesar de toda a sua força, é severamente limitada em alcance. É isso que define o tamanho das fortalezas, castelos e fortalezas que identificamos como os núcleons do nosso mundo. [7 fatos estranhos sobre quarks]
Trabalhando os campos
Além desse alcance limitado, os quarks mantêm seus domínios sob controle e se comunicam através dos mensageiros reais - os fótons. Esses enviados de pés rápidos saltam de um lugar para outro no universo, nunca se cansando, carregando a força eletromagnética - eletricidade, magnetismo e até a própria luz - para qualquer partícula que tenha carga elétrica. Essa influência se estende por todo o cosmos, embora, é claro, quanto mais longe você estiver da fonte, mais fraco será o efeito.
Essa ligação eletromagnética mantém alinhados os subordinados do mundo subatômico e, enquanto os quarks passam seus dias ociosos no relativo conforto de seu castelo seguro e isolado, os "camponeses" oprimidos - elétrons - fazem todo o trabalho de fazer as ricas variações de reações químicas possíveis. É isso mesmo - são os elétrons pobres e ignóbeis que escravizam seus mestres de quarks. Ligados ao núcleo pelo eletromagnetismo - mas geralmente impedidos de realmente entrar pelas regras da mecânica quântica - os elétrons são trocados entre os átomos, dando-nos a química que possibilita quase tudo em nossas vidas diárias.
Os quarks governantes terão prazer em negociar, roubar e emprestar um elétron humilde de um domínio vizinho, moldando seus movimentos com estímulos pesados dos fótons - sem se preocupar com suas esperanças, sonhos ou ambições individuais (fluindo livremente pelo universo, girando em torno do magnetismo). campos e assim por diante).
Espreitando nas sombras
Mas nem todas as partículas do universo são mantidas sob o polegar dos quarks despóticos. Alguns podem fluir livremente por todo o universo, não sentindo a força forte e ignorando com segurança os olhares grosseiros de qualquer fóton que passa: os neutrinos. Essas partículas fantasmagóricas podem se esconder à vista de todos, tão efervescentes que, durante décadas, pensamos que eram totalmente sem massa.
Os neutrinos vêm em três tipos, o elétron-neutrino, o múon-neutrino e o tau-neutrino, mas são tão bem disfarçados que você nunca tem certeza de qual deles está vendo. Enquanto viajam, eles podem percorrer as máscaras que usam, trocando suas identidades com a facilidade de um espião experiente. Suas máscaras determinam como elas (ocasionalmente) interagem com o resto das partículas do universo: um nêutron-elétron participará apenas de reações envolvendo elétrons, por exemplo.
Mas devido à natureza travessa dos neutrinos, um processo que gera um sabor específico dessa partícula nem sempre pode ser executado ao contrário para capturar a variedade original novamente - são identidades trocadas.
Ainda assim, apesar de todos os seus truques e subterfúgios, os neutrinos não são imunes à influência dos domínios dos quarks. Mas, para que esse tipo de efeito ocorra, são necessárias forças especiais. Partículas especializadas chamadas bósons W e Z, portadores da força nuclear fraca, são os únicos capazes de se comunicar com os neutrinos malandros. Em alguns casos, os bósons conseguem converter neutrinos em criaturas mais compatíveis, como elétrons.
Mesmo assim, é uma chance de sorte: na maioria das vezes, os neutrinos sorrateiros fogem sem fazer nada.
Mas o conjunto de habilidades daqueles bósons W e Z, os secretos combatentes das operações negras do mundo das partículas, se estende além do infreqüente encontro de neutrinos. Eles também têm acesso quase exclusivo ao santuário interno da fortaleza do núcleo e podem transformar um tipo de quark em outro. Se um nêutron escapar da segurança de um núcleo atômico, esses bósons especiais podem transformar essa partícula em um próton mais estável.
Fora do reino
Obviamente, isso não dá uma imagem completa do mundo subatômico. Todo o Modelo Padrão, nosso retrato dessas criaturas minúsculas e todas as suas interações com pessoas ocupadas é muito maior e mais complexo do que pode ser contido em alguns parágrafos. E embora o Modelo Padrão seja um triunfo da física moderna, consertado dolorosamente ao longo de décadas, com previsões exatas e experimentação precisa, também é uma imagem incompleta do nosso mundo.
Por um lado, não inclui a gravidade, que agora é melhor descrita pela teoria geral da relatividade, também incompleta. Há também as questões cosmológicas remanescentes da natureza da matéria escura e da energia escura, sobre as quais o Modelo Padrão tradicional silencia (porque esses fenômenos foram descobertos apenas recentemente). Há mais: a massa do neutrino, a hierarquia das forças e assim por diante.
Mas, embora esteja longe de ser completo, e talvez um pouco insatisfatório em sua abordagem da goma de mascar e fita adesiva para modelar o mundo físico, o Modelo Padrão é incrivelmente útil. Ele pode prever com surpreendente precisão os movimentos e os movimentos desses habitantes subatômicos e todos os seus esquemas nefastos.
Saiba mais ouvindo o episódio "Quem vive no zoológico de partículas?" no podcast "Ask a Spaceman", disponível no iTunes e na web em http://www.askaspaceman.com. Obrigado a Alessandro M., Roger, Martin N., Daniel C. e @PoZokhr pelas perguntas que levaram a esta peça! Faça sua própria pergunta no Twitter usando #AskASpaceman ou seguindo Paul @PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter.
