Quarks


Em 1964 o americano Murray Gell-Mann, do CALTECH, e George Zweig independentemente sugeriram que a complexidade da interação forte poderia ser explicada assumindo-se que os mais de cem bárions e mésons conhecidos, inclusive os prótons e nêutrons, eram compostos de três partículas fundamentais, chamadas de quarks por Gell-Mann. O nome foi proposto a partir da frase do escritor irlandês James Joyce (1882-1941), na página 383 do romance Finnegans Wake, Three quarks for Muster Mark. Na proposta, um quark tinha carga elétrica 2/3 da carga do próton, e os outros dois -1/3. Entre 1967 e 1973, usando o Acelerador Linear de Stanford, Jerome Isaac Friedman (1930-), Henri W. Kendall , e Richard E. Taylor  notaram que o espalhamento de elétrons por prótons e nêutrons indicava que estes eram compostos por partículas menores, com cargas consistentes com a teoria dos quarks. Os três receberam o prêmio Nobel de física em 1990 pela descoberta.

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Embora a teoria original propusesse somente três quarks, os quarks, que compõem os hádrons, são em número total de 6: up, down, charm, strange, top e bottom. O próton é formado por 2 quarks up e 1 quark down, enquanto o nêutron é formado por 2 quarks down e 1 quark up. Os quarks interagem pela troca de glúons, dentro da teoria da interação forte chamada de Cromodinâmica Quântica (QCD). A QCD é uma teoria de gauge: uma teoria com simetria de gauge pode ser escrita em termos de potenciais em que somente diferenças de potenciais são significativas, isto é, podemos adicionar uma constante sem alterar os valores. A QCD tem a propriedade da liberdade assintótica, isto é, a interação entre as partículas diminui com o aumento de energia. Como o próton tem baixa energia, os quarks dentro do próton estão fortemente ligados uns aos outros, e os físicos teóricos estão convencidos que a teoria levará ao confinamento, que diz que os quarks não podem existir independentemente, pois estão confinados pela interação forte. O quark charm, predito por James D. Björken e Sheldon Lee Glashow em 1964, foi descoberto em 1974 independentemente por Samuel Chao Chung Ting  e Burton Richer (1931-), com a descoberta da partícula J/\psi, com 3,105 GeV, que é um charmônio, isto é, composto por um quark e um antiquark charm. Em 1976 Ting e Richer receberam o prêmio Nobel pela descoberta.

A teoria de gauge prevê que, para que não hajam infinidades, os hádrons devem ter pares com os léptons. Os léptons são o elétron, o múon e o táon. O elétron foi descoberto pelo inglês Sir Joseph John Thomson (1856-1940) em 1895 e sua anti-partícula, o pósitron, por Carl David Anderson (1905-1991) em 1932, quando ele analisava os raios cósmicos e descobriu em uma das placas fotográficas uma partícula parecida com um elétron, mas se movendo na direção oposta em relação ao campo magnético e, portanto, com carga positiva. O múon foi descoberto em 1937, por Seth Henry Neddermeyer (1907-1988), Carl David Anderson (1905-1991), do CALTECH, Jabez Curry Street (1906-1989) e Edward C. Stevenson, de Harvard, e é 207 vezes mais massivo que o elétron; O táon foi descoberto em 1975 por Martin Lewis Perl, com 1,784 GeV, ou seja 3500 vezes mais massivo que o elétron. Os outros três léptons são os neutrinos correspondentes, $ \nu_e$, $ \nu_\mu$ e $ \nu_\tau$. Em 1977 Leon M. Lederman descobriu o upsilon ($ \upsilon$), com 9,46 GeV, interpretado como o estado ligado do quinto quark, bottom, e em 1995 dois grupos do Fermilab descobriram o sexto e último quark, o top, com 175 GeV, medindo o estado quark-antiquark $ t\bar{t}$.

  • O decaimento da partícula Z0, bem como a abundância cósmica do hélio, e a meia vida do nêutron, demonstra que não pode haver outro tipo de neutrino além dos três observados, e portanto não deve haver outro tipo de quark, pela paridade dos léptons e hádrons.
  • O telescópio Schmidt usado por Fritz Zwick em 1930 para de determinar a massa dos aglomerados de galáxias foi o segundo projetado pelo ótico e astrônomo amador Bernhardt Voldemar Schmidt (1879-1935), para observar grandes campos do céu.
  • A teoria eletrofraca se separa em eletromagnética e fraca para energias mais baixas que 100 GeV, o que ocorre 10-12 segundos depois do Big Bang, mas já foi testado em laboratórios na Terra. As maiores energias atingíveis nos grandes aceleradores atuais são da ordem de 10 000 GeV. A força fraca age a distâncias subnucleares, menores que 10-15 cm.
  • A repulsão elétrica entre dois prótons é 1036 vezes maior do que a atração gravitacional entre eles.
  • Da mesma maneira que cargas elétricas cancelam campos elétricos, monopolos magnéticos cancelariam campos magnéticos. A existência de um campo magnético na nossa Galáxia requer que o número de monopolos, se existirem, seja pequeno.
  • O matemático inglês Charles Lutwidge Dodgson (1832-1898) escreveu o livro Alice no País das Maravilhas em 1865, com o nome artístico de Lewis Carroll, chamando de “toca de coelho” a passagem para o outro Universo.
  • Aristóteles de Estagira (384-322 a.C.) propôs que a matéria na Terra era composta por quatro elementos básicos: terra, ar, fogo e água. Propôs também que a matéria celeste era composta por um tipo de matéria especial, a quinta-essência, ou quintessência. Nos últimos anos se tem usado o termo quintessência para descrever a matéria (energia) dominante no Universo, seja ela matéria escura ou energia do vácuo (constante cosmológica).
  • Chen Ning Yang (1922-) e Tsung-Dao Lee (1926-) receberam o prêmio Nobel em 1957 por suas investigações da paridade.

Teoria do Estado Estacionário

Fred Hoyle (1915-2001), Geoffrey Burbidge (1925-2010) e Jayant Vishnu Narlikar propuseram em 1993 a Teoria do Estado Quase Estacionário, em um Universo eterno e infinito, alternando expansões que duram cerca de 40 bilhões de anos, com contrações. A massa é eternamente criada em buracos brancos com massa de Planck [ch/G]1/2 = 1019 bárions. A mini-criação causa uma expansão do Universo, que reduz o valor médio do campo de criação, reservatório de energia negativa. Após a expansão, o valor do campo se reduz, tornando-se difícil uma nova mini-criação. A gravidade então supera a expansão e o Universo se contrai, aumentando o campo até que nova criação ocorra.

Tempo

O Teorema de Singularidade, demonstrando que não existe definição de tempo antes do Big-Bang ou dentro de um buraco negro, foi provado por Stephen W. Hawking e Roger Penrose, no artigo The Singularities of Gravitational Collapse and Cosmology, publicado no Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, Volume 314, Issue 1519, pp. 529-548 em 1970.


FONTE: Universidade Federal do Rio Grande do Sul – UFRGS

Créditos: Kepler de Souza Oliveira Filho

© Os textos, gráficos e imagens desta página têm registro: ISBN 85-7025-540-3 (2000), ISBN 85-904457-1-2 (2004), ISBN 978-85-7861-187-3 (2013), e só podem ser copiados integralmente, incluindo o nome dos autores em cada página. Nenhum uso comercial deste material é permitido, sujeito às penalidades previstas em lei.
© Kepler de Souza Oliveira Filho & Maria de Fátima Oliveira Saraiva

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