Partículas e Forças
Aprenda o zoológico de partículas: quarks, léptons e bósons de medição. Entenda as quatro forças, a tabela do Modelo Padrão e o que o LHC faz.
Física de Partículas
O Modelo Padrão, quarks, léptons, bósons de calibre, o campo de Higgs e a busca pela física além do Modelo Padrão.
Visão geral
A física de partículas estuda os constituintes fundamentais da matéria e as forças entre eles. O Modelo Padrão – uma teoria quântica de campos desenvolvida nas décadas de 1960 e 70 – descreve três das quatro forças fundamentais e todas as partículas elementares conhecidas. Foi testado com extraordinária precisão e continua a ser a estrutura preditiva de maior sucesso em toda a ciência.
O Modelo Padrão
Partículas de Matéria — Férmions
A matéria é construída a partir de férmions (partículas de spin-½ obedecendo ao princípio de exclusão de Pauli). São seis quarks — para cima, para baixo, charme, estranho, para cima, para baixo — que sentem a força forte e se combinam em hádrons (prótons, nêutrons, píons). São seis léptons — elétron, múon, tau e seus três neutrinos correspondentes — que não sentem a força forte.
Portadores de Força — Bósons de Medição
As forças são mediadas por bósons de medição: o fóton (força eletromagnética), bósons W⁺, W⁻, Z⁰ (força nuclear fraca) e oito glúons (força forte). A gravidade não tem descrição quântica no Modelo Padrão – o hipotético gráviton não faz parte dele.
O Mecanismo de Higgs
O campo de Higgs preenche todo o espaço. As partículas adquirem massa interagindo com ela: os bósons W e Z ganham massa através da quebra de simetria eletrofraca, enquanto os quarks e os léptons carregados ganham massa através dos acoplamentos Yukawa. A excitação quântica do campo de Higgs — o bóson de Higgs — foi descoberta no LHC do CERN em 2012 com uma massa de ~125 GeV/c².
Cromodinâmica Quântica
QCD é a teoria de calibre da força forte, baseada na simetria de cores SU(3). Quarks carregam carga colorida (vermelho, verde, azul); Os glúons também carregam cores, e é por isso que a força forte interage consigo mesma. O confinamento significa que os quarks livres nunca são observados – eles sempre se ligam a hádrons de cor neutra. A liberdade assintótica significa que os quarks interagem fracamente em energias muito altas.
Além do Modelo Padrão
Apesar do seu sucesso, o Modelo Padrão tem lacunas conhecidas: não inclui a gravidade, não explica a matéria escura ou a energia escura, não leva em conta a assimetria matéria-antimatéria e tem demasiados parâmetros livres. As áreas de pesquisa ativas incluem supersimetria, dimensões extras, grandes teorias unificadas e candidatos à matéria escura.
Percursos de aprendizagem
Noções básicas da teoria quântica de campos
Diagramas de Feynman, leis de conservação, grupos de simetria, violação de CP e mecanismo de Higgs.
Além do Modelo Padrão
Supersimetria, grande unificação, massas de neutrinos, bariogênese e os problemas em aberto da física de partículas.
Artigos principais
Quarks e Léptons
Os blocos de construção fundamentais da matéria e seus números quânticos.
Leia →QCD e Confinamento
Por que os quarks livres nunca são vistos e como os glúons mantêm o núcleo unido.
Leia →Leptogênese
Como a violação do CP no universo primitivo pode explicar a assimetria matéria-antimatéria.
Leia →A história de violação de PC
Por que a matéria e a antimatéria se comportam de maneira ligeiramente diferente – e por que isso é importante.
Leia →Pentaquarks no LHCb
A descoberta dos estados de cinco quarks no LHC e o que eles revelam sobre a QCD.
Leia →A anomalia do Muon g-2
Uma discrepância persistente entre teoria e experimento que sugere uma nova física.
Leia →Perguntas Frequentes
Qual é o modelo padrão?
A teoria quântica de campos de três forças fundamentais (EM, fraca, forte) e todas as partículas elementares conhecidas: seis quarks, seis léptons, bósons de calibre e o Higgs.
O que mantém o núcleo unido?
Os glúons ligam quarks em prótons e nêutrons (força forte). Uma força residual forte (troca de píons) mantém o núcleo unido.
O que é o bóson de Higgs?
A excitação quântica do campo de Higgs, que dá massa às partículas elementares. Descoberto no LHC em 2012 a ~125 GeV/c².
O que é antimatéria?
Cada partícula possui uma antipartícula com números quânticos opostos. A aniquilação partícula-antipartícula produz fótons. A assimetria matéria-antimatéria é um grande problema em aberto.