introdução ao modelo padrão
O modelo padrão é a teoria que melhor explica a natureza da matéria, descrevendo bem as partículas subatômicas e suas interações. Essa teoria é complexa, mas aqui vamos discuti-la de maneira simplificada, pois o propósito é situar os neutrinos.
PARTE 1: O Modelo Padrão organiza as partículas conforme suas propriedades
As partículas elementares são organizadas de acordo com as suas propriedades, resultando na tabela a seguir. Quando falamos de propriedades, estamos nos referindo aos atributos que a partícula possui independentemente de fatores externos, como: a massa, a carga elétrica, o spin, a quiralidade, entre outras.
Partículas elementares e o modelo padrão. Figura editada da fonte: https://sprace.org.br/
Pôster das partículas elementares e modelo Padrão para impressão
O projeto de divulgação científica “Estrutura Elementar da Matéria: Um Cartaz em Cada Escola” tem o objetivo de divulgar os principais conceitos estabelecidos durante o último século sobre a estrutura íntima da matéria.
Cada quadro da tabela apresenta uma partícula elementar e algumas de suas propriedades, massa e carga elétrica. Apesar de não estar apresentada na tabela, uma propriedade muito importante das partículas é o spin, em poucas palavras, descreve o estado de rotação das partículas. No caso dos neutrinos, uma propriedade muito importante é a quiralidade, pois ela ajuda determinar o tipo de interação que a partícula pode ter. Existe outras propriedades, porém não as discutiremos nesta abordagem inicial.
Com base nas propriedades das partículas, a tabela foi dividida em 2 grupos: Férmions (=partículas de matéria) e Bósons (=partículas de interação). Os Férmions são representados por Léptons e Quarks, enquanto os Bósons são representados pelas Partículas Mediadoras (=Bósons de Gauge) e pelo Bóson de Higgs. O texto sobre as partículas elementares revelou a função de cada um desses grupos, mas caso necessite relembrar, basta clicar nas abas abaixo!
Os quarks aparecem em 6 tipos: up, down, charm, strange, top e botton. Cada tipo pode aparecer em 3 “cores” diferentes (vermelho, verde e azul), totalizando 18 quarks distintos.
Os 18 tipos de quarks
Na natureza, os quarks são encontrados em grupos, estruturas conhecidas como Hádrons. Esses hádrons podem ser classificados em Bárions (estruturas de 3 quarks) ou Mésons (estruturas de 1 quark e 1 antiquark).
Os prótons e nêutrons são exemplos de bárions, apresentando 3 quarks cada um conforme a ilustração.
Quarks dentro
do próton e do Nêutron – Ilustração: Beatriz Abdalla/Jornal da USP
Obs.: Existem regras para esse agrupamento, mas não serão discutidas
ste texto.
Os léptons também aparecem em 6 tipos: elétron, neutrino do elétron, múon, neutrino do múon, tau e neutrino do tau. Note que temos 3 tipos de neutrinos!
Os 6 tipos de léptons
Essas partículas não se agrupam entre si como os quarks.
As partículas mediadoras são: o fóton, os glúons (existem 8 tipos), os bósons de interação fraca (Z, W+ e W–) e o gráviton (nunca detectado e desprezível no mundo subatômico).
Essas partículas são responsáveis por mediar as 4 interações fundamentais da natureza: Forte, Fraca, Eletromagnética e Gravitacional.
Para cada uma das interações é associada uma partícula mediadora.
A Interação Eletromagnética tem o fóton como partícula mediadora.
A Interação Forte tem o glúon como partícula mediadora.
A Interação Fraca tem o bóson de interação fraca como partícula mediadora.
A Interação Gravitacional tem o gráviton como partícula mediadora.
As 12 partículas mediadoras
Como “funcionam” as partículas mediadoras?
Por exemplo, um próton atrai um elétron através da Interação Eletromagnética, durante o tempo de interação, há troca de fótons entre as 2 partículas. Da maneira análoga, existe partículas que trocam glúons e outras que trocam bósons W ou Z. Os neutrinos só trocam bósons W ou Z!
Existe uma outra partícula de interação, o Bóson de Higgs. Ele apresenta características um pouco diferente das outras partículas mediadoras, sendo responsável pelo surgimento das massas das partículas elementares. Curiosamente, dentre todas as partículas, ela foi a última a ser detectada, em 2012, pelo experimento Large Hadron Collider (LHC), no CERN.
O Bóson de Higgs, popularmente conhecida como ‘A partícula de Deus’
PARTE 2: O Modelo Padrão relaciona as interações fundamentais com as partículas
O modelo padrão descreve 3 interações fundamentais: Eletromagnética, Fraca e Forte. A interação Gravitacional não é explicada por esta teoria.
Interação Eletromagnética
Representação da Interação Eletromagnética. Fonte: spaceplasma.tumblr.com
Apenas as partículas que apresentam carga elétrica diferente de zero podem experimentar a interação eletromagnética. Se elas apresentarem cargas elétricas de sinais contrários experimentam uma interação atrativa, por exemplo, elétron (-e) interagindo com próton (+e). Enquanto as partículas com cargas de sinais iguais se repelem, por exemplo, próton (+e) interagindo com próton (+e).
Quando há Interação Eletromagnética um fluxo de fótons é trocado entre as partículas interagentes. Por exemplo, um próton interage com o elétron através da Interação Eletromagnética, durante o tempo de interação, haverá troca de fótons entre as 2 partículas. Por esta razão, os fótons são conhecidos como as partículas mediadoras da Interação Eletromagnética.
Esta interação possui um longo alcance (=infinito), mas diminui com o afastamento das partículas interagentes. Sua intensidade é de, aproximadamente, 1000 vezes menor que a interação forte.
Como os neutrinos não apresentam carga elétrica, eles não podem sofrer a interação eletromagnetica. Os neutrinos são invisíveis para este tipo de interação.
Vale lembrar que a carga elétrica pode assumir números positivos ou negativos. As partículas encontradas na natureza apresentam cargas elétricas múltiplas inteiras da carga elementar (e = 1,6.10-19 C). Por exemplo, o próton apresenta carga elétrica igual a +e, sendo resultado da soma de 3 cargas elétricas que o constitui (2 quarks up e 1 down).
Interação Forte
Representação da Interação Forte. Fonte: spaceplasma.tumblr.com
Apenas as partículas que apresentam carga cor podem experimentar a Interação Forte. A carga cor é uma propriedade como a carga elétrica, apenas quarks e glúons a possuem. Este tipo de interação é sempre atrativa, sua principal função é manter prótons e nêutrons unidos num núcleo atômico.
Quando há Interação Forte um fluxo de glúons é trocado entre as partículas interagentes. Por exemplo, os quarks dentro de um próton são atraídos entre si através da Interação Forte, durante o tempo de interação haverá troca de glúons entre as 3 partículas. Por essa razão que os glúons são conhecidos como as partículas mediadoras da Interação Forte.
Esta interação possui um curto alcance (=10-15 m), ou seja, os quarks devem estar muito próximos para que a interação ocorra. Sua intensidade é a maior entre as 4 interações fundamentais.
Como os neutrinos não apresentam carga cor, eles não podem sofrer a interação forte. Os neutrinos são invisíveis para este tipo de interação.
Interação Fraca
Representação da Interação Fraca. Fonte: spaceplasma.tumblr.com
Apenas as partículas que apresentam carga fraca podem experimentar a Interação Fraca. A carga fraca é uma propriedade como a carga elétrica, ela está presente nos Quarks e Léptons.
Esta interação é responsável pelo decaimento das partículas instáveis que buscam estabilidade. Um exemplo de decaimento pode ser visto na banana, ela possui o isótopo Potássio 40, o qual apresenta 19 prótons e 21 nêutrons. O excesso de nêutrons faz com que o núcleo do Potássio 40 seja instável, assim um nêutron se transforma num próton e emite um bóson W–. Rapidamente, o W– dá origem a um Elétron e um Antineutrino.
O decaimento do Potássio 40 presente na banana pode ser descrito pela equação abaixo. (Observe que não representamos o bóson W– na equação)
Quando há Interação Fraca, os bósons W+, W– ou Z são trocados entre as partículas interagentes. Por essa razão, os bósons W+, W– e Z são conhecidos como as partículas mediadoras da Interação Fraca.
Esta interação possui alcance mais curto de todas (=10-18 m), ou seja, os quarks ou léptons devem estar muito próximos para que a interação ocorra. Sua intensidade é de, aproximadamente, 100 trilhões de vezes menor que a interação forte.
Os neutrinos são afetados apenas pela Interação Fraca. Logo, ela é muito importante para o estudo de neutrinos.
Representação da Interação Gravitacional. Fonte: spaceplasma.tumblr.com
Apenas as partículas que apresentam massa podem experimentar a Interação Gravitacional. Esta interação é atrativa, mas não é contemplado no modelo padrão, pois no mundo subatômico ela é desprezível quando comparada com as outras interações. Sua intensidade é de, aproximadamente, 1043 vezes menor que a interação forte.
Esta interação possui um longo alcance (=infinito), mas diminui com o afastamento das partículas interagentes.
Como os neutrinos apresentam massa, eles podem interagir gravitacionalmente. Porém, as massas dos neutrinos são quase nulas, tornando esta interação praticamente desprezível para essas partículas.
PARTE 3: Representação gráfica das interações
Richard Feynman desenvolveu uma maneira simples e intuitiva de representar as interações descritas no modelo padrão, os Diagramas de Feynman.
Os diagramas abaixo são conhecidos como vértices fundamentais, ou seja, uma maneira gráfica de representar as interações Eletromagnética, Forte e Fraca. Chamamos estes vértices de fundamentais, pois eles podem ser combinados ou ampliados para representar eventos mais complexos, como os que ainda serão apresentados neste site. Preste atenção ao formato das linhas em cada tipo interação!
Vértices fundamentais (Diagramas de Feynman). Editado do livro Introduction to Elementary Particles, David Griffiths.
Antes que haja algum equívoco, devemos salientar que a construção de um diagrama de Feynman segue regras bem definidas e sua análise é complexa para nosso nível. Nossa intenção é apenas visualizar os diagramas, pois eles representam a maneira mais intuitiva de enxergarmos os neutrinos interagindo.
Retirado do artigo, O Modelo Padrão da Física de Partículas. Escrito por Marco Antonio Moreira para a Revista Brasileira de Ensino de Física (2009).
Um esquema simplificado para o Modelo Padrão. Nesse esquema não é feita nenhuma alusão ao fato de que para cada partícula existe uma antipartícula, não se considera que os quarks têm a propriedade cor que se apresenta em três variedades (de modo que seria 18 o número de quarks) e que a interação forte pode se apresentar como fundamental ou residual (que seria mediada por mésons). Além disso, sugere que a interação gravitacional está perfeitamente integrada ao Modelo Padrão, o que ainda não ocorreu e talvez nem venha a ocorrer. E uma visão simplificada buscando destacar a simetria da teoria. Por isso, é preciso aceitá-la criticamente.
Fonte: http://www.scielo.br/pdf/rbef/v31n1/v31n1a06
CONCLUSÕES SOBRE OS NEUTRINOS
