Aula 176 — Partículas Elementares (O Modelo Padrão: Quarks e Leptons)

O professor pergunta: "prótons e nêutrons são realmente as partículas mais fundamentais que existem, ou eles próprios têm uma estrutura interna, feita de algo ainda menor?" Ouvir hipóteses.

Perguntar: se existe algo mais fundamental do que prótons e nêutrons, por que nunca observamos esse "algo" sozinho, isolado, em nenhum experimento? Obstáculo a nomear (sem resolver ainda): achar que, se uma partícula é "fundamental", ela deveria poder ser isolada e observada livremente — na verdade, os quarks nunca existem isolados na natureza, um fenômeno chamado confinamento.

Apresentação dos slides 2 a 9: o Modelo Padrão organiza as partículas elementares conhecidas (sem subestrutura detectada) em duas famílias de férmions (partículas de matéria) e bósons mediadores (partículas de força). Os quarks existem em seis "sabores" — up, down, charm, strange, top e bottom —, agrupados em três gerações, com cargas elétricas fracionárias (+2/3 ou -1/3 da carga elementar); eles nunca aparecem isolados, sempre combinados em hádrons por meio do confinamento de cor, mediado pela força forte — isso resolve o obstáculo do Momento 2. O próton, por exemplo, é formado por dois quarks up e um quark down (uud), com carga total +2/3+2/3-1/3=+1; o nêutron, por dois quarks down e um quark up (udd), com carga total +2/3-1/3-1/3=0 — os núcleons estudados na Aula 170 são, portanto, partículas compostas, não elementares. Os léptons também existem em três gerações: o elétron, o múon e o tau, cada um acompanhado de um neutrino correspondente (ν_{e}, ν_{μ} e ν_{τ}), partículas de massa extremamente pequena e que interagem muito fracamente com a matéria — é exatamente um antineutrino do elétron que aparece no decaimento beta estudado na Aula 171, carregando parte da energia e do momento liberados. As interações fundamentais entre essas partículas são mediadas por bósons: o fóton medeia a força eletromagnética, o glúon medeia a força forte (responsável pelo confinamento dos quarks), e os bósons W e Z medeiam a força fraca (responsável, por exemplo, pelo decaimento beta). Prótons, nêutrons e todos os núcleos estudados neste módulo são, portanto, estados compostos de quarks e glúons — o Modelo Padrão descreve um nível de organização da matéria mais fundamental do que o próprio núcleo atômico.

Resolução guiada: verificar coletivamente a carga elétrica total do próton a partir de sua composição em quarks (uud): +2/3+2/3-1/3=+1, confirmando a carga elementar positiva conhecida. Em duplas: verificar, da mesma forma, a carga elétrica total do nêutron a partir de sua composição em quarks (udd): +2/3-1/3-1/3=0, confirmando que o nêutron é eletricamente neutro.

Aplicação individual (ou em duplas) da lista de exercícios de fixação (seção 8 deste plano).

Retomar a pergunta do Momento 1: prótons e nêutrons não são partículas fundamentais — são feitos de quarks, mantidos unidos pela força forte (mediada por glúons); os quarks, os léptons (como o elétron e os neutrinos) e os bósons mediadores (fóton, glúon, W e Z) são, até onde a física sabe hoje, as partículas verdadeiramente elementares da natureza.