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   Uma Família mais que elementar

                                                                   J. R. Araújo

Foi  um  grande  desenvolvimento  da  Física,  quando  os  experimentos  do  físico  inglês  J. J. Thomson levaram    à    descoberta   do   Elétron   ( e )   em  1897.   Após   uma  série  de   experimentos  Ernest Rutherford  descobriu  os  Prótons  ( P ) em  1918,  com  carga  positiva  e massa  1836  vezes  a  massa  do elétron  ( m_e ).  Por  volta  de  1920,  o  próprio  Rutherford postulou  a  existência   de  uma   partícula   com massa   semelhante  ao   Próton,  mas   sem carga.   Somente   em   1932 ,  James  Chadwick   observou   em laboratório   essa   partícula denominando-a  Nêutron ( N ).  Com  isso  pensava-se  que   toda  a  estrutura atômica  estava delineada.   Parecia   tão   simples !  O  universo  e   toda   matéria    era  formado   por  essas partículas   elementares,  ou   blocos  fundamentais  da   matéria.  Logo   viriam  os  teóricos,  propondo soluções  mirabolantes  às  equações  da  Física-quântica,  que  não  raro, pedia  um complemento da teoria com a  proposta de existência de partículas adicionais. Na  maioria das vezes, as idéias que  nortearam  tais propostas  vieram  de  necessidades  puramente  teóricas  e que  mais  tarde  viriam  a  ser  corroboradas pela  verificação  experimental,  embora  em outras   ocasiões  a  descoberta   tenha   sido   fruto  de esforços em  laboratórios.   Em  1930 Wolfgang  Pauli  postulou  a  existência  de  uma  partícula   sem  carga  e  sem massa  ( uma espécie    de    fantasma ! )    no   que   foi    apoiado   por   Enrico    Fermi     que  explicou   a transformação   de  um   Próton   em   Nêutron   ( ou  vice-versa )   e   a   conseqüente   emissão   de   um elétron  ( positivo  ou  negativo)  e  mais  essa   partícula  sem  carga  ou  massa,  a  qual  denominou  neutrino (n). Dirac  em  1932,  sugeriu  a  existência  do  Pósitron ( p )  semelhante  ao  elétron,  mas  com  carga positiva  e  que  foi  reconhecido   como  a  anti-partícula  deste.  Um  aspecto  interessante  entre  a interação de  uma  partícula  e  sua  anti-partícula  é  que ambas  se  “desmaterializam”  ao  entrarem   em contato, dando origem   a  dois  fótons   ou raios  de  energia  que  viajam  em  sentidos  opostos.  Existem anti-partículas para  todas as partículas  conhecidas  embora   sejam   raras  de  se   encontrar.  Quando  uma anti-partícula penetra   em   uma    região   de   matéria,    imediatamente    ela    reage   com   sua   partícula, aniquilando-se mutuamente  e   dando  origem   a   dois   fótons.

           p^- + e⁺ ®  2 m₀c²  (energia)

Se  as  partículas  vêm  em  direções  contrárias,  após  a  aniquilação os  fótons  de  energia    se  afastam   para  que  haja  conservação  do  momentum.

Quando  um  fóton  tem  energia  quântica  maior  do  que  a  massa    de   repouso   do   elétron  (  E= m₀ c² = 0.511 MeV  )   e   mais   a   do  pósitron,  é   possível   que  ao  interagir  com  a matéria  ( um   núcleo atômico  por  exemplo )  dê  origem   a   um   par   elétron – pósitron.

Para   fótons  de  energia   muito  acima  de  1.022  MeV,  esse  tipo  de  interação   torna-se bastante freqüente.   Notemos   que   isto   ocorre   com   qualquer   partícula   e   sua   anti-partícula,   um resultado  previsto   pela   Teoria  Quântica   e  observado  em   laboratório. Os  Mesons  foram   preditos em   1935  por   Hideki   Yukawa,   embora   viessem   a   ser  observados apenas  em  1947  por  C. F. Powell que  detectou  dois  tipos de Mesons: o leve  com  massa  207m_e  ( que  se  lê,  207 vezes  a  massa  do elétron )  denominado  Meson–mu  ou  Muon  e  o  mais  pesado,  Meson-pi   ou   Pion   com   massa   264m_e responsável  pelas  forças  fortes  que   mantém  os  prótons  e   nêutrons  “presos”  dentro  do   núcleo atômico.  Os Kaons  ( K )  foram  propostos  por  Gell-Mann  e  Pais  em  1955. Assim,  em   pouco  tempo  a confusão  estava  formada,  pois  todas  essas  partículas  tinham  suas  anti-partículas !  A   introdução   da Teoria  de  Grupos,   uma   ferramenta   importantíssima   que    só   era   de  interesse   dos  matemáticos, na   análise  de  sistemas  quânticos  simétricos,  fez  com  que  Gell-Mann    e    Zweig     postulassem   a existência   dos   Quarks,   partículas     bastante  elementares   que   seriam   os   blocos    fundamentais  dos Prótons,  Nêutrons   e   toda   a  família   dos   Mesons   e    suas    respectivas    anti-partículas.    Anti-partículas   são   uma   conseqüência   inevitável  da   Mecânica  Quântica  Relativista  e  a  existência  do Pósitron  predita  por  Dirac  em  1928,  dois  anos  antes  de  ser  descoberta  experimentalmente  por Anderson   atesta   bem   esse   fato.  Após  1970,  a  quantidade  de  partículas  elementares  era  superior a 200. Convencionou-se  classificar  as  partículas  pelas  suas   massas,   visto que a equação relativística  E = mc²  relaciona  energia  e  massa  como  diferentes  aspectos  de   uma   mesma  grandeza  física.  Nesse sistema  de  classificação  as  partículas   “leves”  são  os  Leptons, a saber,  o  Elétron  (e^- ),  Muon ( m^- )  e Tauon (t^-)  com  seus  respectivos  neutrinos, o  Elétron  neutrino, o  Muon   neutrino  e   o  Tauon   neutrino e  todos  eles  com  suas  respectivas  anti-partículas,  perfazendo  um  total   de  12  Leptons.   

                                                                    Tabela  I

Hoje,   aceita-se  que  dois  tipos  de  partículas  fundamentais  entram  na  constituição    dos  átomos que  formam  a  matéria.  São  os  Leptons  ( descritos  acima ) e  os  Quarks.  Existem  seis  tipos  ou “sabores”  de  Quarks  como  descritos  na  tabela  abaixo.

                      Cada  um  dos  seis  tipos  diferentes  de  Quarks  são  denominados   Sabor

                                                                                  Tabela  II

Os   Quarks   existem  apenas   no   interior  dos  Baryons  (ou  Hadrons ),  confinados  pelos  campos  de força  forte,  o  que  torna  impossível  isolá-los   para   medirmos   suas  massas.  Os  Quarks  e  os  Leptons são  os  blocos  estruturais  da  matéria,  sendo  considerados  as  partículas   realmente  elementares.  A geração   de   físicos   cujas   pesquisas  levaram  ao  desenvolvimento  do  modelo  teórico  dos  quarks, percebendo as  características quânticas  inusitadas    dessas     partículas,    usaram    de    refinado  humor para    nomear    essas  características.  Topo,  fundo,  acima,  abaixo,  cor,  estranheza,  sabor,  charme  são alguns  desses   termos   que  nada  têm  a  ver  com  o  sentido  que   normalmente  os  empregamos  no cotidiano.  Esses  termos  descrevem  estados  quânticos,  ou  estados   de  energia,  bem  característicos, sem   analogia  com  as  definições  da  Física  Clássica.  Portanto,  no  atual  modelo   teórico,   existem  seis “sabores”   de   quarks    que   constituem    os   mesons  e  baryons  até  aqui  conhecidos  e  que somam mais  de  200.  Os  baryons  mais  conhecidos  são  os  Prótons  e  os Nêutrons  que  são constituídos  por  3 quarks.  Usando  a  Tabela  II   acima  podemos  entender  os  diagramas  abaixo:

Os  prótons  são  constituídos  por  dois  sabores  U  e  um  sabor  D 

      P  ®  U  U  D  com  a  carga   +2/3 +2/3 – 1/3  =  + 1  (carga  positiva ) 

Os  neutrons  são  constituídos  por  um  sabor   U   e  dois  sabores  D  

       N  ®  U  D  D  com  carga   + 2/3  - 1/3  - 1/3  =  0  ( carga  nula ) 

Podemos   ainda   relacionar  as   partículas   Lambda  ( l ),  Sigma  ( X )  e  Chi  ( c )   como  representantes da  família Baryon. Os  mesons  são  diferentes  combinações  de  quaisquer  dois   sabores   da   Tabela  II. Os   mesons   mais   conhecidos   são   os   Muons  ( m)  e  os  Pions   ( p ),  além   dos   Kaons  ( K )  e  Rho ( r )  descobertos   em   1960  e  Ômega  ( w )  descoberto  em  1964. 

Todas   essa   partículas   elementares,  em  geral,  são  encontradas  com   cargas   positiva,  negativa   ou nula  e  ainda   possuem   anti-partículas   com   essas   variações   de  cargas.  Algumas  como  os  neutrinos não  têm  cargas  ou   massa   de   repouso,  o  que  significa  que   só  existem  em   movimento,  exibem comportamento   bastante  inusitado  o  que  fez  com  que  os  físicos   denominassem  essas  características com  nomes  que  expressavam  suas  total  surpresa. Além  do  mais  algumas  se  transformam  em  outras como  os  prótons  em  nêutrons  e  vice-versa  segundo  esquema  abaixo. 

Um  neutron   transforma-se  em  um   próton,    um    elétron  e   um   neutrino,  liberando  energia:     

                                            n^o  g p⁺ + e ^- + V + energia        

Um  próton  ao  receber  energia,  transforma-se  em  um  nêutron,  um  pósitron  (elétron com carga positiva)  e  um  neutrino.

                                            p  +  energia n + e ⁺ + V    

As  partículas  elementares  não  podem  ser  tomadas  como  sendo  esféricas,  resistentes,  ocas  ou  recheadas  de  “algo”,  ou  como  tendo  cores  ou  qualquer  dos  atributos  que  normalmente  conhecemos  no  mundo   dos  nossos  sentidos.   Elas  nem  mesmo  são  totalmente  partículas,  existindo  simultaneamente  como  ondas ! Além  do  que  demonstram  um  comportamento  bastante  esotérico  na  aniquilação  mútua  entre  uma  partícula  e  sua  anti-partícula   produzindo   energia.  A  operação   inversa,  quando   um   fóton   de  energia   suficiente  alta   passa  nas  vizinhanças  de  uma  partícula  pesada  e  se  “materializa” em  uma  partícula  e  sua  anti-partícula  é  outro  aspecto  de  igual  “esquisitice”. Tudo  isso  nos  faz  perceber  que  o  mundo  real,  das  partículas  elementares,  é  repleto  de surpresas,  eventos  bizarros  e  até  “caprichos”.  Em  todo  caso,  reflete-se  em  um  estudo  estimulante  o da família  das  partículas  elementares,  que  são  mais  que  elementares,  são  fascinantes !

Recife,

Setembro 2004

J.R. Araújo

e-mail - zecaro108@yahoo.com.br

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Bibliografia

D.H.Perkins, Introduction  to  high  energy  physics,  Addison - Wesley  Publishing  Co. 1972

 Stephen  Gasiorowicz,  Quantum Physics, John Wiley and  Sons, Inc. 1974  

 George Gamow, Thirty Years that shook Physics – A  story  of  Quantum  Theory,  Dover  Publication, Inc–1966 

Werner Heisenberg, Physics and Philosophy – Penguin Books –1990

George Arfken,  Mathematical  Methods   for  Physicists –  Academic Press, Inc –1970

Richard P. Feynman, The Feynman Lectures  on  Physics – Arquivo  em  PDF  da  famosa  série de  palestras  proferidas  pelo  

Dr   Feynman.

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