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O maravilhoso mundo das partículas elementares: Nosso universo realmente tem apenas 61 tipos de partículas?
A física de partículas é o estudo das partículas elementares que compõem a matéria e a radiação e suas interações. Este campo inclui não apenas o estudo de partículas elementares, mas também a matéria composta de partículas elementares, como prótons e nêutrons. De acordo com o modelo padrão, as partículas fundamentais do universo são divididas em férmions (partículas de matéria) e bósons (partículas que transmitem força). Embora existam três gerações de férmions no universo, a matéria comum com a qual entramos em contato em nossa vida diária é composta apenas de férmions de primeira geração, ou seja, quarks up e quarks down, elétrons e neutrinos de elétrons.
As partículas fundamentais interagem entre si de maneiras complexas, mediadas por bósons, incluindo a força eletromagnética, a força fraca e a força forte.
Curiosamente, os quarks não podem existir independentemente, mas sim na forma de hádrons; partículas com um número ímpar de quarks em um hádron são chamadas de bárions, enquanto partículas com um número par de quarks são chamadas de mésons. Prótons e nêutrons são compostos principalmente de bárions e constituem a grande maioria da nossa matéria cotidiana. Comparados aos prótons e nêutrons, os múons são instáveis e existem por apenas alguns microssegundos.
Cada partícula tem uma antipartícula correspondente, que tem a mesma massa que a partícula, mas a carga oposta. Por exemplo, a antipartícula do elétron é o pósitron. Isso significa que a existência de antipartículas e antimatéria é teoricamente possível.
Pesquisas relacionadas mostram que a interação entre partículas e antipartículas pode levar à sua aniquilação e transformação em outras partículas, o que verifica ainda mais a complexidade da matéria.
Para algumas partículas, como os fótons, elas são suas próprias antipartículas. Essas partículas elementares são, na verdade, estados excitados de campos quânticos, que são responsáveis pelas interações entre partículas. O Modelo Padrão é a teoria dominante que explica essas partículas elementares e suas interações. Como integrar a gravidade com teorias de física de partículas existentes continua sendo um problema não resolvido. Muitas teorias, como gravidade quântica em loop, teoria das cordas e teoria da supersimetria foram propostas para resolver esse problema.
Contexto históricoA ideia de que a matéria é composta de partículas elementares remonta ao século VI a.C. No século XIX, John Dalton, por meio de seu trabalho em estequiometria, concluiu que cada elemento na natureza era composto de um tipo único de partícula. Pesquisas subsequentes mostraram que os átomos não são as partículas mais básicas da matéria, mas são compostos de partículas menores (como elétrons).
Após entrar no século XX, a exploração da física nuclear e da física quântica levou à descoberta da fissão nuclear e da fusão nuclear em 1939, o que não apenas desencadeou o desenvolvimento de armas nucleares, mas também promoveu o desenvolvimento da física de partículas moderna.
Ao longo das décadas de 1950 e 1960, várias partículas foram descobertas em colisões de alta energia, um fenômeno conhecido como "zoológico de partículas", que inspirou os físicos a pensar sobre novos problemas relacionados ao desequilíbrio de matéria e antimatéria.
Após a proposta do Modelo Padrão, os físicos revelaram que esse insano "zoológico de partículas" foi formado pela combinação de algumas partículas fundamentais, marcando o início da física de partículas moderna.
Introdução ao Modelo Padrão
A classificação atual de todas as partículas elementares é explicada principalmente pelo Modelo Padrão, que ganhou ampla aceitação e confirmação experimental em meados da década de 1970. O Modelo Padrão descreve as três interações fundamentais, forte, fraca e eletromagnética, e usa bósons mediadores para explicá-las, incluindo oito glúons, os bósons W−, W+ e Z, e o fóton. O Modelo Padrão também inclui 24 férmions fundamentais (12 partículas e suas antipartículas) que constituem os blocos de construção básicos de toda a matéria.
O Modelo Padrão também prevê a existência do bóson de Higgs. Em 4 de julho de 2012, físicos do Grande Colisor de Hádrons do CERN anunciaram que haviam descoberto uma nova partícula que se comporta como o bóson de Higgs. O atual Modelo Padrão tem 61 partículas fundamentais que podem se combinar para formar partículas compostas, o que também explica as centenas de outras partículas descobertas desde a década de 1960.
Embora o Modelo Padrão tenha demonstrado alta consistência em quase todos os testes experimentais, a maioria dos físicos de partículas acredita que sua descrição da natureza é incompleta e que uma teoria mais completa ainda precisa ser descoberta. Medições recentes da massa dos neutrinos levaram ao primeiro desvio do Modelo Padrão, no qual os neutrinos não têm massa.Perspectivas futuras
Os principais esforços futuros incluem buscas por física além do Modelo Padrão, como o Future Circular Collider proposto pelo CERN, e recomendações do US Particle Physics Prioritization Panel (P5), que atualizará o estudo P5 de 2014. O relatório recomenda várias projetos experimentais, incluindo o experimento de neutrinos subterrâneos profundos.
As interações entre várias partículas tornam nosso universo cheio de incógnitas e surpresas. Mas quantas partículas e interações não descobertas estão escondidas neste mundo infinito e profundo de partículas?
