Modelo regular de física de partículas

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Um átomo de Helio 4 segundo o modelo regular, mostra-se de cor vermelho as interacções electromagnéticas e de cor laranja as Fortes.

Os elementos básicos da matéria são 3.

Nome e ónus eléctrico dos seis Quarks.

Nome e ónus eléctrico dos seis leptones.

Quadro geral das partículas, quarks e leptones.

Diferença entre os bariones e os mesones.

Diferença entre fermiones e bosones.

Tamanho relativo das diferentes partículas atómicas.

Divisão do universo em matéria e antimateria.

Exemplo do decaimiento de um leptón em outras partículas.

Explicação da interacção entre partículas através das 4 forças fundamentais.

Zoo de partículas na supersimetría.

Convergência das três forças. Marca-se a energia máxima do LHC.

O modelo regular da física de partículas é uma teoria que descreve as relações entre as interacções fundamentais conhecidas entre partículas elementares que compõem toda a matéria. É uma teoria cuántica de campos desenvolvida entre 1970 e 1973 que é consistente com a mecânica cuántica e a relatividad especial. Até a data, quase todas as provas experimentales das três forças descritas pelo modelo regular estão de acordo com suas predições. No entanto, o modelo regular não atinge a ser uma teoria completa das interacções fundamentais como não inclui a gravidade, a quarta interacção fundamental conhecida, e devido também ao número elevado de parámetros numéricos (tais como massas e constantes que se juntam) que se devem pôr a mão na teoria (em vez de se derivar a partir de primeiros princípios).

Modelo Regular

Actualmente em Física, a dinâmica da matéria e da energia na natureza entende-se melhor em termos de cinemática e interacções de partículas fundamentais. Até a data, a ciência tem conseguido reduzir as leis que parecem governar o comportamento e a interacção de todos os tipos de matéria e de energia que conhecemos, a um conjunto pequeno de leis e teorias fundamentais. Uma meta importante da física é encontrar a base comum que uniria a todas estas em uma teoria do tudo, na qual todas as outras leis que conhecemos seriam casos especiais, e da qual pode se derivar o comportamento de toda a matéria e energia (idealmente a partir de primeiros princípios).

Dentro disto, o modelo regular agrupa duas teorias importantes - o modelo electrodébil e a cromodinámica cuántica - o que proporciona uma teoria internamente consistente que descreve as interacções entre todas as partículas observadas experimentalmente. Tecnicamente, a teoria cuántica de campos proporciona o marco matemático para o modelo regular. O modelo regular descreve a cada tipo de partícula em termos de um campo matemático. Para uma descrição técnica dos campos e de suas interacções, ver o modelo regular (detalhes básicos).

Para facilitar a descrição, o modelo regular pode-se dividir em três partes que são as partículas de matéria, as partículas mediadoras das forças, e o bosón de Higgs.

Partículas de matéria

Segundo o modelo regular toda a matéria conhecida está constituída de partículas que têm uma propriedade intrínseca telefonema espín cujo valor é 1/2. Nos termos do modelo regular todas as partículas de matéria são fermiones. Por esta razão, seguem o princípio de exclusão de Pauli de acordo com o teorema da estatística do spin, e é o que causa sua qualidade de matéria. Aparte de seus antipartículas sócias, o modelo regular explica um total de doze tipos diversos de partículas de matéria. Seis destes se classificam como quarks (up, down, strange, charm, top e bottom), e os outros seis como leptones (elétron, muón, tau, e seus neutrinos correspondentes).

Partículas fundamentais do Modelo Regular
Famílias	Nome	Símbolo	Nome	Símbolo
	Leptones		Quarks
1^a	elétron	e	up	ou
1^a	neutrino e	n_e	down	d
2^a	muón	µ	charm	c
2^a	neutrino µ	n_µ	strange	s
3^a	tau	$\tau$	top	t
3^a	neutrino $\tau$	n	bottom	b

As partículas da matéria também levam ónus que as fazem susceptíveis às forças fundamentais segundo o descrito na secção seguinte.

A cada quark pode levar três ónus de cor - vermelha, verde ou azul, permitindo-lhes participar em interacções fortes.
Os quarks tipo up (up, top ou charm) levam um ónus eléctrico de +2/3, e o tipo down (down, strange e bottom) levam um ónus eléctrico de -1/3, permitindo a ambos tipos participar em interacções electromagnéticas.
Os leptones não levam nenhum ónus de cor - são neutros neste sentido, se evitando que participem em interacções fortes.
Os leptones tipo down (o elétron, o muon, e o lepton tau) levam um ónus eléctrico de -1, permitindo-lhes participar em interacções electromagnéticas.
Os leptones tipo up (os neutrinos) não levam nenhum ónus eléctrico, se evitando que participem em interacções electromagnéticas.
Os quarks e os leptones levam vário ónus de sabor, incluindo o isospin débil, permitindo a todas elas interaccionar reciprocamente via a interacção nuclear débil.

Pares da cada grupo (um quark tipo up, um quark tipo down, um lepton tipo down e seu neutrino correspondente) formam as famílias. As partículas correspondentes entre a cada família são idênticas a uma à outra, a excepção de sua massa e de uma característica conhecida como seu sabor.

Partículas mediadoras de forças

As forças na física são a forma em que as partículas interaccionan reciprocamente e se influencian mútuamente. A nível macroscópico, por exemplo, a força electromagnética permite que as partículas interaccionen com, e via, campos magnéticos, e a força da gravitación permite que duas partículas com massa se atraiam uma a outra de acordo com a lei de gravitación de Newton. O modelo regular explica tais forças como o resultado do intercâmbio de outras partículas por parte das partículas de matéria, conhecidas como partículas mediadoras da força. Quando se troca uma partícula mediadora da força, a nível macroscópico o efeito é equivalente a uma força que influência às duas, e se diz que a partícula tem mediado (isto é, tem sido o agente de) essa força. Acha-se que as partículas mediadoras de força são a razão pela que existem as forças e as interacções entre as partículas observadas no laboratório e no universo.

As partículas mediadoras de força descritas pelo modelo regular também têm spin (ao igual que as partículas de matéria), mas se for o caso, o valor do spin é 1, significando que todas as partículas mediadoras de força são bosones. Consequentemente, não seguem o princípio de exclusão de Pauli. Os diversos tipos de partículas mediadoras de força são descritas a seguir.

Os fotones median a força electromagnética entre as partículas electricamente carregadas. O fotón não tem massa e está descrito pela teoria da electrodinámica cuántica.

Os bosones de gauge W⁺, W^–, e Z⁰ median as interacções nucleares débis entre as partículas de diversos sabores (todos os quarks e leptones). São em massa, com o Z⁰ mais em massa que o $W^\pm$ . As interacções débis que implicam ao $W^\pm$ actuam exclusivamente em partículas zurdas e não sobre as antipartículas zurdas. Ademais, o $W^\pm$ leva um ónus eléctrico de +1 e -1 e participa nas interacções electromagnéticas. O bosón electricamente neutro Z⁰ interactúa com ambas partículas e antipartículas zurdas. Estes três bosones gauge junto com os fotones agrupam-se juntos e mediam colectivamente as interacções electrodébiles.

Os oito gluones median as interacções nucleares fortes entre as partículas carregadas com cor (os quarks). Os gluones não têm massa. A multiplicidad dos gluones etiqueta-se pelas combinações da cor e de um ónus de anticolor (isto é, Vermelho-anti-Verde). Como o gluon tem um ónus efectivo de cor, podem interactuar entre si mesmos. Os gluones e suas interacções descrevem-se mediante a teoria da cromodinámica cuántica.

As interacções entre todas as partículas descritas pelo modelo regular se resumem na ilustração seguinte.

Interacções descritas pelo Modelo Regular junto com os grupos gauge e os bosones associados à cada uma delas. Na coluna da esquerda representam-se as constantes fundamentais que indicam a força relativa da cada interacção.
Interacção	Grupo gauge	Bosón	Símbolo	Força relativa
Electromagnética	Ou(1)	fotón	g	a em = 1/137
Débil	SEU(2)	bosones intermediários	W^±, Z⁰	a weak = 1,02 · 10^-5
Forte	SEU(3)	gluones (8 tipos)	g	a s (M_Z) = 0,121

Bosón de Higgs

Artigo principal: Bosón de Higgs

A partícula de Higgs é uma partícula elementar escalar em massa hipotética predita pelo modelo regular, e a única partícula fundamental predita por esse modelo que não se observou completamente até agora. Isto é em parte porque requer uma quantidade excepcionalmente grande de energia para a criar e a observar baixo circunstâncias de laboratório. Não tem nenhum spin intrínseco, e (como as partículas mediadoras de força) se classifica bem como bosón.

O bosón de Higgs desempenha um papel único no modelo regular, e um papel dominante em explicar as origens da massa de outras partículas elementares, particularmente a diferença entre o fotón sem massa e os bosones pesados W e Z. As massas das partículas elementares, e as diferenças entre o electromagnetismo (causada pelo fotón) e a força débil (causada pelos bosones W e Z), são críticas em muitos aspectos da estrutura da matéria microscópica (e portanto macroscópica); assim, se se demonstra que existe, o bosón de Higgs tem um efeito enorme no mundo ao redor nosso.

Até a data de (2010), nenhum experimento tem detectado directamente a existência do bosón de Higgs, mas há uma verdadeira evidência indirecta dele. Espera-se que o colisionador de hadrones do CERN trará a evidência experimental que confirme sua existência.

Lista de fermiones do Modelo Regular

Esta tabela baseia-se em parte de dados tomados pelo Grupo de Dados de Partículas (Quarks).

**Fermiones *zurdos* no Modelo Regular**
Família 1
Fermión (zurdo)	Símbolo	Ónus eléctrico	Isospin débil	Hipercarga	Ónus de Cor *	Massa **
Elétron	$e^-\,$	$-1\,$	$-1/2\,$	$-1/2\,$	$\bold{1}\,$	511 keV
Positrón	$e^+\,$	$+1\,$	$0\,$	$+1\,$	$\bold{1}\,$	511 keV
Neutrino electrónico	$\nu_e\,$	$0\,$	$+1/2\,$	$-1/2\,$	$\bold{1}\,$	< 2 eV
Up quark	$u\,$	$+2/3\,$	$+1/2\,$	$+1/6\,$	$\bold{3}\,$	3 MeV ***
Up antiquark	$\bar{u}\,$	$-2/3\,$	$0\,$	$-2/3\,$	$\bold{\bar{3}}\,$	3 MeV ***
Down quark	$d\,$	$-1/3\,$	$-1/2\,$	$+1/6\,$	$\bold{3}\,$	6 MeV ***
Down antiquark	$\bar{d}\,$	$+1/3\,$	$0\,$	$+1/3\,$	$\bold{\bar{3}}\,$	6 MeV ***

Família 2
Fermión (zurdo)	Símbolo	Ónus eléctrico	Isospin débil	Hipercarga	Ónus de Cor *	Massa **
Muón	$\mu^-\,$	$-1\,$	$-1/2\,$	$-1/2\,$	$\bold{1}\,$	106 MeV
Antimuón	$\mu^+\,$	$+1\,$	$0\,$	$+1\,$	$\bold{1}\,$	106 MeV
Neutrino muónico	$\nu_\mu\,$	$0\,$	$+1/2\,$	$-1/2\,$	$\bold{1}\,$	< 2 eV
Quark Charm	$c\,$	$+2/3\,$	$+1/2\,$	$+1/6\,$	$\bold{3}\,$	1.3 GeV
Antiquark Charm	$\bar{c}\,$	$-2/3\,$	$0\,$	$-2/3\,$	$\bold{\bar{3}}\,$	1.3 GeV
Quark Strange	$s\,$	$-1/3\,$	$-1/2\,$	$+1/6\,$	$\bold{3}\,$	100 MeV
Antiquark Strange	$\bar{s}\,$	$+1/3\,$	$0\,$	$+1/3\,$	$\bold{\bar{3}}\,$	100 MeV

Família 3
Fermión (zurdo)	Símbolo	Ónus eléctrico	Isospin débil	Hipercarga	Ónus de Cor *	Massa **
tau	$\tau^-\,$	$-1\,$	$-1/2\,$	$-1/2\,$	$\bold{1}\,$	1.78 GeV
Anti-tau	$\tau^+\,$	$+1\,$	$0\,$	$+1\,$	$\bold{1}\,$	1.78 GeV
Neutrino tauónico	$\nu_\tau\,$	$0\,$	$+1/2\,$	$-1/2\,$	$\bold{1}\,$	< 2 eV
Top quark	$t\,$	$+2/3\,$	$+1/2\,$	$+1/6\,$	$\bold{3}\,$	171 GeV
Top antiquark	$\bar{t}\,$	$-2/3\,$	$0\,$	$-2/3\,$	$\bold{\bar{3}}\,$	171 GeV
Bottom quark	$b\,$	$-1/3\,$	$-1/2\,$	$+1/6\,$	$\bold{3}\,$	4.2 GeV
Bottom antiquark	$\bar{b}\,$	$+1/3\,$	$0\,$	$+1/3\,$	$\bold{\bar{3}}\,$	4.2 GeV
Notas: * Este ónus não se podem somar tal qual pois são etiquetas usadas para a representação de grupo dos grupos de Envolva. A massa realmente é o acoplamento entre um fermión zurdo com outro fermión diestro. Por exemplo, a massa de um elétron é realmente o acoplamento entre um elétron zurdo com outro elétron diestro, o qual é a antipartícula de um positrón zurdo. Os neutrinos mostram grandes misturas em seu acoplamento de massas. ***** As massas dos bariones e os hadrones e várias secções eficazes são quantidades medidas experimentalmente. Como os quarks não se podem isolar pelo confinamiento QCD, a quantidade dada aqui se supõe a massa do quark na escala de renormalización da escala QCD.

Provas e predições

O Modelo Regular predizia a existência dos bosones W e Z, o gluón, e os quarks top e charm dantes de que essas partículas tivessem sido observadas. Suas propriedades preditas foram experimentalmente confirmadas com boa precisão.

O Large Elétron-Positron collider (LEP) no CERN provou várias predições entre os decaimientos dos bosones Z, e confirmou-as.

A tabela seguinte mostra uma comparação entre os valores medidos experimentalmente e os preditos pelo Modelo Regular:

Quantidade	Medida (GeV)	Predição do Modelo Regular (GeV)
Massa do bosón W	80,4120 ± 0,0420	80,3900 ± 0,0180
Massa do bosón Z	91,1876 ± 0,0021	91,1874 ± 0,0021

Se representa um átomo a uma escala na que os neutrones e protones tivessem 10 cm de diâmetro, os quarks e elétrons teriam 1 mm de diâmetro enquanto o átomo chegaria a ter 10 km de diâmetro. Isto é, quase o 100% do átomo está vazio. Também há que ter em conta que a distância entre os átomos que formam moléculas há ainda uma percentagem maior de vazio.

Insuficiencias do Modelo Regular

Ainda não há indícios experimentales da existência do bosón de Higgs, ainda que se espera que possa ser detectado pelo Grande Colisionador de Hadrones (LHC) quando este seja consertado após uma primeira tentativa frustrada e entre em pleno funcionamento em 2010 .^[1] Inclusive quando o Modelo Regular tem tido grande sucesso em explicar os resultados experimentales, tem certos defeitos importantes:

O problema do número de constantes físicas fundamentais. O modelo contém 19 parámetros livres, tais como as massas das partículas, que devem ser determinados experimentalmente (além de 10 para as massas dos neutrinos). Esses parámetros não podem ser calculados independentemente.
Gravidade cuántica. O modelo não descreve a força gravitatoria, nem os candidatos actuais para construir uma teoria cuántica da gravidade, se assemelham ao modelo regular.
Antimateria. Dentro dele, a matéria e a antimateria são simétricas. A preponderancia da matéria no universo poderia ser explicada dizendo que o universo começou com outras condições iniciais, mas a maioria dos físicos pensam que esta explicação não é elegante.

Existem alternativas ao Modelo Regular que tentam dar resposta a estas "deficiências", como por exemplo a teoria de sensatas.

Veja-se também

Referências

↑ CERN Press Release (2009). Computer Model of an Injection Laser with Asymmetrical Gain Distribution. http://press.site.cern.ch/press/PressReleases/Releases2009/PR16.09E.html.

Obtido de http://ks312095.kimsufi.com../../../../articles/a/r/t/Encydia-Wikilingue%7EArt%C3%ADculos_solicitados_2358.html"

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Categoria: Física nuclear e de partículas

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