Quark

Quark

quark - Wikilingue - Encydia

Em física de partículas, os quarks, junto com os leptones, são os constituintes fundamentais da matéria e as partículas mais pequenas que o homem tem conseguido identificar. Várias espécies de quarks combinam-se de maneira específica para formar partículas tais como protones e neutrones.

Os quarks são as únicas partículas fundamentais que interactúan com as quatro forças fundamentais.Os quarks são partículas parecidas aos gluones em peso e tamanho, isto se reflete na força de coesão que estas partículas exercem sobre elas mesmas. São partículas de espín 1/2, pelo que são fermiones. Formam, junto aos leptones, a matéria visível.

Há seis tipos diferentes de quarks que os físicos de partículas têm denominado da seguinte maneira:

• up (acima)
• down (abaixo)
• charm (encantado)
• strange (estranho)
• top (cume) e
• bottom (fundo).

Foram nomeados arbitrariamente baseados na necessidade de nomear de uma maneira fácil de recordar e usar, além dos correspondentes antiquarks. As variedades estranha, encanto, fundo e cume são muito instáveis e se desintegraron em uma fracção de segundo após o Big Bang, mas os físicos de partículas podem recreá-los e estudá-los. As variedades acima e abaixo sim mantêm-se, e distinguem-se entre outras coisas por seu ónus eléctrico.

Na natureza não se encontram quarks isolados. Estes sempre se encontram em grupos, chamados hadrones, de dois ou três quarks, conhecidos como mesones e bariones respectivamente. Isto é uma consequência directa do confinamiento da cor. No ano 2003 encontrou-se evidência experimental de uma nova associação de cinco quarks, os pentaquark^[1] ainda que sua existência ainda é controvertida.^[2]

História

Uso no modelo regular

Murray Gell-Mann, nascido em Nova York no ano 1929, recebeu o prêmio Nobel de Física em 1969 por sua contribua na teoria das partículas atómicas.

A noção de quark teórica nasce da tentativa de classificar aos hadrones, agora explicados graças ao modelo de quarks. Murray Gell-Mann e Kazuhiko Nishijima realizaram essa classificação de maneira independente em 1964.^[3]

Quadro geral com nomes e ónus eléctrico: quarks e leptones.

Diferença entre os bariones e os mesones.

Tamanho relativo das diferentes partículas atómicas.

Os quarks são a conclusão das tentativas para encontrar os fundamentos da construção da matéria. Com o triunfo da teoria atómica no século XIX concluía-se que os átomos eram os componentes últimos da matéria e daí seu nome por ser indivisibles. Com o modelo atómico de Rutherford demonstrou-se que o átomo não era indivisible, constava de um núcleo e de uma nuvem electrónica. O núcleo atómico demonstrou-se posteriormente que estava conformado de protones e neutrones. Com só cinco partículas elementares, fora dos protones, neutrones e elétrons, na década de 1930 começaram a aparecer os muones de alta radiación e alguns neutrinos de forma indirecta. A confirmação a mais mesones e bariones, primeiro em experimentos com alta radiación e depois em aceleradores de partículas, deram a impressão de que nos enfrentávamos a um zoológico de partículas e foram o impulso para procurar a cada vez mais partículas elementares.

O esquema usado por Gell-Mann para unir às partículas era mediante sua isospín e sua extrañeza. Utilizou uma unidade simétrica derivada do álgebra actual, que lha conhece como uma aproximação da simetría quiral da cromodinámica cuántica (QCD). Esta é uma simetría global de sabor SUA(3) que não deve se confundir com a simetría gaugeana da cromodinámica cuántica. Neste esquema, os mesones ligeiros (de espín 0) e os bariones (espín -1/2) estavam agrupados juntos em octetos de simetría de sabor. Uma classificação dos bariones de espín -3/2 em uma representação 10 arrojou a predição de uma nova partícula, a Ω^-. Sua descoberta em 1964 levou à aceitação deste modelo. A representação 3 que faltava foi identificada como os quarks.^{[cita requerida]}

O esquema foi chamado por Gell-Mann como de oito maneiras (eightfold way em inglês), uma inteligente associação dos octetos do modelo com os oito caminhos ou maneiras do budismo.

Descoberta experimental

Em meados da década de 1960 tinha um verdadeiro consenso em que o protón possuía um tamanho aproximado de 10^–15 m com uma distribuição suave de ónus em seu interior. As análises de certas propriedades de reacções de altas energias de hadrones levou a Richard Feynman a postular subestruturas de hadrones, aos que ele chamo partones (porque eram parte dos hadrones).^[4]

A série de experimentos no SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) entre 1967 e 1973 tinham como objectivo estudar a dispersión elétron-protón e ver a distribuição de ónus no protón^[5] . Estes experimentos eram muito parecidos aos realizados por Rutherford anos atrás para confirmar a existência do núcleo atómico. O SLAC é um acelerador de partículas linear onde partículas como os elétrons podem atingir energias de até 50 GeV, o suficiente para que estes possam traspassar nucleones.

A análise teórica das colisões inelásticas que tivessem lugar entre o elétron e o protón o tinha trabalhado James Bjorken. Leste considerou várias hipóteses para explicar a função de forma da dispersión. De todas elas, a mais especulativa era considerar ao protón composto por partículas pontuas carregadas e com espín . Ao analisar os dados para diferentes quantidades por enquanto transferidos ao protón, comprovou-se que o ajuste de Bjorken com tal hipótese era o adequado^[5] . Tinham-se descoberto os quarks de maneira experimental o que permitiu obter o prêmio Nobel de Física de 1990 a Taylor , Kendall e Friedmann, líderes dos experimentos no SLAC.

Mais adiante, outros experimentos de colisões inelásticas com neutrinos feitas no CERN serviram para confirmar os resultados do SLAC. Confirmou-se que os partones de Feynmann e os quarks eram exactamente a mesma coisa. Com a prova da liberdade asintótica na cromodinámica cuántica que realizaram em 1973 David Gross, Frank Wilczek e David Politzer, a conexão se fez estável. A estes cientistas concedeu-se-lhes o prêmio Nobel de Física no 2004 por este trabalho. Kendall disse sobre o achado:

Diferentes sabores

Ao princípio achava-se que só existiam o quark acima, abaixo e estranho. Em 1970, Sheldon Glashow, John Iliopoulos e Luciano Maianicon postularon a existência do quark encantado para impedir mudanças não físicos de sabor nas desintegrações débis que poderiam aparecer no modelo regular. A descoberta do mesón J/ψ em 1974 levou ao reconhecimento de que este estava feito de um quark encantado e seu antiquark.^[6]

Depois, propôs-se a hipótese do quinto e sexto quark, chamados quark cume e fundo. A existência de uma terceira geração de quarks foi predita por Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa em 1973, eles se deram conta que a violação da simetría CP por kaones neutros não poderia acomodar no modelo regular com as duas gerações até esse momento existentes de quarks. O quark fundo foi descoberto em 1977 e o quark cume em 1996.^[7]

Significado de quark

Os elementos básicos da matéria são 3.

A palavra foi originalmente designada por Murray Gell-Mann como uma palavra sem sentido que rimaba com pork,^[8] mas sem ortografia.^[9] Depois, ele encontrou a palavra «quark» em um livro de James Joyce titulado Finnegans Wake e daí se usou sua ortografia:

Gell-Mann disse sobre isto que^[10]

A frase três quarks (three quarks em inglês) encaixava particularmente bem (como se menciona na cita) já que nesse tempo só tinha três quarks conhecidos e então os quarks estavam em grupos de três nos bariones.

No livro de Joyce, dá-se às aves marinhas três quarks, quark toma um significado como o grito das gaviotas (provavelmente onomatopeya como quack para os patos). A palavra é também um jogo de palavras em entre Munster e sua capital provincial Cork.

Geração

Os físicos têm ido separando às partículas que, primeiro teóricas, têm ido achando experimentalmente nos aceleradores de partículas. Dividiram-nas em gerações de dois leptones e dois quarks. Entre eles varia a massa que vai aumentando de acordo ao número da geração, sendo a terça a mais pesada até o momento. O modelo regular prediz as três gerações de quarks e leptones que conhecemos mas não poderia se descartar do todo a possibilidade de uma quarta geração.

No caso dos quarks temos como primeira geração aos quarks acima e abaixo; os de segunda são os quarks encantado e estranho; e os de terceira geração são os quarks fundo e cume.

Propriedades

Os quarks não se encontram livres na natureza senão que se agrupam formando hadrones. Estes se dividem em dois tipos:

• Mesones: formados por um quark e um antiquark (piones, kaones,...)
• Bariones: formados por três quarks (protones, neutrones,...)

Existem 6 tipos de quarks, a cada um com seu sabor, seu ónus, seu isospín débil e sua massa (entre as propriedades mais importantes). Uma lista destas propriedades para a cada quark seria:^{[11] [12]}

Junto aos leptones, os quarks formam praticamente toda a matéria da que estamos rodeados. Em concreto constituem-na os dois primeiros quarks já que formam os protones e neutrones que a sua vez formam os núcleos atómicos.

Ónus

O ónus -⅓ ou +⅔ do ónus elementar. Por isto sempre as partículas compostas (bariones e mesones) têm um ónus inteiro. Experimentalmente (por exemplo no experimento da gota de azeite de Millikan) não há informação de ónus fracionárias de partículas isoladas. A terceira parte do ónus nos hadrones é devido à presença dos quarks. Actualmente desconhece-se por que a soma do ónus dos quarks em um protón se corresponde exactamente à do elétron, um leptón, com signo oposto.

Massa

Ainda que conquanto fala-se da massa dos quarks no mesmo sentido que a massa de qualquer outra partícula, a noção de massa para um quark é complicada pelo facto que os quarks não podem se encontrar sozinhos na natureza, sempre se encontram acompanhados de um gluón, pelo geral. Como resultado, a noção da massa de um quark é uma construção teórica que faz sentido só quando se especifica exactamente que usar-se-á para a definir.

A simetría quiral aproximada da cromodinámica cuántica, por exemplo, permite definir a rádio entre várias massas de quarks através de combinações das massas dos octetos pseudoescalares dos mesones no modelo de quarks pela teoria de perturbación quiral, temos:

O facto de que o quark acima tenha massa é importante porque tinha um problema com a violação CP se estes não tinham massa. Os valores absolutos das massas são determinados pelas regras de soma de funções espectrales (ou também as regras de soma da cromodinámica cuántica).

Outro método para especificar as massas dos quarks foi usada por Gell-Mann e Nishijima no modelo de quarks que ligava a massa do hadrón com a massa dos quarks. Estas massas, chamadas massas constituintes de quarks, são consideravelmente diferentes das massas definidas anteriormente. As massas constituintes não têm nenhum significado dinâmico posterior.

Por outro lado, as massas dos quarks mais em massa, o encantado e o fundo, obtiveram-se das massas dos hadrones que continham um quark pesado (e um antiquark ligeiro ou dois quarks ligeiros) e da análise de quarkonios . Os cálculos do enrejado da cromodinámica cuántica usando uma teoria efectiva de quarks pesados ou cronodinámica cuántica não relativista são usadas actualmente para determinar a massa desses quarks.

O quark cume é o suficientemente pesado que a perturbación da QCD pode ser usada para determinar sua massa. Dantes de sua descoberta em 1995, a melhor teoria estimava que a massa do quark cume podia obter da análise global de teste de precisão do modelo regular. O quark cume, no entanto, tem a única quantidade de quarks que se desintegran dantes de hadronizarse. Então, a massa pode ser directamente medida dos produtos desintegrados resultantes. Estes só podem ser feitos no Tevatrón que é o único acelerador de partículas com a suficiente energia para produzir quarks cume em abundância.

Isospín débil

Artigo principal: Isospín débil

O valor desta propriedade para os quarks é de 1/2, e seu signo depende de que tipo de quark é. Para os quarks tipo ou (ou, c e t) é de +1/2, enquanto para os outros, chamados quarks tipo d (d, s, b), é de -1/2. De acordo com o isospín débil, um quark tipo ou deverá desintegrarse para obter um quark tipo d e vice-versa. Não se admitem desintegrações entre quarks do mesmo tipo. As partículas que permitem estas mudanças de ónus do isospín débil são os bosones W e Z.

Sabor

Artigo principal: Sabor (física)

Diferença entre fermiones e bosones.

Devido à interacção débil todos os fermiones, e neste caso os quarks, podem mudar de tipo; a esta mudança denomina-se-lhe sabor.^[13] Os bosones W e Z são os que permitem a mudança de sabor nos quarks, estes bosones são os causantes da interacção débil. A cada quark tem um sabor diferente que interactuará com os bosones de uma maneira única.

O sabor dos quarks acima e abaixo é o isospín débil, dantes mencionado. O quark estranho, terá um número cuántico ou sabor, homónimo, chamado extrañeza e tem o valor de -1. Para o quark encantado é encantado e tem o valor de 1; e assim sucessivamente com os outros dois como se pode ver na tabela anterior.

Ónus de cor

Artigo principal: Ónus de cor

Os quarks ao ser fermiones devem seguir o princípio de exclusão de Pauli. Este princípio implica que os três quarks em um barión devem estar em uma combinação antisimétrica. No entanto carrega-a Q=2 do barión Δ⁺⁺ (que é um quarto do isospín I_z  =  3/2 dos bariones) pode ser realizado só por quarks com espín paralelo. Esta configuração é simétrica baixo intercâmbio de quarks, isto implica que existe outro número cuántico interno para que possa se fazer essa combinação antisimétrica. A esta propriedade, ou número cuántico, denominou-se-lhe cor. A cor não tem nada que ver com a percepción da frequência da luz, pelo contrário, a cor é o ónus envolvido na teoria de gauge, mais conhecida como cromodinámica cuántica.

A cor é uma simetría de gauge SUA(3). Os quarks estão localizados na representação fundamental 3 e portanto têm três cores, análogo com as três cores fundamentais vermelho, verde e azul, daí vem seu nome. É por isso que se costuma dizer que existem 18 tipos de quarks, 6 com sabor e a cada um com 3 cores.

Subestrutura

Artigo principal: Preón

Novas extensões do modelo regular de física de partículas indicam que os quarks poderiam estar compostos de subestruturas. Isto assume que as partículas elementares do modelo regular de física de partículas são partículas compostas; estas hipóteses estão a ser avaliadas, ainda que actualmente não se descobriu tal estrutura. As chamadas subestruturas dos quarks denominam-se preones.

Antiquark

O antiquark é a antipartícula que corresponde a um quark. O número de tipos de quarks e antiquarks na matéria é o mesmo. Representam-se com os mesmos símbolos que aqueles, mas com uma barra em cima da letra correspondente, por exemplo, se um quark se representa , um antiquark se escreve .

Veja-se também

• Física de partículas
• Forças fundamentais
• Murray Gell-Mann
• Leon Max Lederman
• Preón
• Modelo regular de física de partículas

Notas

1. ↑ The SAPHIR Collaboration, J. Barth, et a o. «Evidence for the positive-strangeness pentaquark» (em inglês). Consultado o 08/01/2008.
2. ↑ Sonia Kabana. «Review of the experimental evidence on pentaquarks and critical discussion» (em inglês). Consultado o 08/01/2008.
3. ↑ «Quarks». Consultado o 08/01/2008.
4. ↑ «SLAC» (em inglês). Consultado o 08/01/2008.
5. ↑ ^{a b c} Premeio Nobel pela primeira evidência de um quark
6. ↑ «Mesons» (em inglês). Consultado o 08/01/2008.
7. ↑ «Quark». Consultado o 08/01/2008.
8. ↑ Gribbin, John. "Richard Feynman: A Life in Science" Dutton 1997, pg 194.
9. ↑ Proveniencia da palavra quark
10. ↑ Gell-Mann, Murray (1995). O QUARK E O JAGUAR, Barcelona: Tusquet. 84-7223-844-X.
11. ↑ «Summary of Top Mass Results - March 2007». Consultado o 08/01/2008.
12. ↑ «A massa dos quarks» (em inglês). Consultado o 08/01/2008.
13. ↑ «Interacção débil». Consultado o 08/01/2008.

Enlaces externos

• Wikimedia Commons alberga conteúdo multimédia sobre Quark.Commons
• FisicaRecreativa.net («Que é um quark?», por Isaac Asimov).
• ParticleAdventure.org (A Aventura das Partículas, enlace muito ilustrativo sobre a física de partículas).
• Pdg.lbl.gov (Particle Data Group: página sobre dados de partículas; em inglês).
• Physics.ox.ac.uk (página muito ilustrativa da Universidade de Oxford sobre o protón; em inglês).

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