Os Quarks

Por Mairon Machado (Publicado originalmente no blog Crônicas da Ciência)

Um dos principais estudos da física de partículas é conhecermos como a matéria é composta. Sendo assim, colisores como o LHC são fundamentais para conseguirmos enxergar a matéria em níveis de profundidade da ordem de 0.000000000000001 metros, ou seja, 1 FEMTÔMETRO. Nessa região que se encontram os constituintes fundamentais da matéria, os quarks.

Para compreendermos em termos de dimensão o que estamos estudando, consideramos a figura que ilustra nosso post: Nela, temos uma apetitosa maçã de aproximadamente 10 CENTÍMETROS de diâmetro. Ao seu lado, uma ervilha de pouco mais de 1 CENTÍMETRO (0.01 metros) está aguardando um corte cirúrgico, do tamanho de um fio de cabelo. Esse corte esta na ordem de 1 MILÍMETRO (0.001 metro).

Com um microscópio, podemos enxergar a célula, e consequentemente, as mitocôndrias. Estamos na ordem de 1 MICROMETRO, ou 0,000001 metros. Dentro das mitocôndrias, é possível observar a existência de átomos, e os átomos sendo constituídos por nucleons, que são basicamente os prótons e os nêutrons. Estamos na região do ÂNGSTRON (0.0000000001 metros), ou seja, passamos a região que está na moda atualmente, a região do NANO  (0,000000001 metros). Deixando de lado a parte referente ao DNA, concentramo-nos apenas nos prótons e nêutrons.

Durante muito tempo, pensou-se que estes eram os verdadeiros constituintes da matéria. Mas, com o avanço tecnológico nos anos 60, assim como o desenvolvimento da Teoria da Cromodinâmica Quântica, pesquisadores acabaram descobrindo que a matéria ainda estava longe de ser completamente descoberta, já que não somente os nucleons existiam, mas que eles pertenciam a uma classe de partículas chamadas de bárions. Seus primos foram descobertos ainda na década de 30, através de diversos experimentos, como o do professor brasileiro César Lattes, que foi um dos pioneiros na descoberta dessa nova classe de partículas, chamada de mésons.

Mésons e bárions constituem o grupo chamado de hádrons. Mas, como ocorre a distinção entre mésons e bárions? Basicamente, os tais estudos da Cromodinâmica Quântica verificaram que os bárions eram partículas constituídas por 3 outras pequenas partículas, pertencentes a classe dos férmions (onde encontra-se por exemplo o elétron), e que foi batizada de quark, sendo os mésons constituídos de dois quarks.

Na figura abaixo, podemos ver como os prótons de um átomo de  nitrogênio são constituídos pelos quarks, os quais são ilustrados através dos pontos vermelho, verde e azul. Essa denominação vermelho, azul e verde, é uma propriedade física de cada quark, que não tem relação alguma com a cor que conhecemos no dia-a-dia (por exemplo, a cor da camisa do seu time de futebol favorito), e que complementa características importantes tanto do ponto de vista do hádron como do ponto de vista do próprio estudo dos quarks.

Átomo de nitrogênio e seus prótons constituídos por quarks

Quarks por si só não podem ser vistos livres na natureza, já que eles interagem entre si através da chamada Força Forte, uma força de interação tão grande que os mantém presos dentro do baŕion/méson que se encontra graças a uma partícula de ligação (um bóson) chamada glúon, que será uma partícula a ser estudada posteriormente em nosso blog.

Além disso, a dimensão de um quark é exatamente da ordem de 1 FEMTÔMETRO. Mas, trabalhando com colisões em grandes energias, como LHC faz, é possível quebrar os prótons, e assim, enxergar através de rastros ou pelo estudo da energia deixada em calorímetros, quarks e demais partículas produzidas nessas colisões. Um exemplo de rastro bem conhecido dentro da física de partículas é a figura seguinte, gerada em uma colisão de núcleos e reconstruída pelo experimento STAR, pertencente ao colisor RHIC, nos Estados Unidos.

Então, os quarks passaram a revelar que sim, prótons e nêutrons (além de outros bárions e mésons) eram constituídos de partículas ainda menores. Existem seis quarks na natureza, os quais são os seguintes, e com as seguintes propriedades (considerando c = 1):

Quark UP

Descoberto : 1968

Massa : 0.3 MeV

Carga elétrica : + 2/3

Experimento que descobriu - SLAC (Estados Unidos)

Quark DOWN

Descoberto : 1968

Massa : 0.4 MeV

Carga elétrica : - 1/3

Experimento que descobriu : SLAC (Estados Unidos)

Quark STRANGE

Descoberto : 1971

Massa: 100 MeV

Carga elétrica: - 1/3

Experimento que descobriu: SLAC (Estados Unidos)

 

 Quark CHARM

Descoberto: 1974

Massa : 1.5 GeV

Carga elétrica : 2/3

Experimento que descobriu: SLAC (Estados Unidos) e BNL (Estados Unidos)

 




Quark BOTTOM

Descoberto: 1977

Massa: 4.5 GeV

Carga elétrica: -1/3

Experimento que descobriu : Fermi National Accelerator Laboratory

 

Quark TOP

Descoberto : 1995

Massa : 175 GeV

Carga elétrica : 2/3

Experimento que descobriu: CDF e D0 (Estados Unidos)

Apenas os dois primeiros (UP e DOWN) são constituintes da matéria em baixas energias, sendo chamados de quarks de valência. Os demais, são produzidos em altíssimas energias,  sendo chamados quarks de mar, e fundamentais para entendermos como outras partículas são formadas na natureza. Espera-se por exemplo, que o estudo do decaimento de um quark BOTTOM com grande energia possa ser uma fonte para revelar a existência do bóson de Higgs.