Sobre Quarks
O que está dentro de um átomo? O que está dentro de um próton? Estas são perguntas feitas por físicos, que procuram compreender a matéria no nível mais fundamental.
Um átomo contém um núcleo, composto de prótons e nêutrons, cercado por uma nuvem de elétrons. Experiências que sondam mais profundamente descobrem que os elétrons não mostram estrutura, mas os prótons e os nêutrons sim. Eles contêm partículas fundamentais chamadas quarks, que se atraem tão fortemente umas às outras que não podem existir como partículas livres em condições normais. Os cosmólogos teorizam que nas condições incríveis logo após o Big Bang, os quarks poderiam existir livremente no que é chamado de plasma quark-gluon, um estado da matéria que alguns físicos de partículas estão tentando criar no laboratório. (Veja Nuclei Knockdown)
Diagrama da estrutura de quarks de prótons e nêutrons (diagrama cortesia do Brookhaven National Laboratory)
Como sabemos que os quarks existem? Temos que inferir a partir de medidas indiretas, uma vez que não podemos observar um quark livre. Por exemplo, quando elétrons de energia muito alta colidem com prótons, a distribuição de partículas após a colisão mostra que existem partículas minúsculas dentro dos prótons.
As quarks vêm em seis “sabores” evocativos, -acima, abaixo, estranho, encantado, abaixo e acima – e para cada um deles existe um antiquark. (Veja The Buzz about Antimatter)
Combinações dos quarks acima e abaixo compõem as partículas nucleares – dois quarks acima e um abaixo para o próton, e um acima quark e dois abaixo para o nêutron, como mostrado no diagrama. As cargas dos quarks combinam-se para dar a carga do próton e do nêutron, como se mostra abaixo e na tabela.
Protão = quark acima + quark acima + quark abaixo
Carga do próton:
+1 = 2/3 + 2/3 – 1/3
Neutron = quark acima + quark abaixo + quark abaixo
Carga do nêutron:
0 = 2/3 -1/3 – 1/3
Um tipo diferente de partícula, o méson, é composto por dois quarks, ou, mais especificamente, um quark e um anti-quark. Por exemplo, o pi-plus é um quark acima e um quark anti-quark abaixo. Isso nos dá dois tipos de partículas feitas de partículas subatômicas quarks-nucleares (o próton e o nêutron) e os mésons. Poderia haver mais?
Pesquisa
De acordo com o Modelo Padrão, prótons, nêutrons, pi-mesons e outras partículas relacionadas são compostas de várias combinações de quarks. Nesta teoria, uma partícula constituída por cinco quarks – o pentaquarto- é possível. Há um velho ditado na física que diz que “Tudo o que não é proibido é necessário”. Talvez com isto em mente, há 30 anos que os físicos procuram a partícula de cinco quarks. Em 1997 esta busca recebeu uma nova direção com uma previsão de três físicos russos de que o pentaquark composto de dois quarks para cima, dois para baixo e um anti-estrangeiro teria cerca de 1.5 vezes a massa do próton e poderia ser detectado com a tecnologia atual da física das partículas.
A produção de um pentaquark através da absorção de um raio gama (linha percutida) por um núcleo. O pentaquark decai tão rapidamente que não pode ser observado, pelo que a sua existência deve ser inferida a partir das observações dos raios gama e dos mésons K+ que são produzidos quando o pentaquark decai (imagem cortesia de Physics News Graphics, American Institute of Physics).
O detector de meson K no Jefferson Lab (JLab), um dos laboratórios onde o pentaquark foi observado (foto cortesia de Greg Adams, Jefferson Lab).
O pentaquark é produzido por bombardear núcleos de luz com raios gama de alta energia, como mostrado no diagrama. O pentaquark em si não pode ser detectado, uma vez que vive apenas cerca de 10-20 segundos antes de se decompor em um nêutron e um méson K+ (ver parte superior direita do diagrama). Observações do méson e dos raios gama estabeleceram a presença do pentaquark, e três experimentos adicionais confirmaram este resultado.
Este novo tipo exótico de partícula causou uma grande agitação no mundo da física. Como muitas vezes acontece, a descoberta levantou novas questões interessantes, pois acontece que a própria teoria que levou os experimentalistas à sua descoberta não prevê correctamente todas as propriedades do pentaquark. Uma teoria concorrente já apareceu, e como ambas as teorias predizem partículas ainda não descobertas, e com massas diferentes, experimentos futuros podem resolver esse desacordo. Em qualquer caso, é um momento emocionante na física das partículas.
Links
Lawrence Berkeley National Lab
- A Aventura das Partículas
Acelerador Linear Stanford
- Teoria das Partículas
A Exploratorium/CERN
- O Modelo Padrão
Construção do detector Jefferson Lab (foto cortesia do Jlab/Departamento de Energia).
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