Aqui o autor - Dieter Dellinger - leva a Física aos seus Limites, ao ponto em que já não sabemos se é Física, Hiperfísica ou quase Metafísica Sem Religião
Sábado, 31 de Julho de 2010
Capítulo I - O Modelo Padrão (Standard) - Quarks

 

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Com um escopro e um martelo um pedreiro arranca pedras de uma pedreira e vai partindo-as em pedaços cada vez mais pequenos, mas a partir de uma dada altura, para transformar as pedras numas pequenas unidades quase do tamanho de um grão de pó, já a sua energia não serve. Necessita de um moinho de bolas de aço especial para triturar as pedrinhas a fim de chegar a um pó minúsculo e depois para obter os cristais de calcite ou aragonite, por exemplo, carbonato de cálcio CO2Ca em ambos, mas com sistemas cristalinos diferentes, terá de investir ainda mais energia e muito mais para chegar aos átomos de cálcio, de oxigénio e de carbono. Quer dizer, quanto menor for a dimensão da matéria que se pretende alcançar maior a energia e a complexidade envolvida, sendo teoricamente possível utilizar uma tal energia no choque entre partículas de modo que todas sejam iguais ou nem sejam partículas sequer, atingindo-se o limite absoluto da matéria. E, provavelmente, não se está muito longe disso.

Porque os átomos têm dimensões ínfimas com raios que vão dos 0,48 Ǻngstroms (0,00000048 cm, ou seja, 0,48×10‾8 cm no Hidrogénio aos 2,62 Å do Césio, o que sendo maior continuou a ser invisível até ao desenvolvimento do microscópio electrónico com efeito de túnel, o qual permitiu pela primeira vez visualizar átomos que aparecem sob a forma de uma espécie de nuvem quase esférica formada exteriormente pelo espaço dos orbitais ou nuvens de electrões.

Passaram quase 100 anos desde o aparecimento do primeiro modelo de átomo com núcleo e electrões em órbita até visualizarem-se os primeiros exemplares.

A energia para ionizar o átomo, isto é, arrancar-lhe os electrões que envolvem o seu núcleo, já foi importante, pois tratou-se de bombardear os átomos com feixes de electrões ou aquecê-los às chamadas temperaturas de plasma. Mas, a que foi necessária para desmontar o núcleo dos átomos e concluir que se dividem em protões e neutrões foi incomparavelmente maior e mais ainda para se arquitectar o actual Modelo Padrão (Standard em inglês) em que se identificaram os dois tipos de partículas aparentemente básicas que deverão constituir a matéria estável, ou seja, os protões e neutrões com os electrões já conhecidos. A dúvida resulta de a Física da Partículas, por vezes denominada Quântica, trabalhar com modelos e métodos indirectos de experimentação que neste caso são os gigantescos aceleradores daquilo que por simplicidade de linguagem é denominado de partículas.

Deixemos para outro livrinho O Século da Física a história e os números para começarmos pelo essencial, isto é, pelo que se sabe hoje, ou antes, julga-se saber, já que na fronteira do saber nada é certo e qualquer físico pode mesmo afirmar que desconhece em absoluto o que é verdadeiramente um átomo, um electrão, um núcleo, uma partícula, a energia, o vazio, a força e o próprio Universo.

Até porque lhe falta o essencial: saber o porquê das coisas. Desconhece, mas tem um modelo bem arranjado que explica muita coisa e espera vir a poder provar o pouco que ainda parece faltar provar. Além de que a imprecisão dos limites do conhecimento não prejudicaram em nada as múltiplas utilizações da física das partículas, a começar pelo electrão.

Podemos mesmo dizer que o Século XX foi o do electrão, da electricidade portanto e há quem afirme que mais de 30% do PIB das nações desenvolvidas é o resultado das aplicações práticas da física das partículas elementares. O chip Intel do portátil em que isto é escrito é uma das muitas aplicações práticas da física do electrão e do efeito semi-condutor de certos cristais. E o Século XXI será, sem dúvida, o da física das partículas do núcleo, começando com o computador quântico e com as muitas descobertas que estão para vir, mas que se adivinham já.

 

 

Escalas Dimensionais

 

 

No fundo, a mecânica quântica, a das dimensões ínfimas em que as partículas se apresentam com ou sem massa, mas sempre com um carácter simultaneamente ondulatório e aparentemente corpuscular e em possíveis estados de sobreposição, isto é, possuem a característica da ubiquidade, estando em vários pontos em simultâneo, é o resultado de uma teoria bem elaborado por alguns físicos de génio, a qual tem sido aparentemente comprovada em gigantescos aceleradores de partículas nos quais núcleos, protões, anti-protões, neutrões, electrões e positrões (anti-electrões ou electrões com carga positiva) são acelerados a velocidades próximas da luz e levados a chocarem entre si, registando-se em câmaras apropriadas o resultado desses choques tremendos. É como se estudássemos as características de objectos voadores pelo choque entre eles e pelas peças que saltam, cuja trajectória podemos medir, mas que, evidentemente, não nos permite desenhar os referidos objectos a partir de dados tão escassos.

Acontece o mesmo com a energia, sabemos que existe porque sofremos e tiramos o proveito dela, mas é como se algo nos dê um grande empurrão pelas costas e pela massa do nosso corpo e pela aceleração a que fomos sujeitos de acordo com a fórmula força F=m×a (massa grave ou inerte em repouso vezes a aceleração ou, dito e outra maneira, energia própria de conservação × energia de aceleração) conseguimos medir a força a que fomos sujeitos. Mas ao certo não sabemos o que nos aconteceu. Sobre o que é a massa ainda falaremos em termos de dúvidas. Bem, certezas não temos em absoluto, mas boas teorias não faltam.

Aqui pretendo entrar no limite do que se julga ser o conhecimento actual e que pode muito bem ser posto de lado com o aparecimento de novos dados que permitam elaborar uma teoria mais bela e aparentemente melhor.

Para já, o Modelo Padrão rejeita, como outras teorias anteriores, o átomo indivisível inventado pelo filósofo grego Demócrito, tal como recusa o modelo de átomo planetário, dito de Bohr, e elaborado em termos físicos por Niels Bohr em 1911. Também não aceita mais o protão e o neutrão como partículas indivisíveis constituintes do núcleo em torno do qual deveriam orbitar os electrões como num minúsculo sistema planetário. E o electrão como partícula e, menos ainda, indivisível.

 

 

 

Esse modelo começou a ser elaborado nos anos setenta e depois de muitas alterações semânticas acabou por reduzir a matéria no seu estado permanente a três únicas partículas estáveis, o Quark up, o Quark down que formam o Protão e o Neutrão e o Electrão, que até podem ser compostas por outras ainda mais pequenas e acrescentou-lhe uma outra, o Neutrino do electrão que é apenas emitido pela maior parte das estrelas e por material radioactivo e, como tal, não faz bem parte da matéria do nosso dia-a-dia.

Além disso, introduziu-se no referido modelo um conjunto de partículas ditas de mediação que fazem a união dos componentes constituintes do núcleo do átomo - protões e neutrões-  e destes entre si e são responsáveis pela interacção electromagnética. Estes agentes intermediários receberam o nome geral de Bosões e são:

Os Gluões, responsáveis pela chamada ligação ou força forte que prende os quarks nos protões e neutrões e ambas essas partículas entre si.

Os Fotões, os agentes da força electrofraca que liga os electrões aos núcleos dos átomos e estes nas moléculas.

Os Bosões W+, W‾ e Wº, autores da chamada força fraca que se manifesta na radioactividade.

O Gravitão, responsável pela força de gravidade.

O Bosão de Higgs, que formará o espaço escalar da massa e proporcionará a todas as partículas as suas respectivas massas.

Acrescente-se que os dois últimos são o resultado do edifício matemático para elaborar o Modelo Padrão, mas não foram ainda detectados na prática, se bem que o Bosão de Higgs terá sido descoberto mas falta ainda uma espécie de selo oficial para confirmar a sua existência.

Há ainda 8 partículas de matéria instável que fazem parte com as quatro da matéria estável a família dos chamados Fermiões. As partículas instáveis provêm umas das radiações cósmicas e outras foram obtidas laboratorialmente. Todas são altamente instáveis e, como tal, têm uma vida muito curta e massas superiores, à excepção do Neutrino do muon, são: O Quark charm, o Quark strange, o Muon, o Neutrino do muon, o Quark top, o Tau e o Neutrino do tau. Geralmente, os seus tempos de vida são ínfimos. Estas partículas foram descobertas em resultado de choques entre protões e anti-protões, decaindo rapidamente para originarem partículas mais estáveis e conhecidas. E há ainda um longo cortejo de partículas altamente instáveis detectadas nos aceleradores e em resultado do choque protões contra anti-protões e electrões contra positrões (ou anti-electrões) que a libertarem os quarks do seu confinamento nos protões e neutrões faz com que se agrupem novamente para formar novas partículas bariónicas que são os protões, neutrões e os artificiais Delta bariões, Lambda bariões, Sigma bariões, Xi bariões, entre outras.

Essencialmente podemos dividir toda a matéria entre Bariões com massa estáveis e instáveis e matéria não bariónica desprovida de massa.

As três verdadeiras partículas ou objectos quânticos que formam os núcleos dos átomos de toda a matéria estável dos nossos corpos e tudo o que nos rodeia são apenas o Quark up, o Quark down e o Electrão.

Cada protão e neutrão dos núcleos atómicos é sempre formado por apenas um grupo de três quarqs ligado ou intermediados por 8 gluões, tudo partículas determinadas por via indirecta e nunca isoladas.

A força que liga os quarks entre si e os protões aos neutrões é uma das quatro forças fundamentais da natureza quântica da matéria, hoje reduzida para três pela união de duas. Trata-se pois da chamada Interacção Forte descrita na teoria dita de Cromodinâmica Quântica, que permitiu aos físicos David Gross, David Politzer e Franck Wilczek a elaboração do Modelo Padrão (Standard), a partir dos anos setenta, e com isso serem galardoados com o prémio Nobel de 2004.

 

Interacção quer dizer aqui troca de energias conhecidas e de fenómenos desconhecidos feita por via de mediadores, neste caso os referidos 8 gluões que ligam em cada protão e em cada neutrão os respectivos três quarqs.

A meu ver, entre os quarks pode haver mesmo troca de energia e, portanto força, ou simples troca de informação? Os gluões podem ser o equivalente dos bits e a energia é original, nasceu com o Big Bang ou existia antes? Só a informação é que estrutura a matéria desde os ínfimos quarqs aos memes ou genes do pensamento humano, passando pelos genes da biologia.

A informação terá feito nascer o Tempo. Terá mesmo? Ou antes, energia é informação e vice-versa.

A realidade é que se desconhece ainda o verdadeiro sentido da energia trocada ou mediada pelos gluões entre os quarks, até porque a força de atracção entre os quarks ou de mediação dos gluões aumenta com a distância entre eles e os quarks não têm existência singular após os choques nos aceleradores; hadronisam-se imediatamente, isto é, formam novas partículas logo após serem obrigados a sair dos protões e neutrões. Ou antes, não saem, formam novas partículas como se os protões e neutrões fossem uma espécie de balões de pastilhas elásticas que ao romperem-se formam novas massas susceptíveis de formarem novos balões.

Podemos dizer que no seu todo, o Universo é um modelo de informação, já que os fotões que levaram milhões de anos a chegar até nós em todo o espectro electromagnético desde os Raios Gama aos Raio X, passando pelo luz visível, ondas de rádio, etc., mais não são que bits informativos de uma eventual parte da chamada matéria observável do Universo, pois em princípio não possuem outra influência sobre os nossos destinos nem sobre o nosso quase insignificante sistema planetário. Claro, o estudo dessa informação é formador da nossa capacidade intelectual e replica-se sob a forma de memes de mente em mente, sendo o meme um termo inventado pelo biólogo Richard Dawkins em analogia com o gene e descrito pela primeira vez no seu livro O Gene Egoísta.

Olhar as estrelas nunca deixou o homo sapiens indiferente e, menos ainda, saber de que matéria são feitas.

Note-se que a terminologia utilizada agora é bastante diferente da que se fazia valer há poucos anos. Caminhou-se no sentido de identificar a matéria universal como constituída por menos partículas e, provavelmente, muito iguais entre si, salvo alguns poucos parâmetros como a carga eléctrica, o spin, etc. Ainda há não muito tempo, os três quarks eram considerados diferentes entre si e denominados park, lark e nark quando hoje são apenas dois, sendo que um repetido em cada protão e neutrão no que respeita à carga eléctrica, mas não a um outro parâmetro que se designou de carga de cor.

Assim, temos o Quark up com uma massa-peso de 48×10‾28 g (0,0000000000000000000000000000048 gramas) e uma carga eléctrica positiva igual ao contrário de 2/3 da carga eléctrica negativa de um electrão) e o Quark down com uma massa de 107×10‾28 g com uma carga eléctrica negativa igual a 1/3 da carga do electrão.

Os quarks representam uma pequeníssima parte da massa das partículas que formam, denominadas também Hadrons ou confinantes. Assim, em termos energéticos, a massa de um protão é igual a 0,938 GeV/c2 (Giga electrões-volts a dividir pelo quadrado da velocidade da luz), enquanto que a soma da massa dos seus dois Quark up e do Quark down é apenas 0,02 GeV/c2. Será que a massa do protão e do neutrão é o resultado do bailado dos três quarks com troca de objectos quânticos de massa quase zero como são os 8 gluões? Ou simplesmente, a massa do protão resulta de uma força exterior do tipo Campo de Higgs e a energia provém do Campo Ponto Zero de que falaremos mais para diante. Ou muito provavelmente as contas são demasiado imprecisas e não há ainda um conhecimento aprofundado das massas dos quarks?

É evidente que com os quarks entrámos nos limites da matéria. Já a parametrização dos quarks é em grande parte abstracta. Corresponde às leis da lógica resultantes da realidade da física experimental observada nos detectores dos grandes aceleradores em fracções de segundo.

 

 

Detector de Quarks

Depois de uma colisão a alta energia de partículas que contenham quarks e gluões, estas duas subpartículas são expelidas do seu confinamento neutro ou branco e formam uma zona dita de campo de força de cor, o qual é suficientemente forte para produzir quarks e gluões adicionais que se reorganizam em ínfimas fracções de segundo para dar novas combinações neutras, portanto novas partículas de confinamento como os protões, neutrões, piões e outras e o resultado de uma colisão acaba por ser sempre um jacto neutro em termos de cargas de cor de novas partículas que confinam no seu interior quarks e gluões.

Acrescente-se, contudo, que os termos up e down provêm das características estudadas nos protões, neutrões e electrões quanto ao respectivos spins ou momentos angulares (ou axiais) das referidas partículas em campos magnéticos, isto é, só pode haver aí spins de h/2 nos up e h/2 nos down, sendo h a Constante de Planck = 6,626 x 10‾34 joules. Nota: Joule é a unidade de medida padrão da electrónica, sendo a quantidade de energia empenhada quando é aplicada a força 1 Newton na deslocação de 1 metro. O Newton é a força requerida para acelerar uma massa de 1 kg a um metro por segundo quadrado. Quer isto dizer que as forças em rotação ou momentos são quase nulas e as dimensões dos objectos quânticos em causa também estão próximos do zero. Os quarks não existem fora do seu confinamento, isto é, fora daquilo que os físicos denominam em geral Hadrons, que neste caso, são essencialmente os protões, neutrões e até há pouco tempo os piões que agora foram desclassificados para a categoria de objectos menos prováveis e com menor significado do que aparentavam há pouco tempo atrás e os, recentemente descobertos Hadrons Teta ou Pentaquarqs por terem cinco quarks formados artificialmente nos aceleradores. Daí que seja impossível determinar directamente tanto a sua massa como a sua própria existência. Até agora, os quarks não foram isolados enquanto partículas, apenas como plasma de curtíssimo tempo de vida em resultado do choque de átomos de ouro acelerados a velocidades próximas da luz pelo que adquirem assim uma temperatura plasmática relativista de mil milhares de milhões de graus C que corresponderá eventualmente ao estado em que estava a matéria há 13 ou 14 mil milhões de anos atrás, pouco tempo após o chamado Big Bang. O magma formado recebeu a denominação plasma de quarks e gluões PQG e terá pois existido alguns micro-segundos depois do Big Bang.

Nos aceleradores como no RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) de Brookhaven/Nova Iorque e no do LEP do CERN tem sido possível obter esse plasma, portanto matéria com núcleos e electrões livres, por fracções ínfimas do segundo, revelada pela emissão de Quarks pesados, ditos S ou estranhos, e fotões efémeros ou virtuais cuja existência só é possível devido à temperatura extremamente alta das poucas partículas atómicas de ouro que os produziram com ausência dos típicos jactos de matéria por causa da sua alta densidade e igualmente ausência de novas partículas formadas por quarqs, as J e Psi que se observam em frequentes choques de elementos acelerados mas que no interior do referido magma não podem fazer as necessárias ligações.

Há seis tipos de Quarks; os estáveis Up e Down e os instáveis Top, Bottom, Charm e Strange. Aparentemente funcionam em três pares Up/Down, Top/Bottom e Charm/Strange. Para cada um destes quarks há um anti-quark feito de anti-matéria. Quando um anti-quark encontra um quark correspondente aniquilam-se mutuamente e a sua massa é convertida em energia. Contudo, só os dois primeiros quarks é que são estáveis e formam matéria palpável, nomeadamente “baryons” constituídos por três quarks como são os protões e os neutrões. Os restantes são instáveis, formando os mesões, geralmente constituídos por um par de quarks extremamente instáveis. Mesões e bariões formam o grupo dos hadrões ou hadrons em inglês.

Isto leva-nos a perguntar que significado tem aqui a massa de um quark e como é que pode ser medida. A massa inerte é calculada pela força F=m×a (massa×aceleração, produzida pela força F). O parâmetro designado massa de um quarq controla a aceleração quando uma força é aplicada.

Tendo sido matematicamente previstos, os três quarks de cada protão, anti-protão ou neutrão estão tão fortemente ligados que para os tornar eventualmente admissíveis foi preciso fazer chocar núcleos de átomos ionizados (sem electrões) acelerados com energias altíssimas; da ordem dos vários GeV (Giga electrões-volts = mil milhões de eV). Os chamados “multi-jets” ou plasmas de quarks assim obtidos têm uma existência de não mais que 10‾24 segundos, ou 0,000000000000000000000001 segundo. A detecção tem sido feita em detectores de partículas muito complexos que serão descritos no capítulo dedicado aos aceleradores de partículas.

Quando fazemos saltar electrões dos protões e neutrões nos aceleradores, os ângulos de dispersão observados apresentam um padrão típico de spins de ½.

Também sabemos que o choque a alta energia entre o protão e o positrão (anti-electrão) com momentos iguais mas opostos produz  Hadrons e aí podem resultar:

- Quarks e anti-quarks visíveis em agrupamentos ou jactos de partículas.

- Cada quark e o seu anti-quarq irradiam um gluão de alta energia num ângulo significativo em relação à sua trajectória, o que é observável sob a forma de três jactos de partículas num só plano.

- Se cada quarq irradia um gluão ou um emite dois, obtemos quatro jactos de partículas e assim sucessivamente.

O número de jactos de partículas é uma função de energia da colisão.

A acumulação deste tipo de experiências nos aceleradores e a teoria antes desenvolvida permitem concluir que os quarqs têm uma existência real.

Assim, um determinado tipo de Neutrão de carga neutra é constituído por um determinado tipo de Quarq up e dois outros tipos de Quarq downs (+2/3 -1/3 -1/3=0) e um determinado Protão tem um certo Quarq down e dois outros Quarqs up (+2/3+2/3-1/3= +3/3 = +1.

O termo quark foi tirado do alemão que tanto quer dizer requeijão como disparate ou algo de absurdo, mas o físico Gell Mann do CERN foi buscar a palavra ao último romance de James Joyce Finnegan's Wake em que o autor coloca na fala das suas personagens numerosos termos estrangeiros e, assim, o termo acabou por ser introduzido sem alterações em todas as línguas do mundo.

As cargas eléctricas fraccionadas e a natureza dos quarks pareceram aos físicos do CERN um verdadeiro absurdo, mas só os estudantes alemães é que podem pensar que estas partículas são disparates.

Em termos de tamanho, passámos, a título de exemplificação, de um grão de sal (ClNa) com um milímetro de diâmetro para o seu cristal elementar constituído por átomos de sódio e cloro com 0,001 mm para um dos seus átomos com 0,0000001 mm (10‾7 mm). E daí para o núcleo atómico com 0,00000000001 mm (10‾11mm) e para os protões e neutrões com 10‾12 e para os quarks com 10‾15 mm.

Num espaço supostamente esférico de um milímetro de diâmetro poderíamos ter mil biliões (milhões de milhões) de quarks. Aparentemente é o que há nas estrelas de quarks, nas quais uma colher de chá de quarks pesa milhares de toneladas.

Considerando, por hipótese, um quark do tamanho de um homem, um protão ou um neutrão seriam espaços eventualmente esféricos e abertos com um diâmetro de uns 1,7 mil metros e os três homens seriam malabaristas trocando entre si oito fachos eléctricos de cor que transformariam a sua própria cor sempre que estivessem por instantes nas suas mãos. Os quarks malabaristas voariam por todo o espaço sem saírem dele apesar de não haver nenhuma membrana limitativa.

Cada neutrão e cada protão possui três quarks, os quais estarão como que ligados por 8 gluões, minúsculas partículas de mediação da família dos bosões. Estes gluões são os responsáveis pela chamada FORÇA NUCLEAR FORTE que cola os quarks entre si e é um dos três pilares da física moderna. Aparentemente, os gluões têm massa e carga eléctrica zero, diferenciando-se pelo seu Spin, ou seja, pelo momento cinético elementar produzido pela rotação da partícula sobre si mesmo e pela chamada cor ou carga de cor. Os gluões que transportam a Força Forte misturam as cores dos quarks. Enquanto os quarks e todas as partículas da família dos fermiões (matéria estável e instável sem considerar as partículas de mediação que são os bosões) têm um Spin de ½; as partículas de mediação apresentam Spins de 0, 1 ou 2.

A Teoria Cromodinâmica confere a cada quark uma cor, ou seja, uma outra carga para além da carga eléctrica e que, no fundo, é a força de interacção que une os quarks; um pouco análoga à força electromagnética produzida pelos electrões e que circunscreve o núcleo do átomo, mas com uma diferença essencial: enquanto a força provocada pelos quarks diminui com a distância e só existe como força a distâncias ínfimas, a provocada pelos electrões aumenta com a distância.

Porquê? Eis uma boa pergunta, mas como referi no preâmbulo, a ciência só explica o como e não o porquê.

Os físicos com um certo poder de imaginação chamaram a cada uma das três cargas-força adicionais dos quarks uma cor; vermelho, verde e azul; daí o termo Teoria Cromodinâmica Quântica. Isto porque de acordo com o Princípio da Exclusão de Pauli parecia que não podiam coexistir duas partículas verdadeiramente elementares de características iguais sem se excluírem uma à outra. Pauli enunciou em 1924 o seu Princípio da Exclusão para os electrões, mas hoje a experiência permite generalizá-lo a quase todas as subpartículas.

Dado que nos protões há dois quarks up e nos neutrões dois dawn foi inventado o atributo cor, o que leva-nos a dizer que o protão é constituído por um quark up vermelho e outro azul mais um quark down verde. O neutrão, por sua vez, terá um down verde e um azul e um up vermelho. São as chamadas forças de cor e cada objecto quântico terá de ser branco pela soma das suas cores. Por sua vez, o anti-protão será constituído por quarks anti-cor.

Eu diria, a soma da informação confinada num objecto quântico é branca no sentido de formar um conjunto matematicamente fechado apesar de quântico, isto é, em que a dimensão é quantitativamente limitada às constantes de Planck.

E o que são verdadeiramente as cores que os físicos não sabem ainda definir? Serão bits informativos destinados a definirem as eventuais trajectórias dos quarks num dado espaço apenas limitado pela informação ou a sobreposição dos mesmos no caso de a chamada ubiquidade quântica prevalecer no âmbito destas dimensões tão reduzidas. De resto, o termo cor surge na física quântica como sinónimo de algo que não pode ser visto. Os Gluões são os objectos que são trocados pelos quarks no interior dos protões e neutrões, alterando a cor conforme são recebidos ou emitidos. Por razões que se prendem com a Matemática Unitária (3) das três cores não há 9 gluões, mas apenas 8 porque cada gluão apresenta-se com o seu anti-gluão, ou cada cor com uma anti-cor diferente. No total, o sistema de três quarks e 8 gluões tem de ser tal que o resultado seja neutro ou branco, portanto, que haja apenas três cores e três anti-cores diferentes.

Os Gluões podem ser apenas os seguintes:

Verde e anti-azul.

Verde e anti-vermelho.

Azul e anti-vermelho.

Azul e anti-verde.

 

Vermelho e anti-azul

Vermelho e anti-verde.

Verde e anti-verde.

Azul e anti-azul.

Vermelho e anti vermelho.

Um dos três últimos nunca estará presente porque não pode haver uma probabilidade de haver o mesmo número de gluões com cor-anti-cor, quer dizer, se um quark é vermelho não pode haver um gluão vermelho e anti-vermelho, por exemplo.

Quando um quark emite um gluão muda de cor. Por exemplo, um quark vermelho muda para verde. Nesse caso, o gluão deve carriar a cor vermelha e a anti-verde e é absorvido por um quark verde que passa a vermelho e emite um gluão verde e anti-vermelho, o qual sendo absorvido por um quark azul muda para verde, emitindo um gluão verde e anti-azul.

O Modelo cromo-matemático é tal que não funciona com um nono gluão, por exemplo vermelho e anti-vermelho, mas troca todos os outros gluões.

As partículas elementares dividem-se assim em duas grandes famílias também; as que possuem cargas de cor, denominadas de Hadrons ou Hadrões e as que não possuem essas cargas, denominadas Leptons ou Leptões.

O choque de dois protões revela uma terceira partícula (Hadron) muito instável, o Pion constituída por um Quark up vermelho e um Quark down azul que decai em dois fotões gama no espaço 0,8×10‾16 segundos. Esta partícula faz parte do grupo dos mesões que são trocados entre protões e neutrões, assegurando a coesão dos núcleos dos átomos e que serão igualmente bits informativos que definem os lugares dos protões e neutrões nos núcleos dos átomos. Estes mesões são os responsáveis pelas explosões nucleares, sem que se saiba ao certo se é por virem com um neutrão emitido por um núcleo radioactivo, ou se é esse neutrão que destrói alguma das características do Pion, por exemplo, provocando a reacção em cadeia por libertação de mais neutrões. De qualquer maneira, há indícios que apontam para que a radioactividade de um elemento possa resultar da falta de Pions no núcleo dos átomos radioactivos. Mas há físicos que negam nos fóruns da Hiperfísica a importância dos pions ou piões na radioactividade.

Assim, cada objecto deverá ser branco para existir, isto é, conter a três referidas cores. Um protão estável deverá conter um quarq de cada uma das referidas cores. Mas, os quarks podem igualmente ser agrupados aos pares de quark-antiquark. Por exemplo, a junção de um Quark vermelho e um Quark anti-vermelho dá um Quark branco. Apesar desta complexidade e aparência de absurdo, o Modelo Padrão acabou por se tornar num conjunto coerente teórico e prático que descreve de uma maneira satisfatória a estrutura da matéria como se fosse um puzzle.

O verdadeiro significado da cor dos quarks ainda não foi devidamente explicado pelos físicos, nomeadamente pelos seus inventores, os sino-americanos Moo-Young Han e Yoichiro Nambu da Duke University dos EUA. De resto, também o chamado sabor dos Quarks instáveis em strange, top e bottom não é bem conhecida.

Enfim, é tudo muito chinês, mas nos seus limites é assim que funciona a ciência.

Por mim entendo que o espaço e o tempo requerem uma matéria que troque quantos de informação (bits) porque nenhum evento é aleatório e, a um certo nível, a informação é como que um vector a apontar um dado caminho. A este nível dimensional, a física é cega ou está numa caverna de Platão e vê umas sombras, tentando adivinhar o que significam. Precisamente porque não nos chegam todos os quantos de informação das partículas mais elementares como os quarks que não têm existência independente.

Em resumo, pode dizer-se que a matéria do Universo é um imenso computador quântico. Cada quark e gluão é um sistema processador de dados, sendo os bits as referidas cores, cuja natureza não foi ainda devidamente explicada. Por isso, os quarks são igualmente as peças fundamentais do electrão e muito provavelmente do fotão que será apenas um emissor de informação que mais abaixo descrevemos.

Claro, não quero ter uma visão egocêntrica e acabar por concluir que a matéria tinha como único objectivo criar o planeta Terra com a sua vida e o seu homo sapiens com o seu computador portátil. Estaria quase ver o Universo como Santo Agostinho mais os computadores.

 

Quarks detctados no CERN - Detector Delphi

 

Mas é perfeitamente possível inventar uma outra matemática cromática e classificar as cores em graus, como foi feito nos posts hyperphysics da Cornell University, sendo:

Vermelho: 0 graus.

Verde: 120 graus.

Azul: 240 graus

Magenta (anti-verde): 300 graus.

Ciano (anti-vermelho): 180 graus.

Âmbar (anti-azul): 60 graus.

A substituição das cores por graus resultou da ideia de que as cargas de cores correspondem a T (ângulos cromáticos) relacionados com coordenadas cromáticas L3, L8 para se chegar à fórmula da carga q, sendo: q = │q │(cos (T) L3 + sen (T) L8).

Quer isto dizer que quando não se conhece verdadeiramente a natureza de um objecto dá-se-lhe um nome e inventa-se uma matemática. A partir daí procuram-se evidências da realidade e os graus referidos correspondem aos ângulos que terão sido formados pelos quarqs ao saírem dos despedaçados protões e anti-protões para formarem novas partículas. E verificou-se que a força de interacção forte aumenta com a separação dos quarqs pelo que no interior dos jactos de quarks formam-se toda uma série de novas partículas para habitarem o imenso jardim zoológico das partículas ou objectos hiperfísicos instáveis, já que o processo de decaimento continua para produzir de novo objectos conhecidos e estáveis.

Será?

Os quarks com cor ou sem cor são, sem dúvida, a chave para abrir o cofre que deverá encerrar os últimos mistérios da matéria. O problema parece residir agora em encontrar a fechadura para as chaves que sabemos existirem. Não são obra do acaso a partir da sopa original formada no Big Bang, como há quem o afirme.

Pessoalmente, não acredito que na Natureza exista indeterminismo absoluto, ou a chamada lei do acaso. Quase tudo é uma resultante de eventos anteriores, por ventura de grande multiplicidade e complexidade e pouco ou nada entendemos do evento inicial, antes do qual não existiria nenhum evento, nem sequer o tempo, ou o tempo não existe a nível quântico num campo comum. Mas, matematicamente podemos dizer que a matéria e, portanto o Universo, nasceu do vazio, ou seja, de uma flutuação quântica do vazio, isto porque a energia positiva contida na matéria é igual à energia negativa da gravidade, logo não há energia excedentária na matéria, a equação é: E+ + E- = 0.

A não ser que consideremos a energia positiva como um efeito da gravidade. Assim, as moléculas de vapor de água não sobem para cima por efeito de qualquer força ou energia positiva, mas apenas porque a força da gravidade obriga a que o campo molecular se organize de tal modo que as moléculas mais pesadas fiquem mais próximas do centro de gravidade do planeta que as mais leves. O mesmo acontece com os produtos da fusão dos núcleos de Hidrogénio pesado nas estrelas que obrigam à fuga de electrões e fotões.

A física tem chegado a conclusões cada vez mais interessantes e mais capazes de incitarem à reflexão especulativa, basta entrar nos posts dos génios loucos como Gell Mann que foi por isto galardoado com o Prémio Nobel da Física.

Partindo de alguns indícios meio especulativos e meio práticos sobre um elemento em falta procura-se descobri-lo e, geralmente, essa descoberta fornece informações sobre elementos ainda inacessíveis. Foi assim que o físico teórico e experimental Leon Ledermann também ganhou o prémio Nobel por ter descoberto o Neutrino do muon e o Quark bottom no acelerador de partículas Tevatron, situado nos arredores de Chicago. Para libertar os quarks do seu confinamento protónico foi necessário acelerar a grandes velocidades e em sentidos contrários protões e anti-protões; estes bem difíceis de obter. Efectivamente, um anti-protão com três anti-quarks é obtido por um processo denominado de arrefecimento, que diminui a dispersão energética das partículas resultantes da ionização (extracção do electrão) com raios Laser em torno de um determinado valor, neste caso a carga negativa do anti-protão. Aí há sempre uma quantidade ínfima de anti-matéria que pode ser confinada num campo electromagnético para ser introduzida no acelerador de partículas.

Nos anos 70, o físico italiano Carlo Rubia (igualmente Nobel da Física) teve a excelente ideia de transformar o acelerador de um sentido do CERN num acelerador de colisão, isto é, as partículas em vez de serem aceleradas num único sentido ao longo dos 7 km do circuito da máquina passaram a circular em sentido contrário para provocar choques frontais com o dobro da energia cinética. Claro, o choque é muito mais raro entre partículas que entre estas e uma placa situada num determinado local, mas o resultado científico foi notável, pois antes a aceleração a uma energia de 450 GeV produzia um choque eficaz numa placa fixa de apenas 30 GeV, já que o grosso da energia era perdido no recuo dos átomos da placa. No caso de um choque frontal em que cada feixe de partículas é acelerado a 450 GeV, o resultado é uma colisão brutal de 900 GeV (Giga electrões-volts).

O acelerador Tevatron do Fermilab de Chicago conseguiu em 1995 produzir uma partícula de grande massa mas extremamente instável. Numa fracção de dez biliões de biliões de um segundo, a referida partícula desintegrou-se nos mais diversos quarks, entre eles o Quark top, previsto teoricamente, que, por sua vez, se desintegrou para dar electrões, neutrinos, mesões e muons.

A utilização dos anti-protões teve em vista evitar transformar o acelerador do CERN, pois o mesmo campo eléctrico e magnético acelera os protões positivos num sentido e os negativos ou anti-protões em sentido contrário, ou antes, o campo eléctrico acelera e o magnético guia as partículas na circular.

No CERN foi possível introduzir no acelerador pacotes de 600 mil milhões de anti-protões e outros tantos protões em feixes. Do choque entre três quarks e três anti-quarks de cada protão e do seu anti resultou um grande número de partículas e descobriram-se os três bosões de mediação, o W+, o W- e o Zº, responsáveis pela chamada Força Fraca ou Electrofraca que intervém na radioactividade, ou seja, na instabilidade de certos núcleos atómicos com emissão contínua de Neutrões para fora dos mesmos. Eles mesmo são extremamente instáveis e têm um tempo de vida muito curto de 10‾25 segundos ou 1/1025.

Um dos instrumentos matemáticos utilizados na descoberta e explicação dos Quarks foi, sem dúvida, o conjunto dos diagramas de Richard Freynman utilizado a partir de 1948 por aquele físico norte-americano e outros colegas na explicação e cálculo da electrodinâmica quântica, isto é, nas relações entre electrões e entre estes e o núcleo para resolver o problema da dispersão dos electrões nos sólidos. Mais adiante trataremos deste tema.

Os quarqs caracterizam-se também pela chamada hadronisação. Quer dizer, a energia utilizada em desconstruir protões, como diria o filósofo Jacques Derrida, liberta os quarks, mas é utilizada por estes para formarem novos hadrões ou memórias dos bits de informação.

 

 

A cronologia dos quarks é a seguinte:

1964 - Os físicos Murray Gell-Mann e George Zweig sugeriram que os Protões, Neutrões e outras partículas, ditas Hadrons, seriam constituídos por partículas denominadas quarks.

1965 - Os cientistas sino-americanos Moo-Young Han e Yoichiro Nambu sugeriram que os quarks possuem cores.

1969 - Uma primeira experiência do tipo colisão no acelerador linear de Stanford demonstrou a existência dos primeiros quarks.

1974 - David Gross, David Politzer e Franck Wilczek iniciaram os estudos que completaram com a Teoria Cromodinâmica Quântica da qual surgiu o chamado Modelo Padrão (Standard) definitivo, bem, até ver?

1995 - No acelerador de Stanford verificou-se a existência do último quark, ficando assim completa a família com 6 quarks, sendo três ups vermelho, verde e azul e três down nas referidas cores.

2000 - No acelerador europeu do CERN foi criado o primeiro plasma de quarqs e gluões, portanto não confinados, que sobreviveram apenas no espaço de tempo de 10‾24 segundos.

2002  A revista francesa Science et Vie dá conta da descoberta de duas estrelas de quarks a partir dos dados proporcionados pelo telescópio do satélite norte-americano Chandras que desde 1999 escrutina os céus à procura de raios X de alta energia. Tratam-se de estrelas super-massivas e pequenas com uma temperatura extremamente baixa, da ordem do milhão de graus C apenas. Ambos os objectos celestes foram estrelas de neutrões, cuja densidade aumentou tanto por via do colapso gravitacional que os neutrões se decompuseram nos seus quarks originais u e d, mas uma parte dos mesmos terá dado origem a quarks s (strange). As estrelas seriam assim constituídas por um plasma de quarqs que interagem entre si pela já referida troca de Gluões. Uma das estrelas tem apenas uns 4 a 8 quilómetros de diâmetro, estando em vias de se tornar num buraco negro, portanto a meio caminho entre uma supernova ou explosiva que consumiu toda a sua energia de expansão e projectou para fora a sua matéria envolvente. A força gravitacional restante foi tal que os protões se fundiram com os electrões para darem neutrões e estes acabaram por entrar em colapso para originar o plasma quântico de quarks e gluões.

2004 - O físico chinês Shi-lin-zhu relata na revista International Journal of Modern Physics a descoberta da partícula Teta ou Pentaquarq formada por cinco quarks. Antes de fechar, em 2003, no acelerador do LEPS (CERN) onze grupos de físicos experimentadores confirmaram a existência de tão exótica criatura, enquanto que outros afirmam não terem descortinado qualquer sinal da mesma.

2004 - Os físicos norte-americanos David Gross, Franck Wilczek e David Politzer foram galardoados com o Prémio Nobel da Física pelos seus trabalhos na finalização do Modelo Padrão, tido hoje como uma importante conquista da ciência. Apesar do seu carácter ainda aparentemente absurdo, a realidade é que os quarks surgiram mentalmente em 1965 e ainda não estão integralmente explicados, mas fizeram carreira e participaram em dezenas para não dizer centenas de teses de doutoramento. Apesar de se juntarem muitas cabeças com 100 milhões de neurónios cada continua a ser extremamente difícil chegar mesmo ao limite final da matéria, à sua origem física, portanto.

 

 Text by Dieter Dellinger


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publicado por DD às 23:14
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3 comentários:
De Paulo Henriques a 7 de Novembro de 2010 às 03:54
Muito interessante, não sou nenhum físico, mas passo o tempo devorando livros (ex: mundos paralelos de mishio kaku) ou apenas espreitando a net, procurando saber mais sobre física das partículas, os diversos modelos, o tempo, o espaço, a massa, enfim o porquê das coisas e a origem do universo. Ultimamente tenho-me interessado por quebras de simetria! :)

Depois de tudo o que leio por aqui, por ali, verifico que nem tudo é baseado na experimentação, normalmente cria-se um modelo matemático e depois constrói-se uma máquina para testar a teoria. Mas creio que ainda falta provar muita coisa! Digo isto porque acabei de ler sobre um artigo que basicamente pretende transmitir que a natureza é bem mais simples que o modelo padrão, no artigo é sugerido que apenas existem electroes, positroes, neutrinos, anti-neutrinos e fotoes! De acordo com este artigo, torna possível haver 50% de matéria e outro tanto de anti-matéria que não se aniquilam em determinadas condições e que ambas partículas positrao e electrao fazem parte daquilo a que chamamos matéria: neutrao = x(positroes +electroes); protao = y(positroes+electroes) + 1 positrao!

Deixo aqui o link para o artigo de luís carlos almeida:

http://caddourados.blog.terra.com.br/2008/10/07/quebra-de-simetria-nobel-de-fisica-2008/

O que acham da sua argumentação? Afirma que não existem quarks e que o diagrama de feynman está errado. Uma coisa é certa, seria uma teoria bem mais simples.. Mas eu de física sou apenas curioso, com conhecimentos básicos! :)


De DD a 9 de Novembro de 2010 às 19:35
Obrigado pelo comentário.
Na verdade, todos estes escritos estão em revisão fora do blog e muitas teorias associadas ao modelo padrão são contraditórias ou completam-se.
Na teoria das cordas simples, os quarks seriam como que pequenas cordas vibratórias e essas vibração seria o agente da massa da matéria e das mediações. Coloco sempre tudo em dúvida e toda a gente espera para ver os pacotes de protões e anti-protões LHC de Genebra atingirem cada um a energia de 7 TeV e chocarem a 14 Tev, o que deverá acontecer em 2013 ou 2014. A celeração aumenta ligeiramente para evitar surpresas desagradáveis, pois qualquer desvio da rota traçada pode levar os protões a chocarem contra as paredes dos tubos e furarem-nas.
. Os físicos esperam poder identificar então o bosão de Higgs e, eventualmente, ver muito mais, sendo admissível a elaboração de uma nova teoria da matéria que complete ou substitua o modelo padrão.

Enfim, espero colocar em breve algumas coisas mais para melhor o texto..


De feromoni a 13 de Dezembro de 2010 às 15:52
Parabéns pelo seu blog, muito interessante. Estou estudando Português, eu não consigo entender tudo, mas quase! ;)


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