O Modelo Padrão foi apresentado em 1970. É o resultado de várias pesquisas e descobertas na área da física de partículas desde 1930.
A divisão das partículas fundamentais
O Modelo Padrão contém 17 partículas elementares, ou seja, não podem ser divididas em partículas menores.
Férmions no Modelo Padrão
Estas partículas elementares formam a matéria, seguem o princípio da exclusão de Pauli e o valor do spin é um múltiplo fracionado (1/2, 3/2, etc.) de ℏ. O que é o spin? É o momento angular intrínseco da partícula e não depende do movimento desta, o spin possui um valor quantizado, ou seja, só pode assumir valores discretos, que são um múltiplo positivo ou negativo de ℏ. Onde ℏ é a constante reduzida de Planck, cujos valor e equação estão a seguir. Todos os férmions observados até o momento possuem spin de 1/2ℏ ou -1/2ℏ.
Já o princípio da exclusão de Pauli, afirma que duas ou mais partículas não podem ter o mesmo estado quântico, ou seja, não podem ter todos os números quânticos iguais quando estiverem em uma mesma região de confinamento.
O princípio da exclusão de Pauli faz com que os átomos sejam estáveis.
Quarks
Os quarks sempre ficam em grupos de três (bárion) ou dois (méson), pois a força nuclear forte os atrai.
Além dos quarks se dividirem em seis “sabores” (up, down, top, bottom, charm e strange), também possuem uma propriedade chamada “cor”, que pode ser vermelho, verde ou azul. Não são realmente cores, são apenas nomes arbitrários para explicar o porquê de dois ou três quarks idênticos poderem ocupar o mesmo estado quântico dentro de um hádron, que é uma aparente violação do princípio da exclusão de Pauli. Este conceito deu origem ao campo da cromodinâmica quântica (QCD).
Léptons
Os léptons não são afetados pela força nuclear forte. Mas interagem com as forças eletromagnética e nuclear fraca. O múon é 207 vezes mais pesado que o elétron (e^{-}) e foi descoberto durante uma observação de raios cósmicos, em 1936. É uma partícula instável, dura apenas 2,2 microsegundos antes de decair para partículas mais leves. Abaixo são as reações de decaimento do múon (\mu^{-}) e do antimúon (\mu^{+}) respectivamente.
\mu^{-}\rightarrow e^{-}+\nu _{\mu}+\bar{\nu}_{e}
\mu^{+}\rightarrow e^{+}+\bar{\nu _{\mu}}+\nu_{e}
Onde,
- O e^{+} é o pósitron, a antipartícula do elétron.
- \nu_{e} e \bar{\nu}_{e} são o neutrino e o antineutrino do elétron, respectivamente.
- \nu _{\mu} e \bar{\nu _{\mu}} são o neutrino e o antineutrino do múon, respectivamente.
O tau é mais pesado que o múon, também é encontrado em raios cósmicos e dura 2,9\cdot 10^{-13} segundos.
Quando as partículas viajam com uma velocidade próxima a da luz, podem durar por mais tempo.
Todo férmion tem sua contraparte de antimatéria ou antipartícula e os antiquarks possuem anticores. No entanto, a antimatéria interage com a gravidade da mesma forma que a matéria comum. Os neutrinos serão assunto para outro post.
Bósons no Modelo Padrão
Estas partículas transportam energia e exercem as forças fundamentais do universo. Possuem um valor inteiro de spin e várias destas partículas podem ocupar o mesmo estado quântico.
Gluons e fótons
Os gluons transmitem a força nuclear forte, que mantém os quarks unidos para formar prótons, nêutrons e outros hádrons. Graças à força nuclear forte, os prótons com cargas positiva podem ficar unidos para formar o núcleo atômico com os nêutrons. Os fótons são as partículas de luz, que exercem a força eletromagnética, transmitindo energia para as partículas eletricamente carregadas como os elétrons.
Bósons Z e W
Estas partículas mediam a força nuclear fraca e são muito pesadas, limitando a influência da força nuclear fraca, por isso tem este nome. Esta força é responsável pelo decaimento beta, quando um nêutron se transforma em próton e quando um isótopo de um elemento instável decai para um mais estável.
Também é responsável por mudar a identidade das partículas quando estas emitem ou absorvem um destes bósons. Abaixo são diagramas que mostram alguns exemplos de interação dos bosons com os férmions.
O Modelo Padrão está incompleto, pois prevê a existência do graviton, a partícula ainda não observada que exerce a gravidade, que é outra força fundamental da natureza. O CERN descobriu o boson de Higgs em 2012, esta partícula será assunto para um futuro post.
