Física sem complicação: Física de partículas

A Física de partículas é um ramo da Física que estuda os constituintes elementares da matéria e da radiação, e a interação entre eles e suas aplicações. É também chamada de Física de altas energias, porque muitas partículas elementares só podem ser detectadas a energias elevadas. O elétron e o próton foram as únicas partículas aceleradas até os dias de hoje, outras nunca foram detectadas (como o gráviton) e as restantes foram detectadas através da radiação cósmica (como o méson pi e o méson mu).

A Física de partículas, estudada pela Mecânica Quântica (parte da Física Moderna), busca o fundamental, o nível mais básico da matéria e da Natureza. Todo o nosso mundo visível se fundamenta nesse nível invisível das partículas elementares. Podemos chamar de partículas elementares toda a porção indivisível da matéria, como os elétrons, os prótons, os nêutrons e outras.

Breve história

Os gregos antigos formularam dois conceitos sobre Física de Partículas. O primeiro foi formulado por Tales de Mileto e diz respeito à eletricidade. O segundo foi formulado por Demócrito e diz que toda matéria pode ser dividida até chegar em um ponto que se encontraria a parte mais fundamental e indivisível da matéria a que Demócrito deu o nome de átomo. Ele dizia que o átomo não poderia ser criado ou destruído e que toda a matéria conhecida seria formada por diversas combinações de diferentes átomos. Suas ideias se aproximavam muito dos atuais conceitos de física atômica.

As ideias de Demócrito só voltaram a ser revistas no século XIX, por Dalton. As de Tales de Mileto foram revistas a partir do século XV.

Principais partículas e antipartículas conhecidas: Elétron, pósitron, próton, antipróton, nêutron, antinêutron, neutrino, antineutrino, Mésons (pi+, pi0, pi-, mu+, mu-, k+, k-, k0), hiperons (lambda 0, sigma +, sigma 0, sigma -) e fótons.

Partículas subatômicas

A pesquisa moderna da física da partícula é focalizada nas partículas subatômicas, que têm dimensões menores que as dos átomos. Incluem constituintes atômicos tais como elétrons, prótons, e nêutrons (os prótons e os nêutrons são partículas compostas, feita de quarks), partículas produzidas por processos radiativos e de espalhamento tais como fótons, neutrinos, e múons, bem como uma larga escala de partículas exóticas.

Elétron: Partícula mais conhecida e mais estudada. Massa de repouso: 9,1083 x 10⁻³¹ kg, carga elétrica: − 1,602 x 10⁻¹⁹ C, Spin: 1/2 ħ
Pósitron: Já era previsto por Paul Dirac e sua existência foi confirmada em 1930-1940 pelo físico americano Anderson. Possui massa de repouso e spin iguais aos do elétron. Carga elétrica de mesmo módulo e sinal contrário.
Próton: É um núcleon. Possui massa 1836,12 vezes a massa do elétron. Mesmo spin e carga de sinal contrário.
Antipróton: Descoberto em 1955. Já se suspeitava que existissem outras antipartículas desde a descoberta do pósitron. Possui mesma massa e spin que o próton, mas carga de sinal oposto (sinal negativo).
Nêutron: Possui carga nula, massa 1836,65 vezes a massa do elétron e spin 1/2 ħ. Pode se desintegrar dando origem a um próton, um elétron e um neutrino apenas quando está livre (fora do núcleo).
Antinêutron: Possui exatamente as mesmas características do nêutron, mas organização interna diferente. Um nêutron é composto de um quark up e dois quarks down. Logo, imagina-se que o antinêutron seja formado por um antiquark up e dois antiquarks down.
Fótons: São chamados de quantum do campo eletromagnético. Possui massa e carga elétrica zero e spin 1 ħ.
Grávitons: Analogamente ao fóton, o gráviton é o quantum do campo gravitacional. Não se tem muita informação experimental sobre ele. Só existe com velocidades próximas ou iguais a c (velocidade da luz no vácuo).
Mésons: quer dizer, massa média. São partículas que possuem massa entre a do elétron e a do próton. Existem oito tipos de mésons:

Mésons pi +, - e 0, méson mu +, - , méson k+, - e 0.

Hiperons: Partículas de massa maior que a do próton. Pode ser dividido em seis tipos:

Hiperons lambda 0, hiperon sigma +, -, 0 , hiperon csi+, 0

Neutrinos: O neutrino surge da desintegração de um nêutron em próton e elétron. Possui massa menor que 0,000005 vezes a massa do elétron e até agora foram descobertos quatro tipos de neutrinos diferentes.
Interações fundamentais

São quatro as interações fundamentais:

Interação gravitacional
Interação eletromagnética
Interações nucleares fortes: possuem natureza atrativa e repulsiva, dependendo da distância. Se estiver a uma distância d maior que 0,4 férmions, torna-se repulsiva. Possui intensidade maior que a força gravitacional e, até a uma determinada distância (raio do núcleo), maior que a eletromagnética. É responsável pela união de prótons e nêutrons no núcleo, visto que é independente da carga elétrica.
Interação nuclear fraca: É mais forte que a interação gravitacional. Há uma teoria que une a interação fraca com a eletromagnética, afirmando que trata-se da mesma interação sob duas formas chamada interação eletrofraca. Foi formulada e está sendo desenvolvida uma teoria de unificação das 4 interações fundamentais conhecida como Teoria da Supergravidade.