Scientific American 2012 12 a Vida Interior Dos Quarks

7/30/2019 Scientific American 2012 12 a Vida Interior Dos Quarks

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Dezembro 2012 www.sclam.com.br

BR\SIL

ANO 11 In ' 127 I R$11,90 I Po.wg&l e 4.90

Tabela de Mendeleievinspira físicos a procurar

por componentes de

partículas fonnadoras de, ....

protons e neutrons

EMAIS: ISON, O COMETAQUE PODE

CLIMAComo a retroalimentaçlo

pode elevar o aquecimento

BIOLOGIACultivando os próprios

olhos em laboratório

NEUROCIÊNCIAComo se espalham os

genes do autismo?



FfS IC A DE PART fCUlAS

E se os menores bits da mat6ria

abrigam, na verdade, um mundo

ainda não descoberto d<' partícu las?

Por Don Lincoln



I

Oon Uncoln.que,. ""'""'pelosubelwwodos <!U"ksellp-

""""'década!. é frsbH<rior l o - ~ Ele drôdoseu tm1p>

de pesquisaertre o ferm&b e ~ e.no ocasiooal tempo Me.&arrtémestre.'l:&.'fQ5eartigos$IJbfe ffsira de a n i c ~ . l l a $ patit oplbr.:o.Ele""" no S<Jbtlrlio de (l;c,gooom '" ' omlloe""

9)1.0 e r t i ~ l a f ' t i " ' C t l hi'5ul4

OUNIVERSO EUM LUGAR

COMPLEXO ENTRINCADO.Podemos nos mover facilmente através do ar, mas não através de uma parede. O Sol transmuta

um elemento em outro, banhando a Terra com calor e luz. Ondas de rádio trouxeram a voz de

um homem da Lua para a Terra, enquanto raios gama podem causar danos fatais em nosso

DNA. Aparentemente, esses fenômenos díspares não têm relação um com o outro, mas os físi cosdescobriram um conjunto de princípios que se fundem em uma teoria de sublime simplicidade

que explica tudo isso e muito mais. Essa teoria é chamada de o Modelo Padrão da física de partícu las, c incorpora as forças eletromagnéticas que fazem uma parede ser só lida, as fo rças

nucleares governarem a usina de energia do Sol, e as diversas famílias ele ondas luminosas que

tanto tornam as comunicações modernas possíveis como ameaçam nosso bem-estar.OModelo Rtdr.loé u !llá das teorias ll)('l.íS hcm -surcdklas .1 de-

senvolvida. f::m essência. postula que existem duas d::tSSCs de parti

o.•lnsde 11\tll.C:ria 1n dMsí\'Cis: Qllllrksc t<:,>tons.Quarks de : ~ r t o s tJ-

pui: t'Ompôcm prótons e nêutrons. e o &êptotl mais oonhecido ê o

eK1n)ft A o m 1 ) Í t à ( ~ correto\ de q u ~ t r k s c lép4:ons pcx.le fonn.ar

qualquer átomoe, por e.-..:tens.'io, qualquer um dos dif'erentes tiposele matC:fi.atlOUniverso. Esses OOtlStiLuintes dama.LCI'iaestilo uni·dos por cWiltro fon;as- dunsbem filn lmarcs.. ogrd\!)(fndeco c.lct.rO·

magncti.1ll0, c duas ainda pouco conhecidas do público em gemi,

nS nuck'W'CS rorte e rrttCiL A tro('adt!Ullm OU 1'11.\is ]Xtrtfculu.s

Em 1869,Omiri MendeleeY criou a e x ~ m Q.'lCTlO <X>OSeqtJência d;) es·

bela periódica OOs elementoS qui'l'licos trutura at&lic&.lknahistéria semelhan·

" ' perceber que os p«>P'- dos " pode ""'..,..,....,00 " ' ffsi<a declementos se ~ m an um p.1<ho partiáJia5."""amcfllehc;c.de nopctiçào. que os fisicos mak t.nle As 12 ~ r t i a A n ~ conlled:lm

30 &':icntific Amel'iC'm I J r M ~ i l t DC'mnbru 2012

cotlhccidfl$ OOttlO bósons medeia ao:; t ~ @i m.M IOtws., tnasas tcntalivl.Sdc tratar agravdade nodomíniodomiem falhar.ml.

O Modelo Pnddio tmnl)(!.n d®tPCfl;:Uilt<l'3 sem I"CSJ(X5tn, oomo:por que existem quatro rorças. c não algum outro número? Eporque h IdoiS iPOS de parlfculas r u n d a m c n ~ " l i S CUVC/'.dC Ci)Ctla$ U ll

únicotipo que tratari<t de tudo?E.. s s ~ o p r o b l c m intrigantes. Nocntani.O,já ht\ um lonn>pc.

ríodo de tempo um enigma dífc:..-rente Cltpturou minhn atc•çfw:>e 3de muitosou trostlsicos,OModelo vê <tuarksc léj>tons <.'0010

indi visfveis. SurprccndenlctnCJJlé. 110 entrultO. V"..i.ria• plstns irnpli·

l b n - p < ó p i o s p o c l - ó e s d e ~ . , .' l " n ioque< la sMos lo-

1nl;nt'(fltais. mas,N ~ ~bobs- ponbJb<"""""'q"'"f&icosdw.. ,-de[rions.

Outra evidência arJ}l11nema (XIf(fil e!6ll

posol>ldode. oGrande (d;,o, de

(llf0 do CERN, ju"""""le """vá.U opciYncnlOs mooos conluidos.

podef•-""*"" queslllo.



() M (U>t:H.O f 'AOUÀ()cam eles sejamconstituídos pOrCOmJ»

n<mtcs ainda meJlOICS. Se quaJts e léptons

ll:'IO solO rulldomcntois rliinrll, e o l ~ ' l S ll'IC.I'IC)

resdc ratoe:\istcm,sua presença.forçará revi·

$ÕeS C I ' I S ( l S d C IOOSA.S teorias. A.ss:im OO IUO

a energia nuc le-.tr era inconcebiveJ ;_mtes de

Emesl RuLherford dcsoobrir a ~ · t r l U r a do

átomo em t9ll desvendar outrn camada da*'reiXIIa" suh.-.tõmica ce11amente re\'Clará fe

nômenoo que aindn néJll im:lginõlmoo.

As partículas

Re.'iOivcresse problema exih'equecicntis

UtS oolidam ptut ículas a energias extrema·mente e1evada.<t Desde a obsen'ação dosquw·ks na década de 70 não disporuos das

feJT'.mlent.'lS necessárias para observar dco·trodclcs. Mos n!l(lrn o CrnndcCo&ordc Há·drons (UIC, na sif,rla em inglês), no CERN,

J)Cl'LO de Gcncbm - a me-;m:t má<1uina que

recentemente etlOOnlloo evidências do bóson de lliggs.. a llltima J}c1rtk:ula •tâo <klcu

mcntadado Modelo l-adrão - est.·\ganhandovcloc:idade c I)O()elia estarà altura d.1 tai'CÍ< t

Todosas panlcufasda isiea """""'"se<m uma "-'0113 oonh<ddaamoo l o Padrão,que estabeleceas panSaJias funcl:5mentais

que.,. . . , , . Naw,_ben, como as b"çasqueas regemOM>

deloPacrãonüduas a m m a s ~ d e p a r t k u t a s : iérmions,

que nduem todosos<Xlr'IStitUfr"(esdamatéria,eb6sons,duem todasaspartkUascarrogadorasde fc<Qis""' seCDnheoem

~ l o n s v&n em trêsgeroç(lesdem""" prog"""lvomentemolor.

CCI:-II' U TO HE W A ( ' Õ m ;(); p1mclrossinais deestruturo ll06<.Jll3f'ks e

léptons surgiram de pesquisas em outJ'o -

aiJ){l.'\ sem ~ - problema, n::laci<Mlado

oom o númerode diferentes tipos de quarks

e MptOJ') <1ue fOn\m descobertos. l ~ t o n s enêutrons consistem em dois tiposde ~(:h.'uurtdos de <Jmrks UI) c <.JuLrks tltr.on.

Quarks up êm 2/3 da caro"' elêtrit-n do ,,ro-to 11. equru·ks down têm ·1/3 da cat'gado pl'ó·

ton. Apesar de apenas esses dois tipas dequa.l'ks, mais os elêtJ'OnS, sctem suficientes

JlíUõLoompor toda a matéria do Un iverso, ouu-m qu;u·ks foram observados. OCJUarkcstnz,.n/10 tem a mesnlll <IOO o quw·k down,ma.,.; é 1"-""lSado. O quark (Jott()m é umaversão ainda.mais pesada. Da mesma fonua.o quark chann é um primo mais P?sado do

quark up,<:om o qu.a.rkU>t> snpcrpcsado T()fl·dando u fhmilia do quark up. Os fisioos de

r t í C l . o h : ~ r v n m m rodos c:iSC'S ( l l l ~mas os quatromais pesadosdccaem

1em rrn.

c,ílc$ de segu,ldo. nostk,is •na.is lcv($.

O elétron também tem p1mos ma.i.s pesados e instáveis.como o mútme o ainda mais pesado léptOr'll()tJ, Lndo ambos amesma <..'árgn do elétron. o oonjunto conhecido de partículasinclui ainda três có pias de neutrinos. todos supcrleves c elcu;.

crunén le llêutros.

F ~ conjunLO de . r l f ~ n:atUI'almente. lt>vOU oo l l : ~ i ( . ' ( l < i a

questiomu'l!m: le\r..tndo em oon la. <IUC os u ~ . ; u l . s UI'-down e oelétron ba.'itam pal'a a construção do Universo. po1 que eles têm tantos

primos? A 'lu(·sWo pode ser sintc..'tit.ada pela JX!I'Spie<ll. obSt.,'\'Cl('áo

do \'ellccdordo Prêmio N o b c ~ o fisko I. l. RablJ quando soubeda

d('A'iJCOberta domóon: "'Quem JXXIIu i ~ ? "Um modo que os cientistas usamm ptua. lidar com o mistério

das POPulosas t1mRiasde p;u1.fculas foi a consu·uç;1o de uma tabela

. .

para delinearas cam<..1eristicas de todas as p.utí<:ulas elementares(X)f1hec;idM (uer qut1tlro acima),âJ.c1lo1(a à tabela pc:•iódicados ele

mentos químicos. A ta.OOla J-cri6dica ofcf(.'('.Cu aos físicos osprimeii"'S i n a i s de u e ~ clemcmos qu(micos poclerilml não ser

fundamentais. que<*i JXt<.lrf)l ;Ssisteanátioos na éSlruwra intenm 00

átomo poderiam explitaJ• as proptiedades similares de elementos

em deti.!nninadas i n h ~ \ S uoo1uuas.

A tabela de quarkse léptons tem três colunas chamadas m ·(Y}es (é J)(lf isso que o mistérioda multiplícldnde de 13rtículasé

agom refe1do l"'mo o pmblemadegeração). Ageração l, no lado

mais à esquerda, inclui os quarks up e down, L ~ i m <:omo o <:16-

lron e o neutrino do elétron - tudo o necessArio para e.xplicar o

uni\1f i'SQquc llO."ié familiar.Ageraç;1o l i contl!.1n versões um PQU·



co mais m a s s h ~ s d<tS mesmas p;\rtículas; a GerA.çfio llllnclui osmais massivos de todos.

OModelo Pnd n.o Lataosquarkse ( : p c o ~ OOil\0pil.tt1'í.tdns pontuaissem qualquer cstrutum n ema. Mas os JXKirõcsdcmroda ta

bela. n como nn Utbcla J;rló(Liea dos elementos <1ufmk:os, 1(:

vantam a poss.ibilic.L.1dede que asdirerenças nas ger..u,:ões de1 i vrunda <.'Onftgurat.iiOdC tWlos ainda •ncnores )alà a oon.struç;lo datéria dentro dequarkse léptons.

Outro precedente histórico,pc•to do ah:orecerdo século 20, quepcx1e ter relevândn na bttsctl. por u ('Strutura stlbjtu:cnte nosquark.\ foi a descoberta dodt.'Cl imc mo r.wlioativo. Pl>l' meio de um

o c e . . ~ nãoCOIOJ)rOOIIdido naéJXl<'<l. mn elemento J)(XJe be tr.:ul.S-

mutar el'n outro. A$»ra sabemos <1ue altcl(lndo o niin\C.fOde pr6 4

tonsenêutrons no núcleo é possivel atingir a metadosalquimistasmcdicvnise COIWerter o chtunbo em ouro. A de . ' ~ l h u l a ·Çt)es possfvcis é.Unda maior, dado quea alquimiiL nuclearpode até

nt4.'SIHO COilVCI1Cr um n\:ul.ron c.m um am.'ton (ou o "'"'e•oo), Altc4

rando a identidade dos seu.otquarks constituintes. Essa. ll'ôUtSfonn.a·çt\o ocorre J(}r meioda ~ nttclC"'.;t.l' f"racét.. que bém J}()I.!C tt ;.l.nSmut..1r lêpto ns. embora quarl\s não poss.'\m ser alterndos em lêpt o n s ~ ou vice-\'ersa.. Da mesma forma que a oonvct"S..'fo de um(..-lcmenw em out:ru r e t l e ~ c o fundonnmcnto interno oompk-xo do

á.tomo,a nlCt.amorrosede quarksc J:ptons: pode foC'ncceruma dK:adedeudltes ;úndu nlai.s fino; c.lentrudaquelas JXUtk:ulas.

l ' l t tO NS 1 ,\R A r s r CIA N'I' ES

Um receituário das partí.culasOs físicos têm proposto diversos conceitos para préons • partículasque podem COI'J1X)r

quarics e outras panfculas demei'Ure$. Um modelo t'IOtâvel(abdiXQ)

foipropostO em 1979por Haim 1-karari, na época no Stardord UM«Aocelerator Ccntor. e Michacl A. Shupe.en·ttio na Unlversltyof lllinols em Urbana 4 Champaion.O esquema propõedois t ipo$ c1e prê-

ons e umo vcrs3o de <Jn timatéria dc C'41da. que induiritl <lS pl)rtícubsde m:.térla. ou fér·mions (painelsuperior). e as particulasde força.ou bósons (painel inferior).

J.•m·ticu la s de mat l-riu (fêrm ions)Os dois préons neste tlCidetopodem serrepresentados pot+eO.O+ emcargade 1/3, e oO .em a ~ g a:r:etO.Cada 1.rt1emumhomólogode aAiitna'!6'iil comcargaoposta: •( 1/3) eõ ~ Ho modeloeleHararit Shupt",os <jUI.r b c léptons slo compostos portrêspróofls.

CARGA OOtll'lOOoOEPRW!<s PARTfOJlA

+I +++

+213 ++O

+1/3 +00

o 00 0

o 000-1/3 -00-213 --0

•I

1'u rú t·ulü.<ide fi)r\'11 l " J .

Pósicroo

Ouarl< up

A n l i q t . ~ a ~Neuuino doelélron

AI\.....,..,doell!fron

Quilll<down

Anlquoo up

Elé<,.n

Em J'UPOSdedois e eiS;.os mesmosptéons tarrnbémpo6em descrevetos bó.son5.wja r i l t ' I S ~ n c i amcdcia as lorÇI$subat&nicas.: e ~ {lótons),a forçanuclear forte(g!Uon) ea força

fraca (b6sonsW+. W c ),Osdetalhes paraos glõons,asp;artkuLnsOOatamicasque~

os quatltsunidos no illEriordo nllc:leo atOmco.sao001 pouco maiscomplicadoseser3oomilidosaql.i.

CARGA OOtmÚDODE PRWNS PARTfCUlA

+I +++000 BóSOflw oslNo

-I -- -000 8óson Wnega<MI

OOOÕÕÕ

o + ++-- -B&..on Z "3110"""""')++- -00

+- 0000

o +- F<loon

32 S.:il;f'llifu: Amt'fk::UI Ura!Oil l D . l ~ o e o ~ n b r o '2012

PA RT E E l' t\lt'I' (CU L,\Muitos constituintes hipotéticosdos quaJ'kse lêi,.OllS surginlm,cad:• çom um nomedirc4

rente, mas o tem1o ..préon . se tixou comoum descritor gcn(:rioo lXtnl t•Xklf; eles. Namaioria dos c::tsos,o nxsmo nome seaplicaaos <..OOlJ)()OC.ttlCS da.s prutfeu1a-; que caJ'n;.1;101 as forças que ::tttrnnl sobre esses 1x.'da4

çosde matéria.Como i l u s considere um modelo

simples JWOPOSt.o independentemente c.nl97JJ J)Or Httim HW1tri.na p o c t ~ nn Stanfordüneru·AcceleratorCen ter.e Michael A. Shu·pc, tt:.t Uu ivtrsity ol 1 J l b 1 0 em Urbana

m ~ e subscquentemente estendidoCn'119Si l)C)r l·lartui e seu aluno Na1h1:m Scl 4

bcrg. ambos então no Instituto de Ciênci.1.

\Velt.tnnrm, em Re llO\'CJI.,. lsnd (t't'r qtw<lrtJ

i lesquerdtl).Eles propuscmm que dois tiposde J>l'éons existem. umcom carga eléllica de113 e um com ca.rga igunl a zero e. ulêm d is4

.so. cada um deJes teria umcom panheirode

::Ul tinmtélia ('Om éarg;t OJ){l)lô.c -1/3 c zero,~ p c c t , 1 1 m c n t c . F . . . ~ : ; e ; proons sãofé11n ion.

- rxuti<...l.tlasdt: rnatéria - eca(ht quarkc lép4

toll CQnlém uma mistutU únicado.c; U'ês pl'éons.. L>ois prOOnsde carwt1/3e wn CXHn <:arga zero. por exemplo, fomwn um quari\ UJ>.

cnqua.lto o quaJ'k up de antlmatéria oon·tém dois préons de cargn. 4 1/3 c um com»:ro.Os16sons e<tl"l'CJ!Il(k.lr<:s d : < ~ fooÇlos, cnlretan toJ coJtsistem em combinações ún icasdeseis próc)n$. O Moon \V ettn'elCado posíti4

\:.Unente, porexemplo,que transporta a força lhtdcar fraca que age em a1nbos.. quArk5 c

l é p t O ~ tem tn.'\s préons de cargn 1/3 e t.rêsde c.uga 1.cro.

Usando umn série de. .&t.I)(.IS'Í\'Ões mw.1\'eis, Harari e Shupe a m o rontcúdode r t ~ n s d e todas as pa.rü'culM da primeirageração. Os mesmos bb:os de construçãoro.mbém oonl1ibuem J>{tm osglúoos, a.s partíctl la.s subatõmicas que medeiam a ( ' ~ 1nuclear forte que mnntêm os quarlt.s: unidoono interior de prótonse nêutrons. bem rumopara outi'OS l)ÓOOns..



O truque na formutaçrl() de (lualqucr CSlrt•Uuá Stlbja<:ente dos

bem conhecidos quarks. léptons e bõsons está em representar a

nlir!adede lnt.crn«ics ck."'SSlt$ partículas e força.;;. Com C i t c . ~ pré·

ons podem fornecer uma lillb'1Hsgem sensfvcl pam descrever pro-~ i ( l S $ U ~ l i Ô m Í C 4 ) : i Consi<lcrc.porc.xem l)lo.a.oollsão dc um qunrkup oom um qu:uk down de ;.mUmatéria. p10duzindoum bõson W

decarg;.1 positi\'l.l<1ue decai cu1utnei(.-Lron de antim::.t ,Tia. ou 1>ósiU1>n. eum neutrino do elétron. No modelo desetwolvido por l-larn·ri e Shupe, os quarl\s de entl-ada, com seus u'ês pl'\':ons cada, seoomhimun nacolisiio pnragcr:'r um Mson W, contendongom t l }-

dasas t.rês<:at"gl:L'S +1/3 c toda'Ç tJ\'!s Cl.lgas7.cro. Em seguida. o \V

búsón decai, ttielando urna conflh"Ur.l\'ft.O diferente dQ; 111(-SJTKls

seis préons:um. pôsittOn{com as três caqças. l/3).eum neuu·ino doelêtron(oom as três cargas zero).

Até aqui, discutimos o que podeli.a ser chamado numerologia

de (Juarks e léplôns. Esseê apenas um jog ode oont'IJ,.rcJn,comolxlhmcear as ecwaç&.•s químicas ou m : . \ t i c : . ~ embora sério c

~ ltrun ser l:>e1n·suocdido um modck> dt PI'Í'OilS deve explicar

os quarks e lél>tonsoom um pequeno nlunerode blocos deconslru·ção c a)gumtL;; POucas tcgr.L<;.. Afinal a t'Spcranç-..t. é encontrarordem subjacetlle que unifica IXtrticulas superficialmentediferen·tcs. e 15{ ) um sistema de deftnç()es ad hoc que responda fXll'suns

propriedades caso a caso. Uma k o ~ ~ t e . " â o ('COlO essa foi ó\lingida

oom ptt'OtlS. lilnt.O no mod elo de Hm-ar1-Shupe oorno 1100 seus OOIl-

oorrt:nlcs bem ·suée\Jkkls.Você pode ter notado, no entanto. que a dist"llSS<\o t é ~ in

chtiu apcn ::IS a J>riml.!ira g e r ~ de quarks e lél>lons. AS oolsns fl.Qlf ll muito mais sombrias quando voltrunos n ~ a atenção para a:;cgun<1ac e11.-cira gcni('ÕCS., Dentrodo mcxk:lo proposto JX>r Ht\rarícShupc, as gerações mais altas hipoteticamente são estados c i t ado.o;das di fcrenlCS o n f i g u n ( , ' Õ l ' S dOJ'lrimeha gcmção. Assfm <.'Cm1oos ck'trons saltam de um nrvel de energia para uuu·o nusátomos.

algum mecanismodesconhecidoé respon . v e por l igar os prOOns

em oorUuntodeuma íomm qtte pcnnitami ilti plas gera<.,'ÕeS de ru l a . a partir dos mesmos 1ngred ientes.SeCSSá c>;pliCt\«,;fi.o l:t..'lrcce pouco rigoros;L ela é. Mui lOS dcta·

lhes n;1o fcmun t r a b a l h Os cs1udos tc(u1oos que primeirop l'opuscram á ideia dequnrks tinham um nfvelsim ilar deC'.ação. Foi apena.-; mais tat'de que a força fot·te, que liga quarf(s em

prótons e nêutnms. foi descrita matenmtic..'lmenle. Mesmo assim.oproblema dageração co ntinua conspicuamente inexplicâ·

vcl, c ê 7 . C ' t < L ~ de fto;kos Jlropnscnun modelos a1tcl"''l.ativos, hl-

cluindo um emQ\IC um dos préons carrega o nú mero da gcmção,

be moonK.> ll<)\'l\ Cl\ l'gl\ chOJnndo hipcreor, q11C ig.n os JW('Onsdentro dos quarkse lêptons.

AtX!StU de: le rdest.:lito uma única toorb de pr(:Ot'IS, ntaosccn·gnne aopensarq_ueê a(mica teoria !X )r ai. Meuscolegas teóricossfw

muito íntcligcntcs e criàli \'QS. Utcr:al metltc <.:etncna.5 de :utigos fo

nlm c.'SCtít.OS propOI'l(lO outros modelos d<: pr{:ons, embore C S . . ~ ' $modelossdamh"Cl".tlmentevariações deum pequenon6merode tc.m:LS b5sioos. Alguns têm l) l'éonS oom ~ u s a V6 em VC'I. ele l/3 ..'Omo

no modelo de Hamri cShupc. O ulJOS têm cin<r'préons na;quarkse léptons em vez de llês. Outroo ainda propõem uma nllsluru de

préons de fénnionse de bósons ou con teúdos diferentes deprOOns

J):;'lrá os 'JOOoi\Sdô<lliC06l>rcvistosnoquadro inferior n::1 1}ágiml aolado. As possibilidadess.io realmente muito ricas.. Nós físicos preci.samosdemaisdàdosparo<tjlKIAr aeliminara<; altct•n.uivas.

Além do fascínio inerente à noç:_lode que a menor ' ü <..'Onhe

cida demat(:ria possa ter parte5 ainda meno1'CS, muitos de nós es-

Assim como opoder nuclear erainconceb ível antesda descoberta daestrutura atômica ,o descobrimentode uma novacamada da matériarevelariafenômenos que nãopodemos imaginar

truno.s intcrcssc"l(lOS crn préons

poroutm nz."í.o.. Seexistirem, elespoderiam Ler d . g o profundo a dizer sobre. outro e>.relcntc misf.é.

1o dtt tr.sicu d\'l l)<lltf<..·ulas. Odelo Padrão postula queo campo

de l li.ggs a fonte de •nassapa.ra as particulas fundamentais.

l>;wticulas 11\oSS i\ '<l.S sentem uma

cst>C:cic de om1sto oont'onnc se

movem ;Hmvl:s desse campo oni·J n ~ cnqtWilO partículassem nl ilSS<'l.. oomo o fôlon, desli·zatn através dele SC...'tU serem n»

lesta.das. Se os préons que com·

põem as segund ' t c terceira ~ mc;ik's são os mesnlOS <tu<: o:Jmpôem " prinwirn, presumivelmenteodgnsobre o pr(:ons permite queas IXU1iculas c g c . ~ c \ ç ; l o maicw in·

n mais oom o campo de Higgs que as da primeir.t geração.ô<lJ'l(k). POrtamo. àsscraçõcs mai$ a.llcl$ sua maior m<l5S:a. Embornomecanismode Higgs possa explicar as mass..1S das partículas. ele

não pod e pw.·t--las.Até qu e uma teorin mais profunda st:ja dceicm'Ohida. a massa

diL$ 1XU1k:uli\s subat lMnica.<; só l)(XIC ~ delcnniml(hl medindo·asuma oor un\tt. Pf'0\-1\'t'hnente. <:<>mproomlendo a. cstmtunt d<ISquarks e lêptonse oomo asgeraçõesdife rem.aprenderemos muito

maissob reoméenni.smode Him.

DURACOS E OF.S\ 'I OS O F. ROTADevo obse.r\·ar que a teoria da; préons trunbém tem seus problemas. Pftm corn<x,'flr, todos os c.sfon,.-oo ('Xfléli mentals J}lU11 ('lbscrvfl-0 fillharJJn. Esse fracas.c;o é da.'cpdonantc.. mas pod erla decon-ersimplesmente de tcnnos equipamento inadequado.QufStôes expe.rimentaisdc lado, algumas preocupaçõessão int rínsecas à prósnia.teoria É umacaractelistica natm-al das "teorias de confinamento':assim ch:unadn.s nessc t.'ônte,.1o porqtteos prêons estão confinados

dentro dos quarks c l{'j)tons. quens relevantessejamsamente J>roporcion ais ao tmnanho de t'Onfimunento. Ftlnwc

qu i.\rkse léplon5 solo muito menoreseloque pn}LOtlS,. esln_egra im·plic'a que um qmut feito de 1'J'OOns confinados seria muito maismassivo do que u 11 próton, queé, ems.i, feitode quarks. Ooot\iunto

próton Súril'l m ~ do que a soma de sua.<; pa11cs • mc s1os, nA \'Cr·

dl,,dc.do que as parte-S indi 'iduaisem si.f.mbor;:t esse problema J)OSSil i).1J'CCCr tnsupcnlvcl, l'ísi<:O$ ~ ~nun contoriW' um problemasimilar com relaçJ.o a bósons. UmQu:trk c um u ~ l r ~ J}(M' cx<...,nplo, podem fonnar umhóson chamado méson pi. em queo di lemadoconfinamento também pare-

da ICJ>ICSCIHa.rmn JI'()blcma. U').'t.ndo uma ideia csboça(Laem 1961por Jetfn..."Y G o l d ~ O l ( ' , então no CJmN, no <.1lt..'\ntO. U':i 1(:órioosmuito perceberam ques imetrias na leoriasubja(:ente pocle.ri:mtsu·

pemr es._.:;a dHk"ltldadc . A-isirn. a l e v t ~ a t do 11éoon pi não C1Urealmente uma su1pre;a lnfeli1.mcnte. essa alx)l'(:lagem se ;.tpliC".apenas aos bósons. não aos f ~ n n i o (:omo os quarks. No entanto.

em 1979. Gcrard't Hooll, da Univers idadede Utrecht, na Holanda,claboi(Jt.l uma obôl'(l.tlgeml'Clacion.ida íJUO unciona pill(l fé.nnions..Aindanão está claro seo ooncei1o de t llooft está ronfinnndo pam

p.1ttfc:nl<L.:: rro.is, mot<: sua.<; tclcias têm mostradoque, (>l."''O lllCllOS. o

blcxweio do teórico ptU'a n nutSSa dos <tuarks nãoé lii.o fonnidáveloomo primci amcntc P<l.J.CCClL



Dando umzoom

Se préonsexistem. eles sãoquase

r n a g l ~ n ~ n o s . Eesteriam decaber dentrodoqual1<.

awa ln'ICI'ua M O r J X I r t k u t ~ ~nhecida da matéria que.po r ua

, . , _ , . , . o s u r . c ; . , . . ,para Ci!Jberdentro do próton.Na

~ < o d a s o s e x p e r i ê n d a sagem sãoc:onsistenu:scomoquark

possUndo tamanho """'oqve m·

pediria quai(J.U"estnJWra intetna.

Mas experimentosfutufQ5 inloam·

pli.lr o olhar. Um tamanhodi&nnle

de zeropara o quari< dariaà hipótese o s ~ ~ m , . n d e mpulso.

PnX!ns nãoSi)O n única rotaque os ~ m explorando na cs·

JerúnÇa de rC:SOh'Cr v problémn ~ " C m ( . ' Õ e s . Umtt altcnKLivapi'Oeminenteê a ide a desupen:ordas. em que os den·adeii'OS blo

cos de: conslro<f"d.O dn llll:•t.:ria não são pa•1ictilas subatômicas,mas minúsculas cordas em vibração. Me-tafor icamente, c..1.da

uma das J)ilrt ículas do MOOdo Padrl:io pode ser J:ler)sada c-omocord:lS tocando umnnota diferentee toda a realidade como uma

orc.JUCsLm de sualerOOrdM em unul gnll)(le siuron iu cósmk"<\.

Felizmente, préons esupen:orrlas podem ooe:dstir amigavelmen·te porque a escala de tamanho das supcrcordas é muito menor

que a dos <1uarks e léptons. Se supel'oordas existem, elas poderiam multo bem fonnar não quarks e léptons, mas préons oumesmo pré-prOOns ou pré-pré-pr("(ms, dependendo de <Juan tns

camadasdesconhecidasde matériaC.\istcm.

OuLa opt;fi.O JXlra a idcia t.1c préons oomo pwtíadas ('Ornuns.

emhom d(S;Onhecidas. surgiu em 2005, quan<k,Sundanc:c Ril..:;on

·nlompson, da U n i v c r s ~ of Adelaidc, na Ausllália do & ti. det;en

'''olveu uma manelrn de desc.'m-er préons como tranças torcidasdeCSJlaÇO.Lcmpo. I::SSC .noc:lc&o ainda está em sua i f ' l f à n c l ~ ma.:;os ft'$1-

cos est:lo C.\l>lorando .!mas n p i c n < , ~ até )Xlf(JUC ele oft·n•ce um~ \ ' C I caminho J)(lli \ ' ' lnwgr:.tç.io de umn tão ~ n h 3 c l n teoria.qufintk".t dagm.vidadeao Modelo ~ r t i o .

1'110\.A.SUO O U O U.t; l ' l t Í; ONSAfísica l:,em (lltima an;Uisc-, unlaciêndaC\1)Crimental. Nilo imPOr

t:J o quanto hucligenteé tl teofia. se não oonconlar ( (»l l os f ) C r i ·está ctTad-<L F.ntão, o que os cxpctimentais podem fazer

J)ltnl JU"OYnrou rcrutar {I existêucia de préons? O Modelo l t h ã odescre\'ecom su .:es.50 os u a r ~ ll:ptons e b6sonsdo Uni\<'CISO semirr.•ocnr l)l'éôns, de modo <ll•c os f'asi005 de\o'Cm procunu·desviossu·

tisdas previsões do J!.lodeloPadrão- pequen.:\S rachaduras noediff·

cio da física mcxltl1la. Ot•áS racctasdo modelo, em ~ r ü c u l a p .l.reccm. área.<;atrativas para serem c.\-plomdns maisde peno.

Oprimciro l! o t.ama11 o. OMcxlclQ Pnclrtio tnuaos<lll..1rk.o; c ~tonswmopontuais.ou sej:t., particulascom tmmmho zero e semes

lml.ura intcn1a. Ent'(>llll'iU' uml<'U'Jlanho i f c n . ~ n t c de 1.cro p.1.1-a c.v

3·1 S.iettl ifu:: Amol'rit:ut lk-"il l O ~ l ' U ) b r U 2012

Molécula ~2.8 xm·IO m

Átomo de

1-ld<Of/lróo1h:10-f>m

sa.o; p;u1Jculas seria umacvl<lêncln pcx10J'fl&1 pam r O O n ~ . Medições

tên'l l O S ~ que os J>róton.s e nt:uLrons t.(;rn um raio c.lc c.:tre<1 de

I r i ! ~ metro. t!.xperimentos nos principaisacelerad01-e;de pa1fcuJas

do mundo, no JXISSádoç no presente. têml)l(léUl<itdo pOr C\idên<;ias

queos qual'k.s ou lêJ>tons t.."Unbêm tenham um tamanho mensurá·vcl. Até ngorn. todos os dados SãO pcrfeitamCJllé o n s l ~ t e n t c s comran ..mho 1.cro ou direrente de 1.cro <.'Oiu um umumho tio pequenoquuntcHCrta de 0_.000'2 a 0.001 vez o t<uHtUíhOdeum prúton. Pnmdisting uir entre estasduas possibmdadcs(tamanho 1.ero ou mu ito.

muito pequeno), é pl'eciso ra1.cr m e d i < , : Õ t . ~ mais l ' e c i s a . ~ O u IC f!mna n\t'\Quina de des<."'bertas. eespemmos aprendermais sobre otarnanho dM e Jéptons da enorme quantidade de- d ~ es·pemda de suns t'Oiisõcs c de uma atualiZn(.'iO ~ n ' V i : , 1 a naen c1gia do ACClt1raclor.

Ou1ro m<XIó de demonstrar (L existência de subestmtura de

particutas - ao menos para léptons - é investigar a fm'le relação

entreos c.:onceitos de spin e momenlo magnêtico. Com alguma li·cença poética, um elétron pode ser pensado como uma bola em

rotação,c os físicos QUiltUillc.1nl essapn:.1ricdn<lc com um nlimcro quànticode spin. Como todos os fénnions, o elé tron tem spin

J.S. Porqueos ~ t r o são clctric:uncntc (:(lrTCgados. a oomblna

ç..io de rotaç.ão c catga conre1-e um momento magnêtico, o que é

apctías urna ntaocir.t \ ~ < U l t c de illzcr que isso transformao

elétron em um ímã comum. com um polo norte e um polo sulAdll'lil indQqu eum C:J>L(H\ é uma partfcuh\ pclnluaJ com spín

cledé\'C ter um (aniooe específlc.:o mom ento magnético.J-\Ssim, se

umo.1 me<lic;olo de um elétron ou múon mootrar um momentomagnélioo direrent.e da r,r('tlk.iio. esse ~ u u g e r i r ~ forte

mente que a.) < u t f c u ~ não são pontuais e, J>Ol'Uulto. poderiam

seroomp(JISU\S tx:n- l'réons.Os físicosj âsabiam queos momentos magnéticos doelétron e

do ml10n dh 'C I'gelllum pouco dos <le uma. p._;rticula llOntuaLEssapequena diferença, no entanto, não tem qualque1 rehu;ào com

pr(:ons, c pode l'calmcn tc Sf:!l' i c a d ... dentrodo Modelo Padrl[o.Cada lépton está rode..•tdo por uma.nu\'elll evanescente de parti·

virtuais, qu e cintilam p;u·a dentro e p."'ra rora de c.\iStência.



au..tPré<xo(te<lrioo)

menordoqoo10"18m Pr6ln (teórico) pontual.ou compostO poroonstilu!ntes: menores

Pelo fiU.O de essa nuvem ter um po11c.:, ela altera o momento mag·11.:tioodo lépton li!.reinuueut C- - J)Orccrca.de unNt 1 1 ~ t 1.000.

Os efeitosdo s préons seriam ainda lne.Jtoa·es. mas podetiam ser

dét<.:etá,rcís. Novas m < . . " < l ~ no horimnlé, noexpedmcnw m(long-2 do Fermilab,serão mais queum thtor quatro mais precisos do

queos otC: à&"'nl alcan\'ádOS.Físicos também vasculharam profundamente os dados do

colisor ~ t r a procumr por c1ecuimcauos deIXIrtfcu las <JUC eriaunespemdos se os préons existissem c se as g c m ~ f i c s mais

das de partfculM fossem simplesmente estados excitados das

partículas da primeint. Um dcsst>..s pro<..'E.'Ssos é o decaimento de

um mOon em um elêtron e um fóton. Esse decaimento ainda

nfw foi observado e. se de fatn isso acontl.-ee, ooorrc mtnos de

uma vez em 100 h ilh&>s.

Cac.lamcdiç::1odirccu Ceitaatêngom éconsistente c.xnna hipótese

deque os qua1'ks c l('l)lOt\."ô&i<>,de faLO , pontuais, com s.pin Pilla

aqueles de nós que acreditmnque as gernçõesobservadas das txuti

culassubatõmicassugerem uma tentadora edesconhecid.1. fisica.as

tlltltl\ll.,_d&-.adas ~ l l l sidO rn1Sll'tllllCS. Mas agom C : I \ l O S Q p o r t u n l d adcs reais para CJ<,.l)lorar um novo território.

F.m 20110 J..HCoolkliu fdxcs de l)níton.l a u m ~ l t'llCrgia de 7tri·

lhões de cléllt.m·voiLs (7 "ICV), a.,:l \'Cll"So recorde mundial anterior

(n'1t.mlklo t>elo ft:V(dJ 'Oil ,do Fcnnilab, pOr 1\lilisde um ' lt•:utode \....._

culo). Naqueleano. o LHC entnogou maisda me tade da quantidadede dados de colisões qoc o 1bvatron C'llti'Cg\)u ao longo de seus 28

anos de OpCrn(ftO. Em 2012, OCERN :lum<.-n tOu ;_l çncrgia do LHC

para S 1CV. oom a c:.:pect.ativade quadmplicar o recolhimento dedo dos t'llltes de: iniciar um tle:;Ugnmento 1Cill1oOr{uio de um ano e

meiopara filZCI' tCJXU'OS c melhorias. O LHCdcvcrâ.então. retomru·

as operações uo fi.nàl de 2014 ou iníc..ío 2015, wlídindo feíx.es de

próton..-; a t3 ou ThVe em um ritmo muito mais 1âpido.

Oaumento mcxtt'Sto daenergh.tcrn 2012pode pal\.'t'Cr umajuste

menor, mas significará. muito >-:Ua as JX"squiw sobre os preons. A

pcquetl•tmudanc:a n:-1 cncrgi.a do feixe <1ulntuplicará o número de

ooJiSOOs registradas em eoel'gias mais altas, que sondwn os meno

res taman hos eque s;to exat.·uncnte os tiposde C'\'entosdc qué 1>•c--

cis.ul'k)) vc l'it\cilr se há pi'OOns. As 1 U a l l z , 1 ~ de 2014 c 2015

propOt'Cio•mrlo\11 naumento nas c:apacldadt'S de Li ll l ro e g o . .Alêm do LHC. o progi'<Ulla de J)t'SQuisa do Fennilab está passan .

do por uma rceslmt.ur:.ção fttndumcntal,<tzc im;lulrá wna n0\'3 e:t·

pacidade para. buscarC\lidências diretas de pn'!ons. Uma vezque o

Tcvftlr(Hl roi dCSiltivado em 2011, OS (l(.'CICnldO r('S do F<:nn íl:'tb n.ã()

cheJÇ:Lm mais à fronteirada energia da ffsica de partkulns. Em \'C'/.

dis...l:(). o f 'ennilab estli indo p:lnt n fronteira de intensidade, ~ 1 > 1 c > rJ.ndo f e n c ) m e : n o ~ r.u'OS t"'m uma p r e c i ~ - \ o sem prc<:edentcs. Duasdas e.\"j)eliên<:i.l.') ntai.s t'flt"VaJllCS )Xlra a buscade p1t."ofiS mcdil':"to o

monwnto magnético do múon e procurarão por múons confonne

dec:.'K'm em um elétron e umfóton.O futuro t o a ~ ~ pe:la estruturados qti:Ui'i.S e léi>tOns é mais bri·

lllilntc do que. tem sidohá um longo tcm1c>. Enquanto você! 1'4! este

arlil:,'O ,cu e n etiScolegasestan)!)) vascullltutdo a enorme <tuantida

dc de dados <uc o I iC áeompilou. EStamos em busca de prova.-;

que os quarts e lêptons têm um uunanhodiferente de zt-'fO. Esta·mos procurandopor uma quarta geraç..io de quarks e léptons epor

alguma de que a . . ~ condutoms <k> f a l ~ t l a . n mtêm gernções - queos bósons wc Zt quemt'<lcianl a fon:,·a nuc-lear

(r-Jf.'n. têm primos mnls IX.WU:los.

Os próximosanos irJ.o man:ar o iníciode uma nova incurs1ono

reino S'IJbatômioo, 1nnaviagem do ti1C) t.IUC os s t ~ L ~ CllCOJ\lr::t·

rampe-Ja OJtima \1

ez há 25 anos. qu;.utdoo•Jev.ttron t'Omeçou aoperar.Como hl trépide)S a:VC1Hurcirosdo po.')sado, os fi.sicos estnoaml·(,"'l;mdoc abrin<loél.lrninho poro a f'ronteinl <1uâJ1li<:a e

PA.RA CONHECER M.AtS

The quantum &ootier. the W!l• ..,...., c.ISde<. Oon UA:dn. Jdons Hopl<ins

Uv.riyJmt.2009.Preons:models of eptOI'6, quarksand gauoe bosoni· s CIOtllpositeobjects. lanAO'Souz.JeealvinS.Kalman. WorldSciertikPublshillg,1992.

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A<4mpOiàe modetolleptoooo anel " ' """ Midlacl A. SI>Jpe. em l'hysks !e<ters8,""-86.n' l p!<p.87 .92, tOde - de1m

Scientific American 2012 12 a Vida Interior Dos Quarks

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