Joseph Norman
0 
4635
1377
A força nuclear forte é, como você deve ter adivinhado, uma força muito forte. É tão poderoso que é capaz de reunir algumas das menores partículas do universo por longos períodos, possivelmente para sempre. Partículas ligadas pela força forte formam os blocos de construção de nosso mundo cotidiano: prótons e nêutrons. Mas se você abrisse um próton ou nêutron, não encontraria um arranjo simples e agradável de partículas subatômicas. Em vez disso, você veria as entranhas nojentas de talvez uma das forças mais complexas do universo.
Prótons e nêutrons não são as únicas coisas que a força forte é capaz de fazer, mas não entendemos realmente os outros arranjos mais complexos e exóticos. Além do mais, mesmo nossas observações e experimentos são muito vagos. Mas os físicos estão trabalhando arduamente tentando reunir insights sobre essa força fundamental da natureza.
Relacionado: Os maiores mistérios não resolvidos da física
Forte e complexo
Para descrever a força forte, é melhor contrastá-la com sua prima muito mais famosa, a força eletromagnética. Com a força eletromagnética, as coisas são simples, fáceis e diretas; tanto que os cientistas em 1900 foram capazes de descobrir isso. Com a força eletromagnética, qualquer partícula pode entrar na festa, desde que tenha uma propriedade chamada carga elétrica. Se você tiver essa carga, poderá sentir e responder à força eletromagnética. E todos os tipos de partículas de todas as listras e sabores carregam uma carga elétrica, como o seu elétron de jardim.
Outra partícula, a partícula de luz (também conhecida como fóton), faz o trabalho de transmitir a força eletromagnética de uma partícula carregada para outra. O próprio fóton não tem carga elétrica própria e não tem massa. Ele viaja na velocidade da luz, movendo-se para frente e para trás pelo universo, fazendo o eletromagnetismo acontecer.
Carga elétrica. Um único portador da força eletromagnética. Simples, direto.
Em contraste, existem seis partículas que estão sujeitas à força nuclear forte. Como um grupo, eles são conhecidos como quarks e têm nomes suficientemente peculiares como up, down, top, bottom, odd e charme. Para sentir e responder à força nuclear forte, esses quarks têm uma carga própria. Não é uma carga elétrica (embora eles também tenham uma carga elétrica e também sintam a força eletromagnética), mas por várias razões que tornam as coisas realmente confusas, os físicos chamam essa carga especial associada à força nuclear forte de carga colorida.
Os quarks podem ter uma das três cores, chamadas vermelho, verde e azul. Só para esclarecer, não são cores reais, mas apenas rótulos que damos a esta propriedade estranha, semelhante a uma carga.
Então, os quarks sentem a força forte, mas ela é carregada por uma grande quantidade de outras partículas - oito, para ser preciso. Eles são chamados de glúons e fazem um ótimo trabalho de ... espere por isso ... colar quarks. Os glúons também têm a habilidade e o desejo de carregar sua própria carga de cor. E eles têm massa.
Seis quarks, oito glúons. Os quarks podem mudar sua carga de cor, e os glúons também podem, porque não.
Tudo isso significa que a força nuclear forte é muito mais complexa e intrincada do que sua prima eletromagnética.
Estranhamente forte
Ok, eu menti. Os físicos não chamam essa propriedade dos quarks e glúons de "a carga de cor" apenas porque lhes apetece, mas porque serve como uma analogia útil. Gluons e quarks podem se unir para formar partículas maiores, desde que todas as cores resultem em branco, assim como a luz vermelha, azul e verde se somam à luz branca ... A combinação mais comum é três quarks, um de cada um de vermelho, verde, e azul. Mas a analogia fica um pouco complicada aqui, porque cada quark individual pode ter qualquer uma das cores atribuídas a ele a qualquer momento; o que importa é o número de quarks para obter as combinações certas. Portanto, você pode ter grupos de três quarks para formar os prótons e nêutrons familiares. Você também pode ter um vínculo de quark com seu anti-quark, onde a cor se cancela consigo mesma (como em, pares verdes com anti-verde, e não, eu não estou apenas inventando à medida que prossigo), para fazer um tipo de partícula conhecida como méson.
Mas não termina aí.
Teoricamente, qualquer combinação de quarks e glúons que se somam ao branco são tecnicamente permitidos na natureza.
Por exemplo, dois mésons - cada um com dois quarks dentro deles - podem potencialmente ligar-se em algo chamado tetraquark. E em alguns casos, você pode adicionar um quinto quark à mistura, ainda equilibrando todas as cores, chamado (você adivinhou) de pentaquark.
O tetraquark nem mesmo precisa ser tecnicamente ligado em uma única partícula. Eles podem simplesmente existir próximos um do outro, tornando o que é chamado de molécula hidrônica.
E que loucura é esta: os próprios glúons podem nem mesmo precisar de um quark para fazer uma partícula. Pode simplesmente haver uma bola de glúons pendurada, relativamente estável no universo. Eles são chamados de glueballs. A gama de todos os estados possíveis permitidos pela força nuclear forte é chamada de espectro de quarcônio, e esse não é um nome inventado por um escritor de um programa de TV de ficção científica. Existem todos os tipos de combinações potenciais malucas de quarks e gluons que podem existir.
Eles também?
Quark Rainbow
Talvez.
Os físicos vêm realizando experimentos de força nuclear forte há algumas décadas, como o Experimento Baber e alguns no Grande Colisor de Hádrons, lentamente ao longo dos anos construindo níveis de energia mais elevados para sondar cada vez mais profundamente no espectro de quarcônio (e sim você tem minha permissão para usar essa frase em qualquer frase ou conversa casual que quiser, é incrível). Nesses experimentos, os físicos encontraram muitas coleções exóticas de quarks e glúons. Os experimentalistas dão-lhes nomes funky, como χc2 (3930).
Essas partículas exóticas potenciais existem apenas fugazmente, mas em muitos casos existem de forma conclusiva. Mas os físicos têm dificuldade em conectar essas partículas produzidas brevemente às teóricas que suspeitamos que devam existir, como os tetraquarks e os glueballs.
O problema de fazer a conexão é que a matemática é muito difícil. Ao contrário da força eletromagnética, é muito difícil fazer previsões sólidas envolvendo uma força nuclear forte. Não é apenas por causa das complicadas interações entre os quarks e os glúons. Em energias muito altas, a força da força nuclear forte começa a enfraquecer, permitindo que a matemática seja simplificada. Mas com energias mais baixas, como a energia necessária para unir quarks e glúons para formar partículas estáveis, a força nuclear forte é, na verdade, muito forte. Este aumento de força torna a matemática mais difícil de descobrir.
Os físicos teóricos criaram várias técnicas para lidar com esse problema, mas as técnicas em si são incompletas ou ineficientes. Embora saibamos que alguns desses estados exóticos no espectro do quarkônio existem, é muito difícil prever suas propriedades e assinaturas experimentais.
Ainda assim, os físicos estão trabalhando duro, como sempre fazem. Lentamente, com o tempo, estamos construindo nossa coleção de partículas exóticas produzidas em aceleradores e fazendo previsões cada vez melhores sobre como deveriam ser os estados de quarcônio teóricos. As correspondências estão se formando lentamente, dando-nos uma imagem mais completa desta estranha, mas fundamental força em nosso universo.
Paul M. Sutter é astrofísico em The Ohio State University, anfitrião de Pergunte a um astronauta e Rádio Espacial, e autor de Seu lugar no universo.
- 18 vezes Quantum Particles Estourou Nossas Mentes |
- Física maluca: por que as partículas têm sabores? |
- Quarks e muons estranhos, meu Deus! Partículas mínimas da natureza
Originalmente publicado em .