Ciência

Entenda de uma vez: o que é o Modelo Padrão?

Numa única tabela, os cientistas conseguiram organizar todo o conhecimento da física de partículas e entender como se formam a matéria e suas interações fundamentais.

Por Salvador Nogueira
Atualizado em 16 ago 2022, 13h59 - Publicado em 9 set 2019, 16h55

Ao longo do século 20, experimentos com raios cósmicos e aceleradores começaram a revelar um imenso zoológico de partículas, com massas, cargas elétricas e propriedades diversas. Logo se tornou preciso construir uma teoria que desse ordem ao caos. A esse grande arcabouço, os físicos, com toda a falsa modéstia do mundo, deram o nome de Modelo Padrão.

Sua formulação contou com a participação de diversos cientistas e exigiu o desenvolvimento de derivações da mecânica quântica, como a teoria quântica de campo e a cromodinâmica quântica. Mas, quando estava terminado, nos anos 1970, ele era o mais perto que a humanidade já chegou de uma “teoria de tudo”, organizando todas as pecinhas mais elementares da natureza numa única tabela. Eis o que ele nos ensinou.

O mar de partículas elementares pode ser dividido em duas famílias básicas, baseado em seu spin (algo como a rotação da partícula): os bósons (assim batizados em homenagem ao indiano Satyendra Nath Bose), que têm número de spin inteiro, e os férmions (nome emprestado do italiano Enrico Fermi), que têm número de spin quebrado (1/2, 3/2, 5/2…).

Assim como na tabela periódica dos elementos, estar numa família implica ter propriedades em comum. No caso, os férmions têm a responsabilidade de formar toda a matéria conhecida. Essa família engloba os prótons, nêutrons e elétrons, formadores dos átomos. Mas o Modelo Padrão foi mais fundo.

Comecemos pelo mais simples, os elétrons. Eles são de fato elementares, ou seja, não há nada dentro deles que os forme. Mas o Modelo Padrão indica que eles existem em três versões: elétron, elétron múon e elétron tau. O múon é parecido com o elétron, só que mais pesado. E o tau, mais pesado que o múon. Juntos, os elétrons fazem parte de um grupo especial de férmions, os léptons. Nesse mesmo clube, há os neutrinos. Eles têm carga neutra e também vêm em três versões: neutrino elétron, múon e tau.

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Agora, vamos dar uma olhada nos prótons e nêutrons. Segundo o Modelo Padrão, eles são feitos de partículas ainda menores, os quarks, reunidos em trios. Um próton é feito de dois quarks do tipo up e um do tipo down. Juntos, eles têm carga elétrica positiva. Já o nêutron é feito de dois quarks down e um up. Na soma, eles anulam suas cargas. E, a exemplo do que acontece com elétrons e neutrinos, os quarks também têm versões mais pesadas. Com a mesma carga do quark up, existem o quark charm e o top. Com a mesma carga do quark down, há o strange e o bottom.

Pode parecer uma sopa aleatória de letrinhas, mas é tudo verdade. Por sinal, muitas dessas partículas foram previstas pelo Modelo Padrão e depois observadas em aceleradores de partículas. É o caso do quark top, descoberto em 1995, e do neutrino tau, achado em 2000.

Até aqui, cobrimos apenas um lado da tabela. Falta darmos uma olhada na outra grande família, a dos bósons. Eles são as partículas de interação, ou seja, transmitem as forças fundamentais da natureza.

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A mais conhecida dessas forças é a eletromagnética, responsável pelos campos elétricos e magnéticos. Ela é transmitida pelos fótons, as partículas da luz.

Além do eletromagnetismo, há as forças nucleares forte e fraca. A primeira é a que mantém os quarks grudados nos prótons e nêutrons, e os prótons e nêutrons colados nos núcleos atômicos. Ela é transportada por uma partícula chamada glúon. A segunda também age no interior do átomo e é responsável por certos decaimentos radioativos. Ela é transmitida por dois bósons, o Z e o W. Previstos pela teoria, eles foram observados em 1983.

E a coroação absoluta do Modelo Padrão se deu em 2012, quando cientistas do LHC (o Grande Colisor de Hádrons) anunciaram a descoberta do bóson de Higgs, partícula prevista em 1964. O quadro estava completo.

Hoje em dia, o Modelo Padrão responde por tudo que já vimos em laboratório. Ele poderia ser a última palavra em física de partículas, não fosse por um detalhe: já temos pistas muito fortes de que, apesar de seu incrível poder, ainda lhe faltam algumas peças. A palavra-chave aí é outra: matéria escura.