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Quarks na verdade não têm cores

Uma visualização do QCD ilustra como os pares partícula/antipartícula saem do vácuo quântico por períodos de tempo muito pequenos como consequência da incerteza de Heisenberg. Observe que os próprios quarks e antiquarks vêm com atribuições de cores específicas que estão sempre em lados opostos da roda de cores um do outro. Nas regras da interação forte, apenas combinações incolores são permitidas na natureza. (DEREK B. LEINWEBER)

Vermelho, verde e azul? O que chamamos de “carga de cor” é muito mais interessante do que isso.

Em um nível fundamental, a realidade é determinada por apenas duas propriedades do nosso Universo: os quanta que compõem tudo o que existe e as interações que ocorrem entre eles. Embora as regras que regem tudo isso possam parecer complicadas, o conceito é extremamente simples. O Universo é composto de pedaços discretos de energia que estão ligados em partículas quânticas com propriedades específicas, e essas partículas interagem umas com as outras de acordo com as leis da física que fundamentam nossa realidade.

Algumas dessas propriedades quânticas governam se e como uma partícula irá interagir sob uma certa força. Tudo tem energia e, portanto, tudo experimenta gravidade. No entanto, apenas as partículas com os tipos certos de cargas experimentam as outras forças, pois essas cargas são necessárias para que ocorram os acoplamentos. No caso da força nuclear forte, as partículas precisam de uma carga de cor para interagir. Só que, na verdade, os quarks não têm cores. Aqui está o que está acontecendo em seu lugar.

Prevê-se que as partículas e antipartículas do Modelo Padrão existem como consequência das leis da física. Embora descrevamos quarks, antiquarks e glúons como tendo cores ou anticolores, isso é apenas uma analogia. A ciência real é ainda mais fascinante. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Embora possamos não entender tudo sobre essa realidade, descobrimos todas as partículas do Modelo Padrão e a natureza das quatro forças fundamentais – gravidade, eletromagnetismo, força nuclear fraca e força nuclear forte – que governam suas interações. Mas nem todas as partículas experimentam todas as interações; você precisa do tipo certo de cobrança para isso.

Das quatro forças fundamentais, cada partícula tem uma energia inerente a ela, mesmo partículas sem massa como fótons. Enquanto você tem energia, você experimenta a força gravitacional. Além disso, existe apenas um tipo de carga gravitacional: energia positiva (ou massa). Por esta razão, a força gravitacional é sempre atrativa, e ocorre entre tudo o que existe no Universo.

Uma visão animada de como o espaço-tempo responde à medida que uma massa se move através dele ajuda a mostrar exatamente como, qualitativamente, não é apenas uma folha de tecido. Em vez disso, todo o próprio espaço fica curvado pela presença e propriedades da matéria e energia dentro do Universo. Observe que a força gravitacional é sempre atrativa, pois existe apenas um tipo (positivo) de massa/energia. (LUCASVB)

O eletromagnetismo é um pouco mais complicado. Em vez de um tipo de carga fundamental, existem dois: cargas elétricas positivas e negativas. Quando cargas iguais (positivas e positivas ou negativas e negativas) interagem, elas se repelem, enquanto cargas opostas (positivas e negativas) interagem, elas se atraem.

Isso oferece uma possibilidade empolgante que a gravidade não oferece: a capacidade de ter um estado vinculado que não exerce uma força resultante em um objeto externo carregado separadamente. Quando quantidades iguais de cargas positivas e negativas se unem em um único sistema, você obtém um objeto neutro: um sem carga líquida. Cargas livres exercem forças atrativas e/ou repulsivas, mas sistemas não carregados não. Essa é a maior diferença entre gravitação e eletromagnetismo: a capacidade de ter sistemas neutros compostos por cargas elétricas diferentes de zero.

A lei da gravitação universal de Newton (L) e a lei de Coulomb para a eletrostática (R) têm formas quase idênticas, mas a diferença fundamental de um tipo versus dois tipos de carga abre um mundo de novas possibilidades para o eletromagnetismo. (DENNIS NILSSON / RJB1 / E. SIEGEL)

Se imaginássemos essas duas forças lado a lado, você poderia pensar no eletromagnetismo como tendo duas direções, enquanto a gravitação tem apenas uma única direção. As cargas elétricas podem ser positivas ou negativas, e as várias combinações de positivo-positivo, positivo-negativo, negativo-positivo e negativo-negativo permitem atração e repulsão. A gravitação, por outro lado, tem apenas um tipo de carga e, portanto, apenas um tipo de força: a atração.

Embora existam dois tipos de carga elétrica, basta uma partícula para cuidar da ação atrativa e repulsiva do eletromagnetismo: o fóton. A força eletromagnética tem uma estrutura relativamente simples – duas cargas, onde iguais se repelem e os opostos se atraem – e uma única partícula, o fóton, pode ser responsável por efeitos elétricos e magnéticos. Em teoria, uma única partícula, o gráviton, poderia fazer a mesma coisa pela gravitação.

Hoje, os diagramas de Feynman são usados ​​no cálculo de todas as interações fundamentais abrangendo as forças forte, fraca e eletromagnética, inclusive em condições de alta energia e baixa temperatura/condensadas. As interações eletromagnéticas, mostradas aqui, são todas governadas por uma única partícula portadora de força: o fóton. (DE CARVALHO, VANUILDO S. ET AL. NUCL.PHYS. B875 (2013) 738–756)

Mas então, em uma base totalmente diferente, há a força forte. É semelhante à gravidade e ao eletromagnetismo, no sentido de que há um novo tipo de carga e novas possibilidades de uma força associada a ela.

Se você pensar em um núcleo atômico, deve reconhecer imediatamente que deve haver uma força adicional que é mais forte do que a força elétrica, caso contrário, o núcleo, feito de prótons e nêutrons, se separaria devido à repulsão elétrica. A força nuclear forte, nomeada de forma criativa, é a parte responsável, pois os constituintes de prótons e nêutrons, os quarks, possuem cargas elétricas e um novo tipo de carga: carga de cor.

A analogia da cor vermelho-verde-azul, semelhante à dinâmica do QCD, é como certos fenômenos dentro e além do Modelo Padrão são frequentemente conceituados. A analogia é muitas vezes levada ainda mais longe do que o conceito de carga de cor, como por meio da extensão conhecida como technicolor. (USUÁRIO DA WIKIPÉDIA BB3CXV)

Ao contrário do que você poderia esperar, porém, não há cor envolvida. A razão pela qual a chamamos de carga de cor é porque, em vez de um tipo fundamental e atraente de carga (como a gravidade), ou dois tipos opostos de carga fundamental (positiva e negativa, como o eletromagnetismo), a força forte é governada por três tipos fundamentais de carga. , e obedecem a regras muito diferentes das outras forças mais familiares.

Para cargas elétricas, uma carga positiva pode ser cancelada por uma carga igual e oposta - uma carga negativa - de mesma magnitude. Mas para cobranças de cor, você tem três tipos fundamentais de cobrança. Para cancelar uma carga de cor única de um tipo, você precisa de um de cada um dos segundo e terceiro tipos. A combinação de números iguais de todos os três tipos resulta em uma combinação que chamamos de incolor, e incolor é a única combinação de partícula composta que é estável.

Quarks e antiquarks, que interagem com a força nuclear forte, possuem cargas de cor que correspondem a vermelho, verde e azul (para os quarks) e ciano, magenta e amarelo (para os antiquarks). Qualquer combinação incolor, de vermelho + verde + azul, ciano + amarelo + magenta, ou a combinação apropriada de cor/anticor, é permitida sob as regras da força forte. (UNIVERSIDADE DE ATHABASCA / WIKIMEDIA COMMONS)

Isso funciona independentemente para quarks, que têm uma carga de cor positiva, e antiquarks, que têm uma carga de cor negativa. Se você imaginar uma roda de cores, você pode colocar vermelho, verde e azul em três locais equidistantes, como um triângulo equilátero. Mas entre o vermelho e o verde estaria o amarelo; entre verde e azul seria ciano; entre vermelho e azul seria magenta.

Essas cargas de cor intermediárias correspondem às cores das antipartículas: as anticores. Ciano é o mesmo que anti-vermelho; magenta é o mesmo que anti-verde; amarelo é o mesmo que anti-azul. Assim como você pode somar três quarks com as cores vermelho, verde e azul para fazer uma combinação incolor (como um próton), você pode somar três antiquarks com as cores ciano, magenta e amarelo para fazer uma combinação incolor (como um antipróton).

Combinações de três quarks (RGB) ou três antiquarks (CMY) são incolores, assim como combinações apropriadas de quarks e antiquarks. As trocas de glúons que mantêm essas entidades estáveis ​​são bastante complicadas. (MASCHEN / WIKIMEDIA COMMONS)

Se você sabe alguma coisa sobre cores, pode começar a pensar em outras maneiras de gerar uma combinação incolor. Se três cores diferentes ou três anticolores diferentes pudessem funcionar, talvez a combinação cor-anticolor certa pudesse levá-lo até lá?

Na verdade, pode. Você pode misturar a combinação certa de um quark e um antiquark para produzir uma partícula composta incolor, conhecida como méson. Isso funciona, porque:

• vermelho e ciano,
• verde e magenta,
• e azul e amarelo

são todas combinações incolores. Enquanto você somar uma carga líquida incolor, as regras da força forte permitem que você exista.

A combinação de um quark (RGB) e um antiquark correspondente (CMY) sempre garante que o méson seja incolor. (ARMY1987 / TIMOTHYRIAS OF WIKIMEDIA COMMONS)

Isso pode iniciar sua mente por alguns caminhos interessantes. Se vermelho + verde + azul é uma combinação incolor, mas vermelho + ciano também é incolor, isso significa que verde + azul é o mesmo que ciano?

Isso está absolutamente certo. Isso significa que você pode ter um único quark (colorido) emparelhado com qualquer um dos seguintes:

• dois quarks adicionais,
• um antiquark,
• três quarks adicionais e um antiquark,
• um quark adicional e dois antiquarks,
• cinco quarks adicionais,

ou qualquer outra combinação que leve a um total incolor. Quando você ouvir falar de partículas exóticas como tetraquarks (dois quarks e dois antiquarks) ou pentaquarks (quarks e um antiquark), saiba que elas obedecem a essas regras.

Com seis quarks e seis antiquarks para escolher, onde seus spins podem somar 1/2, 3/2 ou 5/2, espera-se que haja mais possibilidades de pentaquark do que todas as possibilidades de bárions e mésons combinadas. A única regra, sob a força forte, é que todas essas combinações devem ser incolores. (COLABORAÇÃO CERN / LHC / LHCB)

Mas a cor é apenas uma analogia, e essa analogia realmente se desfaz rapidamente se você começar a olhar para ela com muitos detalhes. Por exemplo, a forma como a força forte funciona é trocando glúons, que carregam uma combinação de cor-anticolor com eles. Se você é um quark azul e emite um glúon, você pode se transformar em um quark vermelho, o que significa que o glúon que você emitiu continha uma carga de cor ciano (anti-vermelho) e azul, permitindo que você conservasse a cor.

Você pode pensar, então, com três cores e três anticores, que haveria nove tipos possíveis de glúons que você poderia ter. Afinal, se você combinou vermelho, verde e azul com ciano, magenta e amarelo, existem nove combinações possíveis. Este é um bom primeiro palpite, e está quase certo.

A força forte, operando como funciona devido à existência de “carga de cor” e a troca de glúons, é responsável pela força que mantém os núcleos atômicos juntos. Um glúon deve consistir em uma combinação de cor/anticor para que a força forte se comporte como deve, e o faz. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO QASHQAIILOVE)

Como se vê, porém, existem apenas oito glúons que existem. Imagine que você é um quark vermelho e emite um glúon vermelho/magenta. Você vai transformar o quark vermelho em um quark verde, porque é assim que você conserva a cor. Esse glúon encontrará então um quark verde, onde o magenta se aniquilará com o verde e deixará a cor vermelha para trás. Desta forma, as cores são trocadas entre partículas coloridas que interagem.

Essa linha de pensamento só é boa para seis dos glúons, no entanto:

• vermelho/magenta,
• vermelho amarelo,
• verde/ciano,
• verde amarelo,
• azul/ciano, e
• azul/magenta.

Quando você se depara com as outras três possibilidades – vermelho/ciano, verde/magenta e azul/amarelo – há um problema: todas são incolores.

Quando você tem três combinações de cor/anticolor que são possíveis e incolores, elas se misturam, produzindo dois glúons ‘reais’ que são assimétricos entre as várias combinações de cor/anticolor e um que é completamente simétrico. Apenas as duas combinações antisimétricas resultam em partículas reais. (E. SELO)

Na física, sempre que você tem partículas que têm os mesmos números quânticos, elas se misturam. Esses três tipos de glúons, sendo todos incolores, absolutamente se misturam. Os detalhes de como eles se misturam são bastante profundos e vão além do escopo de um artigo não técnico, mas você acaba com duas combinações que são uma mistura desigual das três cores e anticores diferentes, junto com uma combinação que é uma mistura de todos os pares de cores/anticolores igualmente.

Este último é verdadeiramente incolor e não pode interagir fisicamente com nenhuma das partículas ou antipartículas com cargas de cor. Portanto, existem apenas oito glúons físicos. As trocas de glúons entre quarks (e/ou antiquarks), e de partículas incolores entre outras partículas incolores, é literalmente o que une os núcleos atômicos.

Prótons e nêutrons individuais podem ser entidades incolores, mas ainda há uma forte força residual entre eles. Toda a matéria conhecida no Universo pode ser dividida em átomos, que podem ser divididos em núcleos e elétrons, onde os núcleos podem ser divididos ainda mais. Podemos ainda não ter atingido o limite de divisão, ou a capacidade de cortar uma partícula em vários componentes, mas o que chamamos de carga de cor, ou carga sob as interações fortes, parece ser uma propriedade fundamental de quarks, antiquarks e glúons. (WIKIMEDIA COMMONS USER MANISHEARTH)

Podemos chamá-la de carga de cor, mas a força nuclear forte obedece a regras que são únicas entre todos os fenômenos do Universo. Embora atribuamos cores a quarks, anticolores a antiquarks e combinações de cor-anticolor a glúons, é apenas uma analogia limitada. Na verdade, nenhuma das partículas ou antipartículas tem uma cor, mas apenas obedece às regras de uma interação que tem três tipos fundamentais de carga, e apenas combinações que não têm carga líquida sob esse sistema podem existir na natureza.

Essa interação intrincada é a única força conhecida que pode superar a força eletromagnética e manter duas partículas de carga elétrica semelhante unidas em uma única estrutura estável: o núcleo atômico. Quarks na verdade não têm cores, mas têm cargas regidas pela interação forte. Somente com essas propriedades únicas os blocos de construção da matéria podem se combinar para produzir o Universo que habitamos hoje.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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