A força nuclear forte facilitada: sem cores ou teoria de grupo

Um próton não é apenas três quarks e glúons, mas um mar de partículas densas e antipartículas em seu interior. Quanto mais precisamente olharmos para um próton e quanto maiores forem as energias com as quais realizamos experimentos de espalhamento inelástico profundo, mais subestrutura encontramos dentro do próprio próton. Parece não haver limite para a densidade de partículas no interior. Esta imagem precisa, talvez, não seja tão útil para aqueles que procuram entender a natureza da força forte pela primeira vez. (COLABORAÇÃO JIM PIVARSKI / FERMILAB / CMS)



Se você já lutou com a força forte, esta explicação é um salva-vidas.


Se você pedir a alguém para pensar em algum fenômeno físico que é responsável por qualquer tipo de força no Universo, provavelmente obterá uma de duas respostas. Ou a pessoa responderá à gravidade – a força atrativa entre todos os objetos com massa ou energia – ou listará qualquer outra força que normalmente encontramos entre os átomos da Terra, todas elas algumas variações da força eletromagnética. Ou existe uma força atrativa entre duas partículas com massa ou energia, como na gravitação, ou existe uma força atrativa ou repulsiva entre sistemas de partículas carregadas em repouso ou em movimento, como no eletromagnetismo.

Mas existem outras forças no Universo que são pelo menos tão importantes para criar as coleções de matéria e energia que existem no Universo: as forças nucleares. Afinal, é o número atômico de cada átomo, também conhecido como o número de prótons em seu núcleo, que determina as propriedades físicas e químicas de toda a matéria normal na Terra e em outras partes do Universo. E, no entanto, sem a força nuclear forte, a força repulsiva entre os prótons carregados positivamente em cada núcleo mais pesado que o hidrogênio o destruiria instantaneamente. Veja como a força forte funciona para manter os blocos de construção da matéria juntos.



Das escalas macroscópicas às subatômicas, os tamanhos das partículas fundamentais desempenham apenas um pequeno papel na determinação dos tamanhos das estruturas compostas. Ainda não se sabe se os blocos de construção são partículas verdadeiramente fundamentais e/ou pontuais, mas entendemos o Universo desde grandes escalas cósmicas até minúsculas e subatômicas. Existem cerca de 10²⁸ átomos que compõem cada corpo humano, no total. (MAGDALENA KOWALSKA / CERN / EQUIPE ISOLDE)

A primeira coisa que você precisa entender é que os núcleos atômicos – o que normalmente pensamos como uma combinação de prótons e nêutrons – são na verdade muito mais complexos do que apenas uma coleção de dois tipos de partículas. Prótons e nêutrons são distintos: prótons são eletricamente carregados positivamente, estáveis ​​isoladamente e têm uma massa muito específica; nêutrons são eletricamente neutros, instáveis ​​isoladamente (eles decairão com meia-vida de cerca de 10 minutos ), e são cerca de 0,14% mais pesados ​​que os prótons. E é verdade: prótons e nêutrons, unidos em várias combinações, compõem todos os elementos e isótopos encontrados na natureza.

Mas também é verdade que nem prótons nem nêutrons são partículas fundamentais. Dentro de cada próton há três quarks: dois up e um down, unidos pela física da força nuclear forte. Da mesma forma, cada nêutron também tem três quarks: dois quarks down e um quark up, igualmente ligados pela força forte.



Como você já adivinhou, a força forte é fundamentalmente diferente da gravitação e do eletromagnetismo de várias maneiras. A primeira é a seguinte: enquanto as forças gravitacional e eletromagnética ficam mais fortes à medida que duas cargas se aproximam, a força forte na verdade cai para zero em distâncias extremamente curtas.

Em altas energias (correspondentes a pequenas distâncias), a força de interação da força forte cai para zero. A grandes distâncias, aumenta rapidamente. Essa ideia é conhecida como “liberdade assintótica”, que foi confirmada experimentalmente com grande precisão. (S. BETHKE; PROG.PART.NUCL.PHYS.58:351–386,2007)

Se você reduzir pela metade a distância entre duas massas, a força gravitacional quadruplica ou até mais do que quadruplica, como se você estivesse em um forte campo gravitacional ao redor de um buraco negro ou estrela de nêutrons. Se você reduzir pela metade a distância entre duas cargas elétricas, a força eletrostática quadruplica, com cargas iguais se repelindo com quatro vezes a força original e cargas opostas se atraem da mesma forma.

A força forte é como a gravidade no sentido de que é sempre atraente, mas em todos os outros aspectos, é tremendamente diferente da gravidade e do eletromagnetismo. Por exemplo, se você reduzir pela metade a distância entre dois quarks dentro de um próton ou nêutron, a força não só não quadruplica, mas na verdade cai: torna-se menor do que era quando a distância era maior. De fato, se você for na direção oposta e aumentar a distância entre essas partículas, a força (atrativa) na verdade aumentará em força.



Isso significa que há uma distância de separação particular entre os quarks que é ideal: onde as forças elétricas repulsivas e a força forte atrativa se equilibram. Isso explica por que o próton e o nêutron têm tamanhos particulares, onde cada um tem um raio um pouco menor que um femtômetro. A força forte não é um poço atraente como a gravidade, mas é como um armadilha de dedo chinesa : a força aumenta à medida que você separa os quarks, mas vai para zero se você os aproximar o suficiente.

O quebra-cabeça clássico de uma armadilha de dedos chinesa puxará com forças cada vez maiores quanto mais forte você tentar separar os dedos. No entanto, se você juntar os dedos, a força cai para zero, permitindo que você puxe os dedos para fora. Embora isso seja bizarro, é uma ótima analogia para a natureza da força nuclear forte. (GETTY)

Então, o que faz a força forte funcionar da maneira que funciona? Normalmente, os físicos dão a resposta de duas maneiras. Ou eles vão para a matemática intrincada da teoria dos grupos - especificamente o grupo unitário especial SU(3) — para derivar as relações entre quarks e os portadores de força da força forte, glúons, ou eles usam a analogia falha, mas útil, das cores .

Felizmente, não precisamos ir tão longe para entender a força nuclear forte. Tudo o que temos a fazer é reconhecer a outra diferença fundamental entre gravidade, eletromagnetismo e a força nuclear forte: o modo como as cargas funcionam nessas teorias.

  • Na gravitação, existe apenas um tipo de carga: massa positiva e energia. Se você tem massa ou energia (ou ambas), atrairá todas as outras massas ou energias do Universo.
  • No eletromagnetismo, existem dois tipos de cargas: cargas elétricas positivas e negativas. Como cargas se repelem, cargas opostas se atraem e cargas em movimento geram campos magnéticos, que podem atrair ou repelir umas às outras e mudar a direção de uma partícula carregada em movimento.
  • Mas na força forte, existem três tipos fundamentais de carga.

Embora isso exija um pouco de salto para entender, há uma ferramenta que podemos usar para nos ajudar a entender esses novos tipos de cargas fortes: um triângulo equilátero.



Um polígono de três lados: um triângulo equilátero, com lados rotulados 1, 2 e 3, respectivamente. Embora possa não ser óbvio, simplesmente pensar em um triângulo equilátero pode nos ajudar a conceituar a força forte, sem precisar recorrer à analogia falha das cores. (E. SIEGEL)

Cada lado do triângulo equilátero, convenientemente rotulado com 1 na parte inferior, 2 na parte superior direita e 3 na parte superior esquerda, representa um tipo diferente de carga que existe sob a força forte; cada quark tem uma e apenas uma dessas cargas atribuídas a ele. Ao contrário da gravidade ou do eletromagnetismo, no entanto, a natureza nos proíbe de ter um objeto que tenha uma carga líquida sob a força forte; somente combinações não carregadas são permitidas.

No eletromagnetismo, a maneira de chegarmos a um estado neutro é juntando duas cargas iguais e opostas: uma carga positiva é equilibrada por uma carga negativa e vice-versa. Com três cargas para a força forte, no entanto, há uma propriedade que você pode não esperar: a maneira de obter algo neutro é criando uma combinação onde há um número igual de representantes de todos os três tipos de carga juntos, e é por isso que prótons e nêutrons contêm três quarks cada.

Cada quark, portanto, não tem apenas esse novo tipo de carga inerente a ele, mas cada quark contribui com sua carga para a partícula geral – como um próton ou nêutron – que o contém. E se você contribuir com 1, 2 e 3 juntos, eles o trazem de volta a zero: uma partícula neutra geral. Podemos mostrar isso, em vez dos lados de um triângulo, por cada quark levando você em uma direção específica, trazendo você de volta ao seu ponto de partida apenas se você terminar com uma combinação neutra.

Os três tipos de carga fundamental sob a interação forte: rotulados 1, 2 e 3. Quando você junta um tipo de carga de cada quark, você pode formar um estado ligado bariônico, como um próton ou um nêutron. São necessários três quarks para fazer uma combinação incolor, que são as únicas combinações verdadeiramente estáveis ​​de quarks no Universo. (E. SIEGEL)

Até agora tudo bem. Mas espere, você provavelmente está pensando, e a antimatéria? E você está certo: se os quarks têm três tipos de cargas positivas, então e os antiquarks? Embora a matéria normal e a antimatéria sejam fortemente suspeitas de terem os mesmos tipos de cargas gravitacionais (somente massas/energias positivas), todas as cargas elétricas são revertidas para matéria normal e antimatéria.

Então, como funciona para a força forte?

Com certeza: há anti-cargas também para cada um dos antiquarks: os equivalentes negativos de 1 e 2 e 3 para quarks normais. Você ainda pode pensar nisso como um triângulo, só que desta vez, -1 aponta para a esquerda em vez de para a direita, -2 pontos para baixo e para a direita, em vez de para cima e para a esquerda, e -3 pontos para cima e para a esquerda, em vez de para baixo e para a direita.

As anti-cargas dos anti-quarks são iguais e opostas às cargas dos quarks a que correspondem. Da mesma forma, assim como você pode juntar três quarks para fazer um próton ou um nêutron, você pode juntar três antiquarks para fazer um antipróton ou um antinêutron. Na verdade, todas as partículas conhecidas chamadas bárions são feitos de três quarks, e para cada bárion, há uma contraparte anti-bárion feita de três antiquarks.

Os antiquarks vêm com três cargas fundamentais sob a força forte. Aqui, eles são rotulados como -1, -2 e -3. Observe que a combinação dos três deixa você com uma combinação incolor, correspondente a anti-bárions, e que cada um, individualmente, tem a carga fundamental oposta ao que é possível para cada um dos quarks. (E. SIEGEL)

Então isso significa que qualquer combinação neutra e sem cor é possível na natureza?

Embora existam outras regras quânticas que devem ser obedecidas, a resposta curta é sim. Um quark e um antiquark — independentemente de ser uma combinação 1/-1 ou 2/-2 ou 3/-3 — são permitidos, correspondendo a um méson. Três quarks, um 1 e 2 e 3 juntos, são permitidos, assim como três antiquarks: -1 e -2 e -3 todos juntos.

Mas você sempre pode subir, para combinações mais complexas.

Você pode ter dois quarks e dois antiquarks unidos: um estado conhecido como tetraquark.

Você pode ter quatro quarks e um antiquark, ou quatro antiquarks e um quark, todos unidos: um pentaquark.

Você pode até ter seis quarks ou antiquarks unidos em um único estado, ou uma combinação de três quarks e três antiquarks: qualquer um deles cria um estado hexaquark.

Tanto quanto sabemos, todas as combinações imagináveis, desde que não viola certas outras regras quânticas que podem entrar em jogo, é permitido.

Os estados tetraquark, pentaquark e hexaquark (dibaryon) foram todos observados, compostos de uma combinação não convencional de quarks e antiquarks em comparação com os bárions e mésons mais simples. Desde que tenhamos apenas combinações incolores quando tomadas em conjunto, e nenhuma outra regra quântica seja violada, todos esses estados exóticos podem existir. (MIKHAIL BASHKANOV)

Como essas cargas são como segmentos de um triângulo que o puxam em uma direção ou outra, é muito fácil ver que há muitas equivalências em jogo. Por exemplo:

  • 1 + 2 + 3 = -1 + 1 = -2 + 2 = -3 +3 = -1 + -2 + -3 = 0 (incolor),
  • 2 + 3 = -1, ou 1 + 3 = -2, ou 1 + 2 = -3 (dois quarks podem substituir um antiquark), ou
  • -1 + -2 = 3, ou -2 + -3 = 1, ou -1 + -3 = 2 (dois antiquarks atuam como um quark).

Sempre que você tem uma partícula carregada, ela tem o potencial de interagir com qualquer outra partícula carregada. Na gravitação, isso ocorre por causa da curvatura do espaço-tempo (de acordo com Einstein) ou devido à troca de grávitons (na gravidade quântica), que antecipamos totalmente. No eletromagnetismo, cargas iguais e opostas trocam fótons. Mas nesta nova interação, a interação forte, os três tipos diferentes de cargas, mais os três tipos diferentes de anticargas, levam a uma troca de glúons. Em vez de um tipo fundamental, no entanto, existem 8.

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. Aqui, a troca de glúons é ilustrada para os quarks dentro de um único nêutron. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO QASHQAIILOVE)

Por que oito? Bem, toda vez que uma partícula carregada emite um glúon, ela precisa permanecer com a mesma carga ou mudar sua carga para um dos outros dois tipos permitidos. Da mesma forma, toda vez que uma partícula carregada absorve um glúon, a mesma coisa deve ocorrer. A única maneira de isso ocorrer é se cada glúon carrega consigo uma combinação de uma carga e uma anticarga. Seis deles são fáceis. Você pode ter um glúon que é uma combinação de:

1 e -2,

1 e -3,

2 e -1,

2 e -3,

3 e -1, ou

3 e -2.

Mas você não pode simplesmente emparelhar 1 e -1 (ou 2 com -2, ou 3 com -3), porque mecanicamente quântico, eles são indistinguíveis um do outro. Sempre que você tem estados quânticos indistinguíveis, eles se misturam. Na verdade, fica ainda mais complicado, porque essas combinações parecem muito semelhantes às combinações quark-antiquark que mencionamos brevemente anteriormente: o mésons .

Por causa da maneira como as coisas se misturam, obtemos dois glúons físicos e um não físico da equação, para um total de oito.

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)

A razão pela qual as pessoas gostam da analogia da cor é por causa de como a cor funciona de maneira semelhante a isso. Você pode criar uma combinação incolor misturando as três cores aditivas primárias (vermelho, verde e azul) para obter o branco ou misturando as três cores subtrativas primárias (ciano, magenta e amarelo) para obter o preto. Vermelho e ciano são anticores um para o outro, assim como o verde e o magenta, assim como o azul e o amarelo. Assim como existem três cores primárias aditivas e subtrativas, existem três cargas e anticargas para as forças fortes. Mas a analogia tem muitas limitações fundamentais , e é importante notar que nada é realmente colorido.

Mas assim como existem dois glúons sem carga e há muitas maneiras de se ter uma combinação de quark-antiquark sem carga, prótons e nêutrons individuais dentro de um núcleo podem atrair um ao outro. Glúons (e mésons, por falar nisso) não são apenas trocados entre quarks individuais dentro de um próton ou nêutron, mas podem ser trocados entre diferentes prótons ou nêutrons dentro de um núcleo.

Lembre-se, contanto que você não viole nenhuma regra quântica, todas as trocas são permitidas, incluindo trocas de mésons: todas são partículas massivas. Mesmo que a força externa a cada próton ou nêutron desapareça muito rapidamente a grandes distâncias - o destino de todas as forças mediadas por partículas massivas - essa interação, conhecida como força residual forte , é o que acaba praticamente impedindo que todos os núcleos atômicos se dividam espontaneamente em prótons e nêutrons livres.

Prótons e nêutrons individuais podem ser entidades incolores, mas os quarks dentro deles são coloridos. Os glúons podem não apenas ser trocados entre os glúons individuais dentro de um próton ou nêutron, mas em combinações entre prótons e nêutrons, levando à ligação nuclear. No entanto, cada troca deve obedecer ao conjunto completo de regras quânticas. (WIKIMEDIA COMMONS USER MANISHEARTH)

É verdade que o Universo obedece a regras misteriosas e complicadas, e que a melhor linguagem para expressar essas regras é a matemática. Mas isso não significa que não devemos nos esforçar para ser tradutores, mantendo a precisão das regras, mas tornando-as acessíveis a um número muito maior de pessoas. Cada vez que aprendemos uma nova forma de apresentar um fenômeno científico ou matemático, ganhamos uma nova ferramenta em nosso arsenal não apenas para ensiná-lo aos outros, mas para melhor entendê-lo.

A interação forte obedece a todas as regras da teoria de grupos associadas ao grupo unitário especial SU(3), mas a menos que você seja um estudante de pós-graduação avançado em física ou matemática, provavelmente não é uma língua que você fala. Pode ser descrito em termos de cor, mas as falhas nessa analogia muitas vezes deixam equívocos duradouros mesmo entre os físicos. A analogia do triângulo é mais incomum, mas pode ajudar a manter mais a complexidade matemática da teoria, ao mesmo tempo em que elimina vários pontos de confusão colorida. Seja qual for o corte, há um conjunto inteiramente novo de forças nucleares em jogo dentro dos núcleos atômicos, e a força forte é o que mantém todos os núcleos do Universo juntos. Quanto melhor a entendermos, melhor entenderemos a física no cerne literal de nossa própria existência.


Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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