A 500 km de Portugal, Estão a Recriar o Início do Universo
Sob a fronteira franco-suíça, a 100 metros de profundidade, existe um túnel circular de 27 km de circunferência. No Large Hadron Collider (LHC) do CERN, feixes de protões são acelerados a 99,9999991% da velocidade da luz e colididos com energias de 13,6 TeV — recriando, por uma fração de segundo, as condições que existiram no universo menos de um segundo após o Big Bang.
Em 4 de julho de 2012, os detetores ATLAS e CMS anunciaram a descoberta de uma nova partícula: o bosão de Higgs — o elo que faltava no Modelo Padrão, a teoria mais completa e precisa que a física já produziu. O CERN fica a menos de 550 km de Lisboa — e Portugal participa ativamente através de universidades e do Instituto Superior Técnico.
Estrutura do Átomo — Revisão
O átomo é constituído por:
- Núcleo: protões (carga +e) e neutrões (neutros), ligados pela força nuclear forte.
- Eletrões: partículas com carga −e que ocupam a nuvem eletrónica.
Mas protões e neutrões não são partículas fundamentais — são compostos de quarks.
| Partícula | Carga | Massa | |---|---|---| | Protão | +1e | 938,3 MeV/c² | | Neutrão | 0 | 939,6 MeV/c² | | Eletrão | −1e | 0,511 MeV/c² |
Se o núcleo de um átomo de hidrogénio fosse uma laranja (diâmetro ~10 cm), o eletrão estaria a girar a ~5 km de distância. O átomo é 99,9999999% espaço vazio. A matéria sólida parece sólida porque as forças eletromagnéticas repelem os eletrões das diferentes moléculas.
O Modelo Padrão
O Modelo Padrão é a teoria que descreve todas as partículas fundamentais e três das quatro forças fundamentais (eletromagnética, nuclear forte e nuclear fraca). Está organizado em duas grandes categorias:
Fermião (Matéria)
Os fermiões têm spin semi-inteiro (½) e obedecem ao princípio de exclusão de Pauli. Dividem-se em quarks e leptões.
Quarks — interagem pela força forte; existem em três "cores" (rojo, verde, azul — no sentido da carga da força forte, não cor visual):
| Geração | Quarks | Carga | |---|---|---| | 1.ª | Up (u), Down (d) | +2/3, −1/3 | | 2.ª | Charm (c), Strange (s) | +2/3, −1/3 | | 3.ª | Top (t), Bottom (b) | +2/3, −1/3 |
O protão é composto por uud (carga: 2/3 + 2/3 − 1/3 = +1). O neutrão é udd (carga: 2/3 − 1/3 − 1/3 = 0).
Leptões — não interagem pela força forte:
| Geração | Leptões | Carga | |---|---|---| | 1.ª | Eletrão (e⁻), Neutrino do eletrão (νₑ) | −1, 0 | | 2.ª | Muão (μ⁻), Neutrino do muão (νμ) | −1, 0 | | 3.ª | Tau (τ⁻), Neutrino do tau (ντ) | −1, 0 |
O Modelo Padrão tem três famílias de quarks e leptões, cada uma com partículas progressivamente mais massivas. Não há explicação teórica para este número — é uma observação empírica. Não se conhece uma 4.ª geração; dados do LEP no CERN mostram que existem apenas três tipos de neutrinos leves.
Bosões (Partículas de Força)
Os bosões têm spin inteiro e são os "transportadores" das forças:
| Bosão | Força | Símbolo | Massa | |---|---|---|---| | Fotão | Eletromagnética | γ | 0 | | Gluão (8 tipos) | Nuclear forte | g | 0 | | Bosão W± | Nuclear fraca | W⁺, W⁻ | 80,4 GeV/c² | | Bosão Z⁰ | Nuclear fraca | Z⁰ | 91,2 GeV/c² | | Bosão de Higgs | Campo de Higgs | H | 125,1 GeV/c² |
O Bosão de Higgs e o Campo de Higgs
Peter Higgs (e independentemente outros físicos, em 1964) propôs que o universo está impregnado de um campo escalar — o campo de Higgs — e que as partículas adquirem massa ao interagir com este campo. Quanto mais uma partícula interage com o campo, maior é a sua massa.
O fotão não interage com o campo de Higgs → tem massa zero e move-se a c. O bosão W tem forte interação com o campo de Higgs → tem grande massa.
O bosão de Higgs é a excitação quântica do campo de Higgs — a sua "partícula". A sua descoberta em 2012 completou o Modelo Padrão.
As Quatro Forças Fundamentais
O universo tem exatamente quatro forças fundamentais (até onde sabemos):
| Força | Alcance | Intensidade relativa | Bosões | |---|---|---|---| | Gravitacional | Infinito | 10⁻³⁸ | Gravitão (hipotético) | | Eletromagnética | Infinito | 10⁻² | Fotão | | Nuclear fraca | ≈ 10⁻¹⁸ m | 10⁻⁵ | W±, Z⁰ | | Nuclear forte | ≈ 10⁻¹⁵ m | 1 | Gluões |
A força nuclear forte liga os quarks dentro dos hadrões e, como força residual, liga os protões e neutrões no núcleo — apesar da repulsão elétrica entre os protões positivos.
A força nuclear fraca é responsável por certos tipos de decaimento radioativo, incluindo a desintegração beta (n → p + e⁻ + ν̄ₑ). É a única força que não conserva a paridade (assimetria esquerda-direita).
O Modelo Padrão não inclui a gravidade. A partícula hipotética que transportaria a força gravitacional — o gravitão — nunca foi detetada. A unificação da mecânica quântica com a relatividade geral (quantum gravity) é o maior problema não resolvido da física teórica atual.
Antimatéria
A cada partícula corresponde uma antipartícula com a mesma massa mas cargas opostas:
- Antieletrão = positrão (e⁺)
- Antiprotão (p̄)
- Antiquarks (ū, d̄, etc.)
- Antineutrinos (ν̄)
Quando uma partícula encontra a sua antipartícula, ambas se aniquilam, convertendo toda a sua massa em energia (geralmente fotões). Um grama de matéria + 1 grama de antimatéria → 1,8 × 10¹⁴ J de energia.
O mistério da antimatéria: O Big Bang deveria ter produzido quantidades iguais de matéria e antimatéria. Se assim fosse, tudo se teria aniquilado e o universo seria apenas fotões. Existe uma ligeira assimetria (violação de CP) que favoreceu a matéria por uma parte em 10 mil milhões — e é esse resíduo que constitui todo o universo observável. A origem desta assimetria é um dos maiores mistérios da cosmologia.
Neutrinos: As Partículas Fantasma
Os neutrinos são partículas extraordinariamente elusivas:
- Têm massa muito pequena (mas não nula — provado pela oscilação de neutrinos).
- Interagem apenas pela força fraca e gravitacional.
- Em cada segundo, cerca de 65 mil milhões de neutrinos solares passam por cada cm² do teu corpo sem que nenhum seja detetado.
Um neutrino pode atravessar um ano-luz de chumbo sólido e ter apenas 50% de probabilidade de ser absorvido. Para detetar alguns dos poucos que interagem, existem detetores gigantes como o IceCube, na Antártica — 1 km³ de gelo instrumentado.
A oscilação de neutrinos (mudança de sabor enquanto se propagam) prova que os neutrinos têm massa — uma descoberta que levou ao Prémio Nobel em 2015.
Aceleradores de Partículas e o CERN
Para estudar partículas subatómicas, é preciso colidir outras partículas com energia suficiente para criar novas partículas (E = mc²). Os aceleradores de partículas usam campos eletromagnéticos para acelerar partículas carregadas.
Aceleradores lineares (LINAC): Aceleração em linha reta. Sincrotrões (LHC): Aceleração em círculo, com campos magnéticos a dobrar a trajetória e campos elétricos a acelerar. A energia cinética máxima de uma partícula num sincrotrão é limitada pela radiação emitida nas curvas (radiação de sincrotrão).
O LHC e Portugal
O Large Hadron Collider tem:
- 27 km de circunferência
- Temperatura de operação: 1,9 K (mais frio que o espaço exterior) — para os ímanes supercondutores
- Energia de colisão: até 13,6 TeV
- Milhares de cientistas de todo o mundo
Portugal contribui com físicos do LIP (Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas), com sede em Lisboa e Coimbra, que participam nas colaborações ATLAS, CMS e LHCb.
Tim Berners-Lee inventou a World Wide Web em 1989 no CERN — precisamente para partilhar dados entre os milhares de físicos espalhados pelo mundo. A internet que usas diariamente é, literalmente, um subproduto da física de partículas.
Para Além do Modelo Padrão
O Modelo Padrão, apesar do seu sucesso extraordinário, é incompleto:
- Não inclui a gravidade.
- Não explica a matéria escura (~27% do universo).
- Não explica a energia escura (~68% do universo).
- Não explica a assimetria matéria-antimatéria.
- Tem demasiados parâmetros livres (massas das partículas, ângulos de mistura) sem explicação teórica.
As teorias candidatas a ir além do Modelo Padrão incluem a Supersimetria (SUSY — que prevê parceiros supersimétricos para cada partícula conhecida), as Teorias de Grandes Unificação e a Teoria das Cordas. Nenhuma foi confirmada experimentalmente.
A física de partículas continua — e Portugal está no meio dela.
Resumo
| Categoria | Partículas | |---|---| | Quarks (1.ª geração) | up, down | | Leptões (1.ª geração) | eletrão, neutrino do eletrão | | Bosões de força | fotão (EM), gluões (forte), W±/Z⁰ (fraca), Higgs | | Protão | uud (carga +1) | | Neutrão | udd (carga 0) |