A busca pela natureza da matéria escura nos leva a uma revisão detalhada das descrições do modelo padrão das partículas elementares e interações fundamentais, este modelo descreve, com incrível precisão, a estrutura e a dinâmica das partículas conhecidas sua elegante formulação é considerada por muitos físicos como uma das maiores realizações da ciência.

    Desde a descoberta do elétron pelo físico inglês Joseph John Thomson, em 1887, até a detecção de uma partícula compatível com o Bóson de Higgs pelo Grande Colisor de Hadrons (LHC, sigla em inglês) no CERN, em 2013, o modelo padrão tem tido enorme sucesso em suas descrições no campo da física de altas energias.

Figura 1 – Linha do tempo sobre a descoberta das partículas elementares, apenas uma ressalva em relação ao bóson de Hisggs que, aparentemente, foi detectada em 2013 pelo LHC.

      O modelo padrão das partículas elementares e interações fundamentais classifica as partículas em dois grupos fundamentais: os Férmios e os Bósons,  e quatro interações fundamentais: interação gravitacional, interação eletromagnética, interação forte e interação fraca.

Partículas Elementares

     Os férmions são partículas não sociáveis, elas não são encontradas em grupos e são regidas pelo principio de exclusão de Pauli: “Dois Férmions idênticos não podem ocupar o mesmo estado quântico”. De modo geral, podemos dizer que os férmions são as partículas que compõem a matéria ordinária presente no universo.

     O estado quântico de uma partícula pode ser determinado através de seus números quânticos, são eles: número quântico principal (n), número quântico de momento angular ou secundário (l), número quântico magnético (ml), número quântico de spin (ms), o estudo destes números quânticos definem os estados de energia possível para uma partícula. Em função da complexidade desta descrição, podemos encontrar na natureza apenas dois férmions com a mesma energia, ou seja, os férmions são partículas se spin semi inteiro (1/2, 3/2, ...).

     A figura 2 mostra a descrição dos férmions do modelo padrão, dividida em dois tipos de férmions (léptons e quarks) distribuídos em três famílias, a diferença fundamental entre os léptons e quarks é que podemos encontrar os léptons individualmente e até este momento os quarks apenas podem ser encontrados em grupos.

Figura 2 – Lista das famílias de férmions descritos pelo modelo padrão

Crédito da figura: Ostermann, F. Um pôster para ensinar Física de Partículas na escola, Revista Física na Escola, v. 2, n. 1, pg 14, 2001.

      Os bósons são partículas sociáveis, elas são encontradas em grupos e não são regidos pelo princípio de exclusão de Pauli, por esta definição, podemos encontrar diversos bósons com o mesmo nível energético e possuem spin inteiro (0,1, 2,...), de um modo geral, os bósons são as partículas mediadoras das interações fundamentais, para cada interação fundamental, existe um bóson responsável pela interação.

     A figura 3 mostra a descrição dos bósons do modelo padrão. Apesar de cada interação possuir seu bóson correspondente, a interação gravitacional e, consequentemente, o “gráviton” não são descritos por este modelo.

Figura 3 – Lista de bósons descritos pelo modelo padrão

Crédito da figura: Ostermann, F. Um pôster para ensinar Física de Partículas na escola, Revista Física na Escola, v. 2, n. 1, pg 14, 2001.

      Em 2013, a grande colisor de hádrons (LHC, sigla em inglês) divulgou a descoberta de uma nova partícula que aparentemente é consistente com o bóson de Higgs. O bóson de Higgs é um bóson escalar e ele é o responsável pela atribuição da massa de todas as partículas que compõem o modelo padrão, desse modo o quadro geral das partículas elementares está completo.

Interações fundamentais

       A natureza se expressa através de quatro interações fundamentais, das quais duas, as forças eletromagnética e gravitacional, são bem conhecidas e estudadas de maneira superficial no Ensino Médio. O modelo padrão descreve as partículas elementares (léptons e quarks) interagindo através das forças forte, fraca e eletromagnética.

     A teoria trata de forma unificada as forças fraca e eletromagnética do mesmo modo que o eletromagnetismo de Maxwell unifica as forças elétrica e magnética. A força forte é descrita através da teoria chamada cromodinâmica quântica. A interação gravitacional não é descrita pelo modelo padrão, a descrição desta interação e feita pela teoria da relatividade geral de Einstein.

  Atualmente ainda é um gigantesco desafio para a física atual incluir, em um mesmo modelo e em pé de igualdade, a interação gravitacional junto com as outras três interações.

 Figura 4 – Propriedades das interações fundamentais

Crédito da figura: Ostermann, F. Um pôster para ensinar Física de Partículas na escola, Revista Física na Escola, v. 2, n. 1, pg 14, 2001.

Partículas com estrutura interna

       O modelo padrão das partículas elementares descreve a estrutura e a dinâmica de partículas sem estrutura interna, mas abre a possibilidade de descrever partículas que possuem estrutura interna que são chamadas de hádrons, os prótons e nêutrons se encaixam nessa descrição.

        Os hádrons são partículas que possuem estrutura interna e são formados através da combinação de dois quarks (chamadas de mésons, formados por dois férmions, vão ter spin inteiro e se comportar como bósons), ou com três quarks (chamadas de bárions, formados por três férmions, vão ter spin semi-inteiro e se comportar como férmions).

Figura 5 – Exemplo de hádrons que podem ser classificado em bárions e mésons

Crédito da figura: Ostermann, F. Um pôster para ensinar Física de Partículas na escola, Revista Física na Escola, v. 2, n. 1, pg 14, 2001.

       Ao se formarem partículas com estruturas internas, nos deparamos com o problema da violação: os quarks são férmions e, portanto, têm que respeitar o princípio de exclusão de Pauli (que afirma que dois férmions idênticos não podem ocupar o mesmo estado quântico), por exemplo o bárion Δ++ é formado por uma combinação de três quarks u e, portanto, vai violar o princípio de Pauli.

       Até então acreditava-se que os quarks eram idênticos, porém a existência de certos hádrons indicou que, ou eles não são idênticos, e haveria uma propriedade física para distingui-los, que os relacionavam com uma das interações fundamentais, ou o princípio de Pauli seria violado e os quarks não poderiam ser férmions.

       A solução encontrada pelos físicos se mostrou uma hipótese conservadora e se postulou a existência de uma propriedade física que os distinguiria, a qual denominou-se “cor”⁽¹⁾ ou carga de cor, associada à interação forte.

        A hipótese diz que os quarks podem se apresentar na forma de três cores diferentes, r (red), b (blue) e g (green), deste modo o problema da violação do princípio da exclusão de Pauli estaria resolvido.

(1). Obviamente a cor do quark não tem nenhuma relação com o sentido visual a que estamos habituados. Essa propriedade chamada cor é apenas um novo grau de liberdade intrínseco, que foi postulado pela necessidade e de forma completamente arbitrária.

       Mas ainda havia um problema intrigando os físicos: se todos os quarks poderiam existir em três cores diferentes, com seis sabores de quarks diferentes, poderíamos ter uma combinação de hádrons com 2 ou três quarks, e se considerarmos as antipartículas correspondentes aos quarks existentes, deveríamos ter um número extremamente grande de hádrons que poderiam ser formados.

    A solução para este problema veio através dos dados experimentais, os hádrons só existem em combinações de cores neutras, como por exemplo, r + b + g , red + antired, antired + antiblue + antigreen são combinações neutras. A aplicação do princípio de neutralidade de cor aos hádrons implica que todos os três quarks de um bárion têm que ser de cores diferentes, de modo a formarem uma combinação neutra de cor, que também é chamada branca. Note que isto deve ocorrer mesmo quando o princípio de Pauli não exige tal combinação e, assim, temos uma propriedade que é característica da interação forte. De modo semelhante, podemos concluir que o quark e o antiquark que formam um méson têm que possuir cores opostas para formar um objeto neutro ou branco.

Figura 6 – estrutura neutra ou branca dos bárions e mésons

Crédito da figura: Ostermann, F. Um pôster para ensinar Física de Partículas na escola, Revista Física na Escola, v. 2, n. 1, pág. 14, 2001.

       O Modelo Padrão resiste aos testes experimentais há mais de 40 anos. Com o passar dos anos, novas partículas foram descobertas, a descoberta das primeiras partículas causou um alvoroço na comunidade física, resultando em diversos prêmios Nobel para os físicos envolvidos em suas descobertas, mas em um determinado momento o modelo padrão já estava tão desenvolvido e elegante que a detecção das partículas previstas era apenas uma questão de tempo, foi o que aconteceu com o quark top (1994) e com o bóson de Higgs (2013), para uma visão geral das partículas ver figura 7.

Figura 7 – Linha do tempo para a descoberta das partículas elementares

Atualmente o modelo padrão descreve um total de 61 partículas (ver figura 8).

Figura 8 – Resumo do número total de partículas elementares do modelo padrão

Crédito da figura: Abdalla, M. C. B; Sobre o discreto charme das partículas elementares, Instituto de Física Teórica, UNESP, Revista Física na Escola, v. 6, n. 1, pg 44, 2005.

      No entanto, quando tentamos usar esse modelo para descrever a natureza das partículas que são responsáveis pela matéria escura, ele falha e não oferece nenhum candidato viável que possa dar conta das propriedades que a matéria escura deve possuir.

       Os candidatos mais aceitos pela comunidade física são conhecidos como WIMP’s (partículas massivas que interagem fracamente), ou seja, essas partículas não são descritas pelo modelo padrão, mas os processos de decaimento destas partículas podem ser descritos pela interação fraca.