Folhetim 09 - Galera da Física

NOVEMBRO DE 1999
A força gravitacional é a força das
grandes escalas (o cosmo). Na figura
1, vimos que a força gravitacional,
inclusive dentro do nucleon, é muito
menor que as outras forças fundamentais,
de forma que, de agora em
diante, nos restringiremos a discutir
as outras três forças fundamentais:
eletromagnética, fraca e forte.
O fóton (luz) é a partícula responsável
pelas forças eletromagnéticas.
Quando duas partículas carregadas
eletricamente interagem entre si, elas
estão trocando fótons. Devemos ressaltar
que, apesar dos fótons serem
os responsáveis pela interação entre
as partículas carregadas, o fóton não
possui carga elétrica. O fato de a
força eletromagnética ser de longo
alcance nos permite garantir que a
massa associada ao campo responsável
por essa interação é zero.
Como o fóton é o campo responsável
por esta interação, podemos afirmar
que a sua massa é zero, e, conseqüentemente,
sua velocidade é igual
à velocidade c da luz. A velocidade
do fóton é sempre igual a c, qualquer
que seja o referencial a partir
do qual o observamos.
Esta nova formulação das forças
da Natureza preserva leis de
conservação, tais como, por exemplo,
a conservação da carga elétrica
total em todo o espaço. No caso
eletromagnético temos os processos
descritos na figura 3.
γ
γ
γ
e- e +
e +
e +
e- e- (a) (b)
Processos em que a carga elétrica
total se conserva em todos os instantes.
(a) Espalham ento do elétron (e -)
por
sua antipartícula (e + , pósitron) pela
troca de um fóton ( γ).
(b) Criação de um par elétron-pósitron
a partir de um fóton. Para criar o par,
a energia mínima do fóton ( γ)
é de 1MeV.
figura 3
FOLHE
FOLHE
FOLHE TIM
TIM
Gostaríamos de lembrar que todas
as partículas carregadas eletricamente,
quer sejam léptons, quer
sejam hádrons, interagem eletromagneticamente
através da troca
de fótons.
A força fraca é sentida por todos
os tipos de partículas: léptons
e hádrons. As partículas responsáveis
pela força fraca são os chamados
bósons vetoriais W ± e Z 0 .
Os bósons vetoriais W ± e Z 0 foram
detectados no início da década
de 80 no CERN (Europa). Desde
então as suas propriedades têm
sido estudadas sistematicamente.
O bóson Z 0 tem carga elétrica nula,
enquanto que os W ± possuem carga
elétrica ±1e.
O decaimento b do nêutron, que
é mediado pelo bóson W - , passa
a ser descrito pelo diagrama da figura
4.
n
p νe W -
e -
Diagrama do decaimento β.
O bóson
-
vetorial W decai num elétron (e -)
e no
anti-neutrino do elétron ( νe
), de forma
que os produtos do decaimento do
nêutron são: próton (p), elétron (e -)
e o
anti-neutrino do elétron ( νe
).
figura 4
Voltamos a mencionar a unificação
das forças fraca e eletromagnética
para distâncias menores que
10 -18 m. As energias envolvidas
nessa escala de tamanho são tão
grandes que não faz diferença o
fato do fóton não ter massa, enquanto
que a massa dos bósons
vetoriais W ± e Z 0 é da ordem de
10 5 m e , onde m e é a massa do elétron.
Para distâncias menores que
10 -18 m não é possível distinguir as
partículas: W ± , Z 0 e o fóton. Entretanto,
para distâncias maiores
que 10 -18 m, as forças voltam a ser
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distintas entre si, e o fato de o fóton
ter massa zero faz com que a força
pela qual ele é responsável seja de
longo alcance, podendo ser sentida
a qualquer distância, enquanto
que a força fraca restringe a sua
ação a distâncias dentro do núcleo,
devido às partículas responsáveis
por essa interação serem muito
pesadas.
A força forte é mediada pelo
glúon, que é um bóson que não tem
massa. Apesar da partícula responsável
pela força forte ter massa
zero, a força forte tem alcance
finito, que se restringe ao tamanho
do núcleo. Isto ocorre devido à peculiaridades
da Cromodinâmica
Quântica. Ao contrário da força
fraca, apenas os hádrons interagem
via força forte.
(Como dissemos anteriormente,
todos os hádrons são estados ligados
de partículas fundamentais
chamadas quarks. Os quarks são
muito mais pesados que o elétron.
Lembremos que uma característica
interessante dos quarks é que
eles possuem carga elétrica fracionária,
como foi mencionado na primeira
parte deste artigo. Lá, também
comentamos que, experimentalmente,
até hoje nunca foi medida
uma carga elétrica fracionária
em nenhum material. Isto equivale
a dizer que não existem quarks livres.
Os quarks aparecem na Natureza
apenas na forma de estados
ligados. Esses estados ligados têm
cargas elétricas expressas por múltiplos
inteiros da carga elétrica fundamental
do elétron).
Cada tipo (sabor) de quark (up,
down, strange, charm, botton, top)
existe em três estados diferentes,
que chamamos de cor. Daí dizermos
que os quarks têm carga de
cor. No caso de partículas carregadas
eletricamente, temos dois tipos
de carga elétrica: carga elétri-