Partícula subatômica - Subatomic particle

Nas ciências físicas , uma partícula subatômica é uma partícula menor que um átomo . De acordo com o modelo padrão da física de partículas , uma partícula subatômica pode ser uma partícula composta , que é composta de outras partículas (por exemplo, um próton , nêutron ou méson ), ou uma partícula elementar , que não é composta de outras partículas (por exemplo, um elétron , fóton ou múon )). A física de partículas e a física nuclear estudam essas partículas e como elas interagem.

Experimentos mostram que a luz pode se comportar como um fluxo de partículas (chamadas de fótons ), além de exibir propriedades ondulatórias. Isso levou ao conceito de dualidade onda-partícula para refletir que as partículas em escala quântica se comportam como partículas e ondas (às vezes são descritas como ondas para refletir isso).

Outro conceito, o princípio da incerteza , afirma que algumas de suas propriedades tomadas em conjunto, como sua posição e momento simultâneos , não podem ser medidas com exatidão. Foi demonstrado que a dualidade onda-partícula se aplica não apenas aos fótons, mas também a partículas mais massivas.

As interações de partículas na estrutura da teoria quântica de campos são entendidas como criação e aniquilação de quanta de interações fundamentais correspondentes . Isso combina a física de partículas com a teoria de campo .

Mesmo entre os físicos de partículas , a definição exata de uma partícula tem diversas descrições. Essas tentativas profissionais na definição de uma partícula incluem:

Classificação

Por composição

As partículas subatômicas são "elementares", ou seja, não são feitas de várias outras partículas, ou "compostas" e são feitas de mais de uma partícula elementar unida.

As partículas elementares do Modelo Padrão são:

A classificação do modelo padrão de partículas

Todos eles foram agora descobertos por experimentos, com o último sendo o quark top (1995), o neutrino de tau (2000) e o bóson de Higgs (2012).

Várias extensões do Modelo Padrão prevêem a existência de uma partícula elementar de gráviton e muitas outras partículas elementares , mas nenhuma foi descoberta até 2021.

Hadrons

Quase todas as partículas compostas contêm múltiplos quarks (e / ou antiquarks) unidos por glúons (com algumas exceções sem quarks, como positrônio e muônio ). Aqueles que contêm poucos (≤ 5) [anti] quarks são chamados de hádrons . Devido a uma propriedade conhecida como confinamento de cor , os quarks nunca são encontrados isoladamente, mas sempre ocorrem em hádrons contendo vários quarks. Os hadrons são divididos pelo número de quarks (incluindo antiquarks) em bárions contendo um número ímpar de quarks (quase sempre 3), dos quais o próton e o nêutron (os dois núcleos ) são de longe os mais conhecidos; e os mésons contendo um número par de quarks (quase sempre 2, um quark e um antiquark), dos quais os píons e kaons são os mais conhecidos.

Exceto o próton e o nêutron, todos os outros hádrons são instáveis ​​e decaem em outras partículas em microssegundos ou menos. Um próton é feito de dois quarks up e um quark down , enquanto o nêutron é feito de dois quarks down e um quark up. Estes comumente se ligam em um núcleo atômico, por exemplo, um núcleo de hélio-4 é composto de dois prótons e dois nêutrons. A maioria dos hádrons não vive o suficiente para se ligar a compostos semelhantes a núcleos; aqueles que o fazem (exceto o próton e o nêutron) formam núcleos exóticos .

Por estatísticas

Qualquer partícula subatômica, como qualquer partícula no espaço tridimensional que obedece às leis da mecânica quântica , pode ser um bóson (com spin inteiro ) ou um férmion (com spin meio-inteiro ímpar).

No modelo padrão, todos os férmions elementares têm spin 1/2 e são divididos em quarks que carregam carga de cor e, portanto, sentem a forte interação, e os léptons que não. Os bósons elementares compreendem os bósons de calibre (fóton, W e Z, glúons) com spin 1, enquanto o bóson de Higgs é a única partícula elementar com spin zero.

Teoricamente, é necessário que o gráviton hipotético tenha spin 2, mas não faz parte do modelo padrão. Algumas extensões, como a supersimetria, prevêem partículas elementares adicionais com spin 3/2, mas nenhuma foi descoberta até 2021.

Devido às leis do spin das partículas compostas, os bárions (3 quarks) têm spin 1/2 ou 3/2 e, portanto, são férmions; os mésons (2 quarks) têm spin inteiro de 0 ou 1 e, portanto, são bósons.

Por missa

Na relatividade especial , a energia de uma partícula em repouso é igual a sua massa vezes a velocidade da luz ao quadrado , E = mc 2 . Ou seja, a massa pode ser expressa em termos de energia e vice-versa. Se uma partícula tem um referencial no qual está em repouso , então ela tem uma massa de repouso positiva e é chamada de massiva .

Todas as partículas compostas são massivas. Bárions (que significa "pesado") tendem a ter maior massa do que os mésons (que significa "intermediário"), que por sua vez tendem a ser mais pesados ​​do que os léptons (que significa "peso leve"), mas o lepton mais pesado (a partícula tau ) é mais pesado que o dois sabores mais leves de bárions ( núcleons ). Também é certo que qualquer partícula com carga elétrica é massiva.

Quando originalmente definidos na década de 1950, os termos bárions, mésons e léptons se referiam a massas; no entanto, depois que o modelo de quark foi aceito na década de 1970, foi reconhecido que os bárions são compostos de três quarks, os mésons são compostos de um quark e um antiquark, enquanto os léptons são elementares e são definidos como os férmions elementares sem carga de cor .

Todas as partículas sem massa (partículas cuja massa invariante é zero) são elementares. Isso inclui o fóton e o glúon, embora o último não possa ser isolado.

Por decadência

A maioria das partículas subatômicas não são estáveis. Todos os léptons, bem como os bárions, decaem pela força forte ou pela força fraca (exceto o próton). Não se sabe que prótons decaem , embora não se saiba se eles são "verdadeiramente" estáveis, pois algumas Teorias da Grande Unificação (GUTs) muito importantes realmente exigem. Os múons μ e τ, assim como suas antipartículas, decaem pela força fraca. Neutrinos (e antineutrinos) não decaem, mas acredita-se que exista um fenômeno relacionado de oscilações de neutrinos mesmo em vácuos. O elétron e sua antipartícula, o pósitron , são teoricamente estáveis ​​devido à conservação de carga, a menos que exista uma partícula mais leve com magnitude de carga elétrica  e (o que é improvável). Sua carga ainda não foi mostrada

Outras propriedades

Todas as partículas subatômicas observáveis ​​têm sua carga elétrica um múltiplo inteiro da carga elementar . Os quarks do Modelo Padrão têm cargas elétricas "não inteiras", ou seja, múltiplos de 13 e , mas os quarks (e outras combinações com carga elétrica não inteira) não podem ser isolados devido ao confinamento da cor . Para bárions, mésons e suas antipartículas, as cargas dos quarks constituintes somam um múltiplo inteiro de e .

Por meio do trabalho de Albert Einstein , Satyendra Nath Bose , Louis de Broglie e muitos outros, a teoria científica atual afirma que todas as partículas também têm uma natureza de onda. Isso foi verificado não apenas para partículas elementares, mas também para partículas compostas como átomos e até moléculas. Na verdade, de acordo com as formulações tradicionais da mecânica quântica não relativística, a dualidade onda-partícula se aplica a todos os objetos, mesmo os macroscópicos; embora as propriedades de onda de objetos macroscópicos não possam ser detectadas devido aos seus pequenos comprimentos de onda.

As interações entre as partículas foram examinadas por muitos séculos, e algumas leis simples sustentam como as partículas se comportam em colisões e interações. O mais fundamental deles são as leis de conservação de energia e conservação de momento , que nos permitem fazer cálculos de interações de partículas em escalas de magnitude que variam de estrelas a quarks . Esses são os pré-requisitos básicos da mecânica newtoniana , uma série de afirmações e equações em Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , publicado originalmente em 1687.

Dividindo um átomo

O elétron carregado negativamente tem uma massa igual a 11837 ou 1836 de um átomo de hidrogênio . O restante da massa do átomo de hidrogênio vem do próton com carga positiva . O número atômico de um elemento é o número de prótons em seu núcleo. Os nêutrons são partículas neutras com uma massa ligeiramente maior que a do próton. Diferentes isótopos do mesmo elemento contêm o mesmo número de prótons, mas diferentes números de nêutrons. O número de massa de um isótopo é o número total de núcleons (nêutrons e prótons coletivamente).

A química se preocupa em como o compartilhamento de elétrons liga os átomos a estruturas como cristais e moléculas . As partículas subatômicas consideradas importantes para a compreensão da química são o elétron , o próton e o nêutron . A física nuclear trata de como prótons e nêutrons se organizam em núcleos. O estudo de partículas subatômicas, átomos e moléculas, e sua estrutura e interações, requer mecânica quântica . A análise de processos que mudam os números e tipos de partículas requer a teoria quântica de campos . O estudo das partículas subatômicas em si é chamado de física das partículas . O termo física de alta energia é quase sinônimo de "física de partículas", uma vez que a criação de partículas requer altas energias: ocorre apenas como resultado de raios cósmicos ou em aceleradores de partículas . A fenomenologia das partículas sistematiza o conhecimento sobre as partículas subatômicas obtidas a partir desses experimentos.

História

O termo " partícula subatômica " é em grande parte um retrônimo da década de 1960, usado para distinguir um grande número de bárions e mésons (que compreendem os hádrons ) de partículas que agora são consideradas verdadeiramente elementares . Antes disso, os hádrons eram geralmente classificados como "elementares" porque sua composição era desconhecida.

Segue uma lista de descobertas importantes:

Partícula Composição Teorizado Descoberto Comentários
Elétron
e-
elementar ( leptão ) G. Johnstone Stoney (1874) JJ Thomson (1897) Unidade mínima de carga elétrica, cujo nome Stoney sugeriu em 1891.
partícula alfa
α
compósito (núcleo atômico) nunca Ernest Rutherford (1899) Provado por Rutherford e Thomas Royds em 1907 para ser núcleos de hélio.
Fóton
γ
elementar ( quântico ) Max Planck (1900) Albert Einstein (1905) Ernest Rutherford (1899) como raios γ Necessário para resolver o problema termodinâmico da radiação de corpo negro .
Próton
p
compósito ( barião ) William Prout ( 1815 ) Ernest Rutherford (1919, nomeado 1920) O núcleo de 1
H
.
Nêutron
n
compósito (barião) Santiago Antúnez de Mayolo ( c. 1924) James Chadwick (1932) O segundo núcleo .
Antipartículas   Paul Dirac (1928) Carl D. Anderson (
e+
, 1932)
A explicação revisada usa simetria CPT .
Pions
π
composto ( mésons ) Hideki Yukawa (1935) César Lattes , Giuseppe Occhialini , Cecil Powell (1947) Explica a força nuclear entre os núcleons. O primeiro méson (por definição moderna) a ser descoberto.
Muon
µ-
elementar (leptão) nunca Carl D. Anderson (1936) Chamado de "meson" no início; mas hoje classificado como um lepton .
Kaons
K
composto (mésons) nunca GD Rochester , CC Butler (1947) Descoberto em raios cósmicos . A primeira partícula estranha .
Bárions lambda
Λ
composto (bárions) nunca Universidade de Melbourne (
Λ0
, 1950)
O primeiro hyperon descoberto.
Neutrino
ν
elementar (leptão) Wolfgang Pauli (1930), nomeado por Enrico Fermi Clyde Cowan , Frederick Reines (
ν
e
, 1956)
Resolvido o problema do espectro de energia do decaimento beta .
Quarks
(
você
,
d
,
s
)
elementar Murray Gell-Mann , George Zweig (1964) Nenhum evento de confirmação específico para o modelo de quark .
quark charme
c
elementar (quark) Sheldon Glashow , John Iliopoulos , Luciano Maiani (1970) B. Richter et al ., SCC Ting et al . (
J / ψ
, 1974)
quark inferior
b
elementar (quark) Makoto Kobayashi , Toshihide Maskawa (1973) Leon M. Lederman et al . (
ϒ
, 1977)
Gluons elementar (quântico) Harald Fritzsch , Murray Gell-Mann (1972) DESY (1979)
Bósons de calibre fraco
C±
,
Z0
elementar (quântico) Glashow , Weinberg , Salam (1968) CERN (1983) Propriedades verificadas na década de 1990.
quark superior
t
elementar (quark) Makoto Kobayashi , Toshihide Maskawa (1973) Fermilab (1995) Não hadronize , mas é necessário completar o Modelo Padrão.
Bóson de Higgs elementar (quântico) Peter Higgs et al . (1964) CERN (2012) Previsto para ser confirmado em 2013. Mais evidências encontradas em 2014.
Tetraquark composto ? Z c (3900) , 2013, ainda a ser confirmado como um tetraquark Uma nova classe de hádrons.
Pentaquark composto ? Mais uma classe de hádrons. Em 2019, pensa-se que existem vários.
Graviton elementar (quântico) Albert Einstein (1916) A interpretação de uma onda gravitacional como partículas é controversa.
Monopolo magnético elementar (não classificado) Paul Dirac (1931) não descoberto

Veja também

Referências

Leitura adicional

Leitores gerais
Livros didáticos
  • Coughlan, GD, JE Dodd e BM Gripaios (2006). As Idéias da Física de Partículas: Uma Introdução para Cientistas , 3ª ed. Cambridge Univ. Pressione. Um texto de graduação para aqueles que não se especializam em física.
  • Griffiths, David J. (1987). Introdução às partículas elementares . John Wiley & Sons . ISBN 978-0-471-60386-3.
  • Kane, Gordon L. (1987). Física Moderna de Partículas Elementares . Perseus Books . ISBN 978-0-201-11749-3.

links externos