Toda a natureza brota de um punhado de componentes – as partículas fundamentais – que interagem umas com as outras apenas de algumas formas diferentes. Na década de 1970, os físicos desenvolveram um conjunto de equações que descrevem estas partículas e interacções. Juntas, as equações formaram uma teoria sucinta agora conhecida como Modelo Padrão da física de partículas.
O Modelo Padrão está a faltar algumas peças do puzzle (manifestamente ausentes são as putativas partículas que compõem a matéria escura, aquelas que transmitem a força da gravidade, e uma explicação para a massa de neutrinos), mas fornece uma imagem extremamente precisa de quase todos os outros fenómenos observados.
Yet para uma estrutura que encapsula a nossa melhor compreensão da ordem fundamental da natureza, o Modelo Padrão ainda carece de uma visualização coerente. A maioria das tentativas são demasiado simples, ou ignoram interligações importantes ou são misturadas e esmagadoras.
Considerar a visualização mais comum, que mostra uma tabela periódica de partículas:
Esta abordagem não oferece uma visão das relações entre as partículas. As partículas portadoras de força (nomeadamente o fotão, que transmite a força electromagnética; os bósons W e Z, que transmitem a força fraca; e os gluons, que transmitem a força forte) são colocados em pé de igualdade com as partículas de matéria que essas forças actuam entre – quarks, electrões e os seus parentes. Além disso, propriedades chave como “cor” são deixadas de fora.
A outra representação foi desenvolvida para o filme Febre das Partículas de 2013:
Embora esta visualização enfatize devidamente a centralidade do bóson Higgs – o linchpin do Modelo Standard, por razões explicadas abaixo – o Higgs é colocado ao lado do fotão e do gluon, embora na realidade o Higgs não afecte essas partículas. E os quadrantes do círculo são enganadores – implicando, por exemplo, que o fotão apenas se junta às partículas em que toca, o que não é o caso.
Uma Nova Abordagem
Chris Quigg, um físico de partículas no Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi em Illinois, tem pensado há décadas sobre como visualizar o Modelo Padrão, esperando que uma representação visual mais poderosa ajudasse a familiarizar as pessoas com as partículas conhecidas da natureza e as levasse a pensar sobre como essas partículas poderiam encaixar num quadro teórico maior e mais completo. A representação visual de Quigg mostra mais da ordem e estrutura subjacente ao Modelo Standard. Ele chama ao seu esquema a representação do “duplo simplex”, porque as partículas da natureza canhotas e direitas formam cada uma delas um simplex – uma generalização de um triângulo. Adoptámos o esquema de Quigg e fizemos mais modificações.
P>Vamos construir o duplo simplex a partir do zero.
Quarks at the Bottom
Matéria partículas vêm em duas variedades principais, leptões e quarks. (Note-se que, para cada tipo de partícula de matéria na natureza, existe também uma partícula de antimatéria, que tem a mesma massa mas é oposta em todos os outros sentidos. Tal como outras visualizações do Modelo Standard, elidimos a antimatéria, que formaria um duplo simplex invertido separado.)
Comecemos pelos quarks, e em particular os dois tipos de quarks que compõem os prótons e os neutrões dentro dos núcleos atómicos. Estes são o quark superior, que possui dois terços de uma unidade de carga eléctrica, e o quark inferior, com uma carga eléctrica de -1/3.
Os quarks para cima e para baixo podem ser ou “esquerdinos” ou “destros”, dependendo se estão a rodar no sentido dos ponteiros do relógio ou anti-horário em relação à sua direcção de movimento.
Mudança de fraqueza
Os quarks para cima e para baixo podem transformar-se uns nos outros, através de uma interacção chamada força fraca. Isto acontece quando os quarks trocam uma partícula chamada boson W – um dos portadores da força fraca, com uma carga eléctrica de +1 ou -1. Estas interacções fracas são representadas pela linha laranja:
Estranhamente, não há bósons W destros na natureza. Isto significa que os quarks de direita para cima e para baixo não podem emitir ou absorver os bósons W, pelo que não se transformam uns nos outros.
Cores fortes
As marcas também possuem um tipo de carga chamada cor. Uma quark pode ter ou uma carga de cor vermelha, verde ou azul. A cor de uma quark torna-a sensível à força forte.
A força forte une quarks de diferentes cores em partículas compostas tais como prótons e neutrões, que são “incolores”, sem carga de cor líquida.
As quarks transformam-se de uma cor para outra através da absorção ou emissão de partículas chamadas gluões, os portadores da força forte. Estas interacções formam os lados de um triângulo. Como os gluões possuem eles próprios uma carga de cor, interagem constantemente uns com os outros, bem como com os quarks. As interacções entre os gluões preenchem o triângulo em.