O Modelo Padrão da Física de
Partículas
Alex Bellucco
Andrey Almeida
Lucélia Letta
Nelson Barrelo
Fonte: Moreira, M.A. O Modelo Padrão da Física de Partículas.
Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 31, n. 1, 1306 (2009)
Modelo ==> Teoria
Identificar partículas básicas e suas formas de
interação
Partículas
Partículas elementares ==> sem estrutura interna:
Léptons: elétron, múon, tau, neutrino do elétron, neutrino do
múon, neutrino do tau e suas respectivas antipartículas. Total:
12.
Quarks (carga fracionária, confinados e não livres): quark up
(u); quark down (d); quark charme (c); quark estranho (s);
quark bottom (b) e quark top(t). Cada um pode ter três cores e
sua respectivfa antipartícula: vermelho, verde e azul. Total:
36.
Hádrons ==> tem estrutura interna:
Bárions:
três quarks ou três antiquarks. Recentemente:
pentaquarks.
Mésons: quark mais um antiquark.
+
Méson  : antiquark (d) + quark (u)
Méson  : antiquark (d) + quark (d)
Interações fundamentais
Interação
Propriedade: Carga
Gravitacional
Massa
Eletromagnética
Elétrica
Forte
Forte
Fraca
Fraca
Forças fundamentais da Natureza
Interação
Força
Gravitacional
Gravitacional
Eletromagnética
Eletromagnética
Forte1
Cor1
Fraca
Fraca
1 – Tanto a interação forte quanto a força de cor podem ser:
a) Fundamentais: é a própria interação ou força;
b) Residuais: resultante de balanços imperfeitos entre as atrações e
repulsões dos quarks. É a “versão“ da força de Van der Waals (que
envolvem balanço de carga nulo) para forças de cor, onde há um
balanço sem cor (hádrons).
Como se dá a interação? O que transmite a informação
de força entre as partículas interagentes?
Partículas mediadoras, de força ou virtuais2
Interação
Partículas Interagentes
Gravitacional
Grávitons (não detectados)
Eletromagnética
Fótons
Forte
Glúons
Fraca
Partículas W e Z (únicas com massa)
2 – Um estado da partícula. Podem não ter massa, mas tem
energia: pulsos de energia. Quanto mais energia, menor é o
tempo de interação. Não fazem “clicks“ no contador Geiger.
E os Campos?

Há quatro campos fundamentais:
Gravitacional, Eletromagnético, Forte e
Fraco.

Busca-se manter as simetrias, ou seja,
existem quatro:
Campos fundamentais;

Cargas;

Interações;
Tipos de partículas mediadoras.


RESUMO!
Aspectos da Teoria
O vácuo não é vazio!
Produção de pares: incerteza na energia maior ou
igual ao dobro da massa do elétron (distância
de 10-11m).
Surge um par Elétron + Pósitron virtual, caso não
haja um suprimento de energia fora do vácuo.
Partícula virtual: é uma partícula “que não
aconteceu“: não tem massa e existe durante um
curto período de tempo em uma pequena região
do espaço (Moreira, 2009, p.3).
Aspectos da Teoria
Partículas Nuas e Vestidas
Exemplo: no vácuo ==> elétron repele os
elétrons virtuais e fica vestido (parcialmente
blindado) pelos pósitrons virtuais, sem distinguir
qual parcela de carga é de qual partícula.
Sem essa nuvem temos o elétron nu, com carga
maior. Por isso, a lei de Coulomb não é válida
para distâncias menores que 10-11m.
Aspectos da Teoria
O Campo e o Bóson
de Higgs
Campo de Higgs ==> mínima
energia em um valor
diferente de zero!
Mais um campo fundamental
com sua partícula mediadora!
Higgs é encontrado
no Atlas
Paradoxo: devido à força fraca
os bósons W e Z deveriam ter
massas elevadas, mas por
questão de simetria essa
propriedade deveria ser nula.
Solução = Massa aparente
(inércia) provinda dos choques
com os bósons de Higgs!
Aspectos da Teoria
O que é massa afinal?
Massa está relacionada ao bóson de Higgs.
'Massa de repouso' e 'massa relativística' é uma terminologia
antiga, do início do século XX, para manter a relação
newtoniana entre momentum, massa e velocidade...
Definição: Massa é... simplemente massa, uma propriedade
intrínseca de certas partículas elementares. Isto se deve ao
campo de Higgs: partícula interagente fica polarizada com
Bósons de Higgs, que lhe dão massa (Moreira, 2009, p6).
Massa e energia são a mesma coisa?
Resposta: 'A energia se conserva. A energia não se transforma em
coisa alguma, são apenas distintas partículas que se
transformam umas em outras. Ou seja, a energia se conserva
mas os portadores de energia, e a forma em que ela aparece, de
fato, mudam... (Moreira, 2009, p.6).
Tostines quebrada!: não é possível transformar matéria em
energia e energia em matéria!
Aspectos da Teoria
A antimatéria
Paul Dirac: pósitron ==> conciliar teoria quântica e relatividade!
Antipartícula: mesma massa e spin. Carga elétrica, números
bariônico, leptônico e assim por diante opostos.
A cada partícula está associada uma antipartícula, que se aniquilam
ao entrar em contato produzindo um fóton.
Partícula neutra (p.e. fóton) ==> partícula = antipartícula.
Assimetria! Mais partículas que antipartículas!
Ainda bem! Universo estável!
Aspectos da Teoria
Simetria CPT (Carga / Paridade / Tempo)
Carga – partícula e antipartícula.
Paridade – reflexão especular ou inversão do espaço em
relação a um ponto (inversão: não mudam as leis. Quebra
nas interações fracas: decaimento radioativo).
Tempo – passar o 'filme' da realidade de trás para frente.
A quebra da simetria CP pode estar relacionada a
existerem mais partículas do que antipartículas.
Se ocorrer violações CPT significativas =
problemas no Modelo Padrão!
Aspectos da Teoria
EDQ e CDQ
Eletrodinâmica quântica (EDQ) = teoria da interações entre
fótons e elétrons.
Cromodinâmica Quântica = teoria das interações entre
glúons e quarks.
Diferenças:
Elétrons são livres, quarks não (confinados nos hádrons,
que são brancos).
Fóton interage com o elétron e este não muda. Quando um
glúon interage com um quark, este último pode mudar sua
cor (vira outro quark).
Aspectos da Teoria
A Matéria Escura
Tudo que é 'visto' no Universo = 5% da massa.
Onde está o restante?
Resposta: 'matéria escura' e 'energia escura'.
É uma Hipótese ==> ligada à expansão (Universo aberto
devido a muita massa) ou contração do Universo (Universo
fechado, devido a pouca massa).
Evidências experimentais: massa crítica ==>
dúvida: vai expandir mesmo?
Quais seriam as partículas? Não poderiam ser os
neutrinos fundamentais (vindos do Big Bang),
que tem massa pequena.
Aspectos da Teoria
A Vento Escuro
Partícula do Modelo Padrão (MP) ==> não respondem a
questão da constituição da matéria escura.
Necessidade de extender esse modelo =
Supersimetria!
Cada partícula do MP corresponde uma 'superparceira'
pesada.
Matéria escura não emite radiação, não perde energia e não se
aglomera.
Movimento das galáxias ==> forma um 'vento
escuro' (um milhão de partículas escuras por
metro quadrado por segundo)
Aspectos da Teoria
Neutrinos Oscilantes
Problema dos neutrinos solares ==> previsão do MP não era
confirmada (um terço do previsto).
Solução: neutrinos mudam de sabor no caminho do Sol até a
Terra.
Esses são os Neutrinos Oscilantes!
Isso modificou o MP! ==> necessidade da massa (pequena)
dos neutrinos.
Problemas no Modelo Padrão!
- Assimetria matéria-antimatéria - simetria CP, com
produção em iguais quantidades;
- A matéria escura e a energia escura - não são
constituídas das partículas do MP;
- O campo de Higgs - MP não explica bem as
particularidades desta interação;
- A gravidade - o gráviton não foi detectado e o MP
não consegue incluir a interação gravitacional
porque ela não tem a mesma estrutura das outras
três interações (Moreira, 2009, p.10);
Nossas Questões!
Com base no Modelo Padrão, explique o
decaimento beta do neutrôn. Qual o
papel desempenhado pela partícula
virtual W- durante este decaimento?
Nossas Questões

Diante do modelo padrão, um tema tão atual na
ciência, de que maneira poderíamos explicar
aos estudantes as novas definições possíveis a
partir deste modelo sem aniquilar as antigas
analogias?
Nossas Questões

O Modelo Padrão prevê teoricamente a existência do
campo e do bóson de Higgs, porém estes nunca
foram observados por nenhuma experiência, algo que
espera-se ocorrer com o funcionamento do LHC. Para
a Física, qual seria a importância da comprovação
experimental desta partícula? O que é o bóson de
Higgs e de quê maneira ele poderia explicar o
conceito de massa? Quais as consequências para a
física e para o modelo padrão se o bóson de Higgs
não se confirmar (não for encontrado ou descobrir-se
sua não existência)?
Nossas Questões!
Leia o seguinte trecho retirado de Moreira (2005):
"De acordo com o chamado mecanismo de Higgs, as partículas W e Z se
chocariam incessantemente com outras partículas presentes em todo
espaço, as partículas de Higgs, que explicariam suas massas. Existiria
um campo de Higgs, fundamentalmente diferente dos demais campos
pois, segundo a teoria, o estado de mínima energia desse campo
ocorreria não quando se anulasse (como é o caso, por exemplo, do
campo eletromagnético) mas em um determinado valor específico
distinto de zero [1]. Consequentemente, um campo de Higgs não-nulo
permeia o Universo, e as partículas estão sempre interagindo com ele,
deslocando-se através dele como pessoas vadeando na água. Essa
interação lhes dá sua massa, sua inércia (ibid., p.62).
Hoje o mecanismo de Higgs é considerado como a origem da massa de
todas as partículas elementares..."
Responda: onde você inseriria a campo e os bósons de Higgs no esquema
apresentado?