O mistério do porquê as partículas da matéria vêm sempre em grupos de três

Por , em 6.04.2020

Aparentemente, a matéria do universo é formada sempre de três ingredientes básicos – elétrons e dois tipos de quarks, o quark up e o quark down. Eles podem se misturar de várias formas para produzir cada átomo que existe.

E essa família de partículas da matéria não é a única por aí no universo: ela é apenas a primeira geração de três, cada uma sucessivamente mais pesada que a outra.

Essas segunda e terceira gerações não podem formar coisas como estrelas ou gatos exóticos, mas se comportam de maneira idêntica à primeira, que forma estrelas e gatos como os conhecemos.

(Caso você não saiba de quais partículas estamos falando, a segunda e terceira geração do elétron são o múon e o tau, a segunda geração de quarks são os quarks charm e strange, e a terceira geração de quarks são os top e bottom.)

Então é isso: é como se as leis da natureza fossem compostas em trios, e não sabemos por quê. Mas os cientistas possuem algumas ideias, é claro.

Modelo Padrão

Na década de 1970, físicos começaram a trabalhar no que é chamado hoje de Modelo Padrão da física de partículas, que descreve partículas elementares e suas interações.

Ainda assim, até hoje ninguém soube explicar por que existem três gerações de cada tipo de partícula de matéria.

Recentemente, o físico ganhador do Nobel Steven Weinberg, um dos “arquitetos” do Modelo Padrão, resolveu retornar a esse quebra-cabeça. Em um artigo publicado na revista científica Physical Review D, ele argumentou que um padrão intrigante nas massas das partículas pode liderar o caminho para finalmente descobrirmos o princípio por trás dessa “triplicidade”.

As massas das três gerações

O Modelo Padrão não prevê a massa de cada partícula; são os físicos que medem esses valores em experimentos e os inserem manualmente nas suas equações.

As medições mostram que o elétron pesa cerca de 0,5 mega-elétron-volts (MeV), enquanto o múon e a partícula tau pesam cerca de 105 e 1.776 MeV, respectivamente.

Da mesma forma, os quarks up e down são relativamente leves, enquanto o charm e o strange são pesos médios, e o top e o bottom são bastante pesados, chegando a 173.210 MeV.

Existe um padrão aí, de alguma forma: as partículas de primeira geração têm cerca de 1 MeV cada, enquanto as da segunda pesam centenas de MeV e as da terceira milhares de MeV.

Nas equações do Modelo Padrão, a massa de cada partícula corresponde ao grau em que ela “sente” um campo que preenche todo o universo, conhecido como campo de Higgs. Por exemplo, os quarks mais pesados experimentariam uma espécie de arrasto intenso ao se moverem pelo campo de Higgs, como uma mosca presa no mel, enquanto os leves elétrons voariam por ele como borboletas no ar.

Campo de Higgs: a chave para a resolução do mistério?

Alguns cientistas pensam que a resposta para entendermos esse padrão triplicado é seguir a massa das partículas.

Comparadas com a massa pesada do quark top, por exemplo, as massas do elétron e de outras partículas parecem “erros aleatórios”. Talvez porque sejam exatamente isso – os cientistas Anthony Zee e Stephen Barr, da Universidade da Califórnia (EUA), já sugeriram que apenas o peso das partículas mais pesadas é “fundamental” em algum sentido.

Outro estudo de 2008 realizado por Patrick Fox e Bogdan Dobrescu argumentou que a massa do quark top é aproximadamente a mesma que a energia média do campo de Higgs, presumindo que somente ele passava pelo campo da maneira padrão.

Neste caso, as outras partículas experimentariam o campo de Higgs indiretamente. Isso é possível porque a incerteza da mecânica quântica permite que as partículas se materializem por breves momentos. Essas “aparições” formariam nuvens de partículas “virtuais” em torno de entidades mais permanentes.

Por exemplo, quando quarks top virtuais se aglomerassem em torno de um múon (uma partícula de segunda geração), poderiam expô-lo ao campo de Higgs por meio de uma interação mútua com uma nova partícula teórica, dando-lhe um pouco de massa. Como essa exposição é indireta, a partícula permanece muito mais leve que o quark top. E assim por diante.

O poder da massa pertence à terceira geração?

O artigo mais recente de Weinberg considera algumas maneiras pelas quais isso poderia acontecer – ou seja, as formas como as partículas mais pesadas poderiam “dar” virtualmente massas menores às de segunda e primeira geração.

O físico concede a capacidade de sentir o campo de Higgs para toda a terceira geração de partículas de matéria (os quarks top e bottom e a partícula tau), sendo que a massa vai diminuindo na segunda e a primeira geração a partir de interações com partículas virtuais exóticas.

Essa linha de pensamento tem diversas falhas, no entanto. Por exemplo, os cientistas que trabalham nela acabam aumentando o número de constantes inexplicáveis no Modelo Padrão, ao invés de diminui-lo.

A proposta de Weinberg também não descreve como as partículas de geração mais alta podem se transformar em partículas de geração mais baixa, o fenômeno que explica por que não vemos átomos feitos de partículas de segunda ou terceira geração.

Provavelmente, essas hipóteses foram publicadas para incentivar novos cientistas a tentar desvendar o mistério, bem como para sinalizar os problemas que eles deverão encontrar, e não se destinam a serem explicações definitivas sobre as massas e proporções entre tais trios.

Caça a partículas

Já outros pesquisadores preferem tomar abordagens diferentes. Mu-Chun Chen, física da Universidade da Califórnia (EUA), por exemplo, pretende explicar as três gerações incorporando o Modelo Padrão em uma estrutura maior, como a teoria das cordas.

Um dos modelos que ela estuda reduz o número de valores fundamentais de massa ao adicionar vários novos campos semelhantes ao de Higgs no universo, embora as partículas exóticas associadas a esses campos hipotéticos sejam muito pesadas para serem testadas experimentalmente, utilizando máquinas como o Grande Colisor de Hádrons.

A única evidência sólida que poderia nos ajudar a resolver o mistério das massas das partículas seria a descoberta de diversas partículas exóticas que cada uma dessas teorias diferentes prevê. O Grande Colisor ainda não obteve sucesso nisso, mas os pesquisadores creem que experimentos que investigam transformações raras de partículas, como o decaimento múon-elétron, têm alguma chance de detectar indiretamente tais partículas.

“Não sabemos se isso faz sentido. Teremos que esperar e ver”, disse Fox. [QuantaMagazine]

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