Modelo padrão. Que nome estúpido para a teoria científica mais precisa conhecida pela humanidade. Mais de um quarto dos prêmios Nobel de física do século passado foram concedidos a trabalhos que estavam direta ou indiretamente relacionados ao Modelo Padrão. O nome dela, é claro, é como se você pudesse comprar uma reforma por algumas centenas de rublos. Qualquer físico teórico preferiria a “incrível teoria de quase tudo”, o que realmente é.
Muitos se lembram da empolgação entre os cientistas e a mídia com a descoberta do bóson de Higgs em 2012. Mas sua descoberta não foi uma surpresa e não veio do nada - ela marcou o 50º aniversário da série de vitórias do Modelo Padrão. Inclui todas as forças fundamentais, exceto a gravidade. Qualquer tentativa de refutá-la e demonstrar em laboratório que precisava ser totalmente retrabalhada - e foram muitas - falhou.
Em suma, o Modelo Padrão responde a esta pergunta: do que tudo é feito e como tudo se encaixa?
Os menores blocos de construção
Os físicos adoram coisas simples. Eles querem quebrar tudo até o seu âmago, para encontrar os blocos de construção mais básicos. Não é tão fácil fazer isso na presença de centenas de elementos químicos. Nossos ancestrais acreditavam que tudo consiste em cinco elementos - terra, água, fogo, ar e éter. Cinco é muito mais simples do que cento e dezoito. E também errado. Você certamente sabe que o mundo ao nosso redor é feito de moléculas e as moléculas são feitas de átomos. O químico Dmitry Mendeleev descobriu isso na década de 1860 e apresentou os átomos na tabela dos elementos, que é estudada na escola hoje. Mas existem 118 desses elementos químicos: antimônio, arsênio, alumínio, selênio … e mais 114.
Em 1932, os cientistas sabiam que todos esses átomos são compostos de apenas três partículas - nêutrons, prótons e elétrons. Nêutrons e prótons estão intimamente relacionados entre si no núcleo. Elétrons, milhares de vezes mais leves do que eles, circulam em torno do núcleo a uma velocidade próxima à da luz. Os físicos Planck, Bohr, Schrödinger, Heisenberg e outros introduziram uma nova ciência - a mecânica quântica - para explicar esse movimento.
Seria ótimo parar por aí. Apenas três partículas. É ainda mais fácil do que cinco. Mas como eles ficam juntos? Elétrons com carga negativa e prótons com carga positiva são mantidos juntos pelas forças do eletromagnetismo. Mas os prótons estão saltando no núcleo e suas cargas positivas devem afastá-los. Mesmo nêutrons neutros não vão ajudar.
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O que une esses prótons e nêutrons? "Intervenção divina"? Mas mesmo um ser divino teria problemas para rastrear cada um dos 1080 prótons e nêutrons no universo, mantendo-os pela força de vontade.
Expandindo o zoológico de partículas
Enquanto isso, a natureza se recusa desesperadamente a armazenar apenas três partículas em seu zoológico. Mesmo quatro, porque precisamos explicar o fóton, a partícula de luz descrita por Einstein. Quatro se transformaram em cinco quando Anderson mediu elétrons carregados positivamente - pósitrons - que atingiram a Terra vindos do espaço sideral. Cinco se tornou seis quando a peônia segurando o núcleo como um todo e prevista por Yukawa foi descoberta.
Então o múon apareceu - 200 vezes mais pesado que o elétron, mas fora isso seu gêmeo. Já são sete. Não tão fácil.
Na década de 1960, havia centenas de partículas "fundamentais". Em vez de uma tabela periódica bem organizada, havia apenas longas listas de bárions (partículas pesadas como prótons e nêutrons), mésons (como píons Yukawa) e léptons (partículas leves como elétrons e neutrinos elusivos), sem qualquer organização ou princípios de design.
E neste abismo nasceu o Modelo Padrão. Não houve insight. Arquimedes não pulou do banheiro gritando "Eureca!" Não, em vez disso, em meados da década de 1960, algumas pessoas inteligentes fizeram suposições importantes que transformaram esse atoleiro, primeiro em uma teoria simples e depois em cinquenta anos de testes experimentais e desenvolvimento teórico.
Quarks. Eles têm seis opções que chamamos de sabores. Como flores, mas com um cheiro não tão saboroso. Em vez de rosas, lírios e alfazema, subimos e descemos, quarks estranhos e encantadores, adoráveis e verdadeiros. Em 1964, Gell-Mann e Zweig nos ensinaram como misturar três quarks para fazer um bárion. Um próton é dois quark up e um down; nêutron - dois inferiores e um superior. Pegue um quark e um antiquark - pegue um meson. Uma peônia é um quark up ou down associado a um antiquark up ou down. Todo o assunto com o qual estamos lidando consiste em quarks up e down, antiquarks e elétrons.
Simplicidade. Não exatamente simplicidade, porque manter os quarks limitados não é fácil. Eles se unem tão fortemente que você nunca encontrará um quark ou antiquark vagando por conta própria. A teoria dessa conexão e as partículas que dela fazem parte, a saber, os glúons, são chamadas de cromodinâmica quântica. Essa é uma parte importante do Modelo Padrão, matematicamente complexa e, em alguns lugares, até insolúvel para a matemática básica. Os físicos fazem o possível para fazer cálculos, mas às vezes o aparato matemático não é suficientemente desenvolvido.
Outro aspecto do modelo padrão é o "modelo lepton". Este é o título de um artigo marcante de 1967 de Steven Weinberg que combinou a mecânica quântica com o conhecimento essencial de como as partículas interagem e as organizam em uma teoria unificada. Ele ativou o eletromagnetismo, associou-o a uma "força fraca" que leva a certos decaimentos radioativos, e explicou que se trata de diferentes manifestações da mesma força. O mecanismo de Higgs foi incluído neste modelo, dando massa às partículas fundamentais.
Desde então, o Modelo Padrão tem previsto resultados de experimentos após resultados, incluindo a descoberta de diversas variedades de quarks e bósons W e Z - partículas pesadas que, em interações fracas, desempenham o mesmo papel que um fóton no eletromagnetismo. A possibilidade de os neutrinos terem massa foi perdida na década de 1960, mas foi confirmada pelo Modelo Padrão na década de 1990, várias décadas depois.
A descoberta do bóson de Higgs em 2012, há muito previsto pelo Modelo Padrão e muito aguardado, não foi uma surpresa, no entanto. Mas foi outra grande vitória do Modelo Padrão sobre as forças obscuras que os físicos de partículas regularmente esperam no horizonte. Os físicos não gostam que o Modelo Padrão não corresponda às suas idéias de um modelo simples, eles estão preocupados com sua inconsistência matemática, e também estão procurando maneiras de incluir a gravidade na equação. Obviamente, isso se traduz em diferentes teorias da física, que podem ser posteriores ao Modelo Padrão. Foi assim que surgiram as teorias da grande unificação, a supersimetria, a tecnocolor e a teoria das cordas.
Infelizmente, as teorias fora do Modelo Padrão não encontraram evidências experimentais bem-sucedidas e nenhuma falha importante no Modelo Padrão. Cinquenta anos depois, é o Modelo Padrão que mais se aproxima de uma teoria de tudo. Teoria incrível de quase tudo.
Ilya Khel
