Para muitas pessoas, a questão é, porque precisamos de quarks? Isto aparece muito, especialmente quando as pessoas aprendem que os quarks não podem ser separados uns dos outros e por isso nunca vimos um por si só. As partículas elementares como prótons e nêutrons não são suficientes? Por que precisamos separá-los ainda mais, para entender o universo?

A Poesia do Quark

Os primeiros problemas com o que eram consideradas partículas “fundamentais” começaram a surgir nos anos 60, quando cientistas disparando elétrons sobre a matéria os viram desviar-se em diferentes direções, aparentemente sem nenhuma razão. Observando como e quando os elétrons mudaram de direção, os cientistas concluíram que o núcleo tinha que ser composto de partes menores, algumas das quais os elétrons estavam “correndo para dentro”. Estas partes eram menores que os prótons que os cientistas sabiam que estavam nos núcleos atómicos. As partes, eles perceberam, tinham que estar dentro dos próprios prótons.

Esta era uma boa notícia para os cientistas que tinham tentado simplificar o que tinha vindo a ser conhecido como um “zoológico” de partículas. No início da década, dois físicos diferentes, George Zweig e Murray Gell-Man, primeiro especularam que as partículas não eram elementares, mas eram compostas de diferentes partículas que carregavam ou um terço ou dois terços da carga de qualquer uma das partículas. Ambos surgiram com a ideia de três partículas elementares muito básicas que comporiam muitas das partículas que tão profundamente proliferaram na física. Zweig nomeou as partículas de “ases”. Gell-Man chamou-as de “quarks”, depois de uma leitura de James Joyce’s Finnegans Wake e do poema sem sentido, “Three quarks for Muster Mark” (Três quarks para Muster Mark). Ela ajudou a colocar as muitas partículas subatômicas diferentes em contexto. Em vez de um número desconcertante de partículas elementares com propriedades diferentes, havia apenas três, cuja combinação constituía a variedade de partículas que os cientistas tinham vindo a descobrir. Era um pouco como a percepção de que as muitas substâncias no mundo podiam ser entendidas como combinações de um número relativamente pequeno de átomos. Duas combinações diferentes de quarks poderiam constituir um próton ou um nêutron da mesma forma que duas combinações diferentes de átomos de hidrogênio e oxigênio poderiam constituir uma água ou um ácido. O único problema era que ninguém tinha qualquer evidência de que os quarks existiam – até que algo dentro dos prótons começou a fazer com que os elétrons se afastassem em direções aleatórias. Quando os elétrons se espalharam, a teoria aparentemente supérflua foi confirmada.

Over as décadas seguintes, mais quarks foram adicionados ao sistema simplificado, elevando o número de quarks para seis. As pessoas descobriram porque não tínhamos encontrado nenhum quarks por conta própria. A força que os une em pares ou em três torna-se mais forte à medida que se afastam uns dos outros, como uma faixa elástica. Apenas eventos de energia incrivelmente alta podem separá-los mesmo por um curto período de tempo. Os quarks também podem mudar o “sabor”. Embora ninguém até hoje tenha “visto” um quark por si só, os resultados experimentais e as propriedades observadas das partículas coincidem tão perfeitamente com a teoria da sua existência, e não coincidem tão bem com qualquer outra teoria, que os cientistas estão satisfeitos com a sua existência. Eles explicam muitas coisas muito bem demais para não estarem lá em algum lugar.

As Cores e os Sabores

O nome “quark” vem de um poema sem sentido, o que é justo – mas um olhar rápido para um resumo das suas propriedades faz parecer que o sem sentido não termina no nome. Eles vêm em “sabores”, o que, como não podem ser degustados, não significa nada. Eles têm cores, e o estudo deles é chamado de cromodinâmica quântica, mas é claro que os não têm nenhuma cor que possamos realmente ver. Quais são estas propriedades estranhas e porque é que têm de ser nomeadas em propriedades que não têm?

Como dito anteriormente, os quarks não são encontrados por si só. Eles vagueiam aos pares, e certos pares sempre se juntam. Os pares são os seguintes, para cima e para baixo, charme e estranho, de cima e de baixo. O primeiro quark mencionado em cada um destes pares tinha uma carga de dois terços de uma unidade de carga de prótons. O segundo quark em cada par tem uma carga de um terço negativo. Na teoria original, dois quarks para cima e um quark para baixo somam para fazer uma carga de um positivo – ou um próton. Dois quarks para baixo e um para cima têm cargas que somam até zero, e fazem nêutrons. Mas se três quarks têm cargas positivas de dois terços e três quarks têm cargas negativas de um terço, então por que não há apenas dois quarks no total? Qual é a diferença? Cada um dos quarks tem apenas massas ligeiramente diferentes. É por isso que os prótons e os nêutrons, quando estudados, foram encontrados com massas ligeiramente diferentes. A combinação diferente de quarks deu-lhes uma massa diferente. Esta combinação de carga e massa, assim como mais algumas qualidades esotéricas, compõem o “sabor” de cada quark. Quanto ao motivo pelo qual eles não podem ser chamados apenas de ”tipos” – talvez devêssemos perguntar a James Joyce.

Cores são outra reviravolta nos quarks. Eles são uma combinação de necessidade teórica e evidência experimental. Os quarks são espremidos num espaço muito pequeno, e o Princípio de Exclusão Pauli afirma que não podem existir duas partículas no mesmo estado ao mesmo tempo. Dois quarks acima não devem ser capazes de se sentar no mesmo próton. Alguma coisa precisava ser diferente. Introduza as “cores” dos quarks. Os quarks azuis, vermelhos e verdes existem em cada sabor. Eles se juntam para formar partículas incolores – análogas à maneira como muitas luzes coloridas diferentes se misturam para formar uma luz branca incolor. Isto pode ter sido considerado apenas um fator de fudge para a física, mas colisões experimentais de elétrons e antiprotões indicaram que existem três vezes mais tipos de quarks do que os que seriam baseados apenas em ”sabores”’

No final, os quarks são tão misteriosos porque suas propriedades não são nada parecidas com o que experimentamos no mundo macro, e ainda assim eles são nomeados por propriedades com as quais estamos perfeitamente familiarizados. Traduzir entre uma cor como a vemos e uma cor, como em um modo de ser ditado por resultados matemáticos e experimentais, é desorientador. A melhor maneira de entender os quarks é entender que, ao invés de serem exóticos, eles servem como uma forma de organizar e simplificar o mundo subatômico em expansão. Eles são uma espécie de tabela periódica de elementos – para os elementos. Será que os cientistas encontrarão algo menor? Quem sabe, mas se encontrarem, esperemos que lhe dêem o nome de algo de Jabberwocky. Gostaria de ver uma palestra de física sobre “mome raths”

Top Image: Yarnalgo
Partícula Imagem: Io9
Tábua de Quarks: MissMJ

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Via NASA duas vezes, Hiperfísica três vezes, Aventura de Partículas, e Duke.

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