Os 6 tipos de bósons (e suas características) - Médico - 2023

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Tudo o que acontece no Universo tem sua origem no mundo subatômico. Se quisermos compreender a natureza elementar de tudo, devemos mergulhar nos mistérios da mecânica quântica. E quando se trata da compreensão fundamental das quatro forças do Cosmos, não pode haver exceção. Tudo deve ser explicado do ponto de vista subatômico.

Gravidade, eletromagnetismo, a força nuclear fraca e a força nuclear forte. Essas são as quatro forças fundamentais do Universo. Eles são o pilar do Cosmos. Tudo o que acontece nele responde à aplicação de algumas dessas forças sobre a matéria que nos rodeia. Eles são as forças que controlam tudo.

E, nesse contexto, uma das maiores conquistas da história da física veio quando, na segunda metade do século 20, foi concluído o desenvolvimento do modelo padrão de partículas. Um quadro teórico onde foram descritas não só as partículas que deram forma à matéria, mas também aquelas que, através das interações que realizaram no mundo quântico, permitiram explicar a origem das quatro forças elementares.

Estamos falando sobre bósons. Um dos grupos em que o modelo padrão é dividido (o outro é o de férmions) e onde inclui partículas que exercem forças fundamentais. Eles não compõem a matéria, mas possibilitam a existência de interações. E no artigo de hoje vamos mergulhar em seus mistérios.

Recomendamos a leitura: "O que é o bóson de Higgs?"

O que são bósons?

Bósons são as partículas subatômicas elementares que exercem as forças fundamentais. Em outras palavras, eles são os portadores das quatro interações fundamentais: gravidade, eletromagnetismo, a força nuclear fraca e a força nuclear forte. Eles não compõem a matéria, mas permitem que as forças que governam o comportamento do Universo emergam do mundo quântico.

Como partículas subatômicas, os bósons são unidades indivisíveis encontradas no modelo padrão da física de partículas. Um referencial teórico onde as partículas são divididas em férmions ou bósons dependendo se elas constituem a massa ou se tornam possível a existência de interações elementares, respectivamente.

As partículas subatômicas com as quais estamos mais familiarizados, como os quarks (que dão origem aos prótons e nêutrons) e os elétrons são férmions, não bósons. Mas é nessas partículas bosônicas que a natureza quântica das forças fundamentais e da massa das outras partículas subatômicas está oculta.

Ao contrário dos férmions, os bósons não cumprem o princípio de exclusão de PauliPortanto, dentro do mesmo sistema quântico, dois bósons podem ter todos os seus números quânticos idênticos.Ou seja, dois bósons podem ter o mesmo estado quântico, o que não ocorre com as partículas fermiônicas que constituem, por exemplo, os átomos da matéria.

Seja como for, os bósons são o pilar das forças universais, sendo responsáveis pelas interações que culminam na existência da gravidade (embora tenhamos que fazer questão mais tarde), do eletromagnetismo, da força nuclear fraca, da força força nuclear e a massa da matéria.

Para saber mais: "As 4 forças fundamentais do Universo (e suas características)"

Como os bósons são classificados?

Como nós vimos, bósons são as partículas subatômicas que não constituem os blocos de construção elementares da matéria, mas que explicam a existência quântica das forças fundamentais do universo. Antes de começarmos, deve ficar claro que existem dois grupos principais de bósons: bósons de calibre (responsáveis pelas quatro forças) e escalares (por enquanto, apenas o bóson de Higgs está incluído). Com isso dito, vamos começar.

1. Fótons

Os fótons são um tipo de bósons sem massa sem carga elétrica. Eles são as partículas subatômicas dentro do grupo de bósons de Gauge responsáveis pela existência da força eletromagnética. Os fótons possibilitam a existência de campos magnéticos.

Também podemos entender os fótons como "as partículas de luz", portanto, além de possibilitarem o eletromagnetismo, permitem a existência do espectro de ondas onde se encontram a luz visível, microondas, infravermelho, raios gama, ultravioleta etc.

A força eletromagnética, que é transportada por esses fótons, é a força elementar de interação que ocorre entre partículas eletricamente carregadas positiva ou negativamente. Todas as partículas eletricamente carregadas experimentam essa força, que se manifesta por uma atração (se forem de carga diferente) ou uma repulsão (se tiverem a mesma carga).

O magnetismo e a eletricidade estão ligados por meio dessa força mediada por fótons, que é responsável por inúmeros eventos. Já que os elétrons orbitam ao redor do átomo (os prótons têm carga positiva e os elétrons, carga negativa), o relâmpago da tempestade. Os fótons possibilitam a existência do eletromagnetismo.

2. Gluons

Os glúons são um tipo de bóson sem massa e sem carga elétrica, mas com uma carga colorida (um tipo de simetria de calibre), portanto, não apenas transmite uma força, mas também a experimenta a si mesmo.

Seja como for, o importante é que glúons são responsáveis pela forte força nuclear. Os glúons possibilitam a existência daquela que é a força mais forte de todas. Apesar da redundância. E é uma força que permite que a matéria exista.

Os glúons são as partículas portadoras da interação que constitui a "cola" dos átomos. A força nuclear forte permite que prótons e nêutrons se unam (por meio da interação mais forte do Universo), mantendo assim a integridade do núcleo atômico.

Está partículas gluônicas transmitem uma força 100 vezes mais forte do que a transmitida pelos fótons (eletromagnética) e de menor alcance, mas o suficiente para evitar que os prótons, que têm carga positiva, se repelam. Os glúons garantem que, apesar das repulsões eletromagnéticas, os prótons e nêutrons permaneçam presos ao núcleo do átomo.

Recomendamos que você leia: "Os 12 tipos de férmions (e suas características)"

3. Bósons Z

Bósons Z são um tipo de bósons muito massivos que, juntamente com W, são responsáveis por mediar a força nuclear fraca. Ao contrário de Ws, os bósons Z são eletricamente neutros e um pouco mais massivos do que eles. Mesmo assim, e apesar de aqui os diferenciarmos, pois contribuem para a mesma força, muitas vezes são discutidos em conjunto.

A força nuclear fraca é aquela que atua no nível do núcleo atômico, mas recebe esse nome por ser menos intensa do que a força forte que vimos antes. Os bósons Z e W são as partículas que possibilitam a existência dessa força que permite que prótons, nêutrons e elétrons se desintegrem em outras partículas subatômicas.

Esses bósons Z e W estimulam uma interação que faz com que os neutrinos (um tipo de férmion da família dos leptons), ao se aproximarem de um nêutron (uma partícula subatômica composta por três quarks, férmions diferentes dos leptons), se tornem um próton.

Mais tecnicamente, os bósons Z e W são os portadores da força que permite o decaimento beta dos nêutrons. Esses bósons se movem do neutrino para o nêutron. Existe a interação nuclear fraca, pois o nêutron (do núcleo) atrai (menos intensamente que no nuclear) o bóson Z ou W do neutrino. E o neutrino, perdendo um bóson, torna-se um elétron. E o nêutron, ao ganhar um bóson, torna-se um elétron. Esta é a base da força nuclear fraca.

4. Bósons W

Os bósons W são um tipo de bósons muito massivo que, como os bósons Z, são responsáveis pela força nuclear fraca. Eles têm uma massa ligeiramente menor do que os bósons Z e, ao contrário dos bósons Z, não são eletricamente neutros. Temos bósons W com carga positiva (W +) e com carga negativa (W-). Mas, no final das contas, seu papel é o mesmo dos bósons Z, uma vez que eles carregam a mesma interação que acabamos de detalhar.

5. Bóson de Higgs

Acabamos com os bósons de calibre e vamos falar sobre o único bóson escalar (com um spin de 0) descoberto até agora: o famoso bóson de Higgs. A descoberta do bóson de Higgs em 2012 foi tão importante porque a detecção dessa partícula do bóson foi a prova de que o campo de Higgs existia.

Ou seja, o importante não era a própria partícula (o bóson), mas sim confirmar a existência do campo associado. O campo de Higgs é um campo quântico, uma espécie de tecido que permeia todo o Universo e se estende por todo o espaço, dando origem a um meio que interage com os campos do resto das partículas do modelo padrão, fornecendo-lhes massa.

A descoberta do bóson de Higgs nos permitiu entender a origem fundamental da massa. Ou seja, entenda de onde vem a massa de matéria. E é que a massa seria o resultado da desaceleração das partículas dentro deste oceano que constitui o campo de Higgs.

A massa, então, não é uma propriedade intrínseca da matéria. É uma propriedade extrínseca que depende do grau em que uma partícula é afetada pelo campo de Higgs. Aqueles com maior afinidade para este campo serão os mais massivos (como quarks); enquanto aqueles com menos afinidade serão os menos massivos. Se um fóton não tem massa, é porque ele não interage com este campo de Higgs.

O bóson de Higgs é uma partícula sem spin ou carga elétrica, com meia-vida de um zeptosegundo (um bilionésimo de segundo) e que pode ser detectada pela excitação do campo de Higgs, algo que foi conseguido graças ao Large Hadron Collider, onde levou três anos de experimentos colidindo 40 milhões de partículas por segundo perto da velocidade da luz para perturbar o campo de Higgs e medir a presença do que mais tarde foi chamado de "A partícula de Deus". O bóson de Higgs é a partícula instável que nos permite entender a origem da massa da matéria.

6. Graviton?

Até agora, entendemos a origem quântica, por meio de suas partículas mediadoras, da massa da matéria e de três das quatro forças fundamentais. Só falta um. A gravidade. E aí vem um dos maiores problemas que a física enfrenta hoje. Não encontramos o bóson responsável pela interação gravitacional.

Não sabemos qual partícula é o portador de uma força tão fraca, mas de um alcance tão enorme, permitindo a atração entre galáxias separadas por milhões de anos-luz. A gravidade não se encaixa, por enquanto, no modelo padrão de partículas. Mas deve haver algo que transmita gravidade. Um bóson que medeia a gravidade.

Por ele, físicos vão em busca do que já foi apelidado de gráviton, uma partícula subatômica hipotética que permite explicar a origem quântica da gravidade e, finalmente, unificar as quatro forças fundamentais dentro do arcabouço teórico da mecânica quântica. Mas, por enquanto, se esse gráviton existe, não podemos encontrá-lo.

Recomendamos a leitura: “O que é gravidade quântica em loop? Definição e princípios "