Interação Colorida No Mundo Dos Quarks

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○ T rês interações da natureza, a observados experimentalmente (o forte, a fraca e a eletromagpróton e o nêutron são os mais nética, são descritas por uma conhecidos, mas há centenas deles). teoria chamada de Modelo Padrão Contudo, no fim dessa década, (MP), desenvolvido ao longo das experimentos no acelerador de Stanúltimas quatro décadas. A quarta ford, nos Estados Unidos, onde eléinteração, a gravitacional, é descrita trons de alta energia eram espalhapela Teoria da Relatividade Geral dos por prótons, indicavam que formulada por Albert Einstein em estes eram constituídos por objetos 1915. Uma característica das intepuntiformes e “quase” livres, ou rações eletromagnéticas e gravitaseja, não interagiam entre si como cionais, que não é compartilhada o fazem as partículas com cargas pelas outras duas, elétricas ou objetos Quarks foram propostos no é que são de longo com massa. Esse começo dos anos 60 para alcance. Isso sigcomportamento classificar os hádrons nifica que elas são tinha sido previsto observados experimental“sentidas” a qualpor J.D. Bjorken, e mente. Contudo, no fim quer distância das R. Feymann chadessa década, experimentos fontes: a carga elémou esses objetos indicavam que estes eram trica na primeira e de partons. Os fíconstituídos por objetos a massa, a energia sicos experimenpuntiformes e “quase” e a pressão na setais J.I. Friedman, livres, ou seja, não gunda. Mas, H.W. Kendall e R.E. interagiam entre si como o quanto mais longe Taylor ganharam o fazem as partículas com das fontes, menor prêmio Nobel de cargas elétricas ou objetos com massa o seu efeito. Isso é Física de 1990 por conseqüência da esta descoberta. bem conhecida lei do inverso do Nos anos seguintes tornou-se claro quadrado dos respectivos potenque alguns partons eram os quarks, ciais. mas que havia outros como, por Os “blocos fundamentais” com exemplo, os glúons (as partículas os quais se constrói o MP são os mediadoras da interação forte). quarks e os léptons. Essas partículas Assim, começava a se vislumforam descobertas, ao longo das brar o fato de que os prótons, últimas décadas, em diversos labonêutrons e todos os outros hádrons ratórios do mundo. Os primeiros são compostos principalmente de quarks, u (up), d (down) e s (strange) quarks e glúons. Por outro lado, os foram propostos no começo dos léptons, como o elétron, não têm anos 60 para classificar os hádrons estrutura e não sentem a interação Física na Escola, v. 5, n. 2, 2004 Prêmio Nobel de Física 2004 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ Vicente Pleitez Instituto de Física Teórica/UNESP ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ Corria a década de 1960, e, de repente, as notícias a respeito de novas partículas tornouse tão parte do cotidiano que os jornais estranhavam a falta da descoberta de uma partícula diferente em uma dada semana. Deste então a proposta da existência de quarks já era seriamente considerada pelos cientistas, mas uma questão permeceu por décadas: por quê léptons não sentiam a interação forte? A resposta a essa questão foi esclarecida pela descoberta da liberdade assintótica e rendeu a seus propositores o Prêmio Nobel de Física de 2004. 31 forte. Para se chegar a essa conclurenormalização foi proposto. Segunmento do valor desta carga quando são foi muito importante a descodo este esquema, re-definindo se aumentava a energia, ou equiberta da liberdade assintótica por apropriadamente alguns parâmevalentemente, a distância, de onde David J. Gross da Universidade de tros, como a carga e a massa do elémedimos a carga, era encurtada. Por Princeton, e seu então estudante de tron, é possível obter resultados exemplo, definindo a chamada consdoutorado Frank Wilczek e, indefinitos que coincidem com grande tante de estrutura fina, α, (em unipendentemente, por precisão com os dades apropriadas com h/2π = c = Se medimos a carga do H. David Politzer da resultados experi1) como elétron longe dele (o que Universidade de mentais. O preço faz a maioria dos físicos e Harvard. Por isso, a pagar é que a , (1) engenheiros) a carga tem os três comparticarga e a massa um valor, que é aquele lharam o prêmio “renormalizadas” obtém-se um valor experimental citado nos livros. Mas se Nobel de Física de são agora parâaproximado de 1/137 que é consismedimos a carga do elétron 2004. Esta pro metros livres, que tente com o valor da carga elétrica, “bem perto dele” medimos priedade, aparentedevem ser detere, mencionado acima. Contudo, esse um valor maior mente contraditóminados experivalor corresponde a distâncias granria, estabelece que quanto mais mentalmente. A altas energias, ou des (baixas energias) típicas da próximos os quarks estão uns dos pequenas distâncias, a massa do elémaioria dos fenômenos físicos maoutros, mais fraca é a força entre tron pode ser desprezada. Isso pacroscópicos, como os encontrados eles. Quando estão extremamente receria indicar que nessa situação a nos aparelhos eletrodomésticos, dispróximos comportam-se como parteoria não teria nenhuma escala de positivos opto-eletrônicos etc. No tículas livres (daí a expressão libermassa ou energia. Contudo, o entanto, para distâncias tão pedade assintótica). formalismo da renormalização imquenas como aquelas atingidas na A baixas energias típicas da plica a necessidade de introduzir colisão de elétrons e pósitrons (a Física Atômica (keV) 1 e Nuclear uma escala de energia arbitrária, antipartícula do elétron), o valor de isto é, o seu valor não importa do (MeV), a interação eletromagnética α encontra-se próximo de 1/128, ponto de vista físico. Isso quer dizer é descrita de maneira muito precisa diferente do valor acima. Basique o cálculo não deve depender da pela Eletrodinâmica Quântica ou camente, isso quer dizer que se meescolha que se faça para essa escala QED pela sigla em inglês. Esta teoria dimos a carga do elétron longe dele de energia. Matematicamente, essa descreve a interação dos fótons com (o que faz a maioria dos físicos e invariância sob a escolha dessa as partículas eletricamente carreengenheiros) a carga tem um valor, escala de energia é descrita pela gadas, como o elétron. A intensidaque é aquele citado nos livros. Mas chamada equação do grupo de renorde desta interação é caracterizada se medimos a carga do elétron “bem malização intro pelo valor da carga elétrica elemenperto dele” meduzida em 1953 tar do elétron: -e, ou a do próton dimos um valor Quanto mais próximos os por A. Petermann e +e. A carga elétrica, portanto, maior. quarks estão uns dos outros, E. Stückelberg e determina quão forte é essa interaNo inicio dos mais fraca é a força entre também, em 1954, ção, e é definida como a constante anos 70, alguns fíeles. Quando estão extremamente próximos comporpelos físicos Murde acoplamento da QED. Desde os sicos conheciam tam-se como partículas ray Gell-Mann e anos 30, sabia-se que quando se uma classe de teolivres (daí a expressão Francis Low. realizavam cálculos mais precisos de rias em que era liberdade assintótica) Que conseseções de choque de espalhamento possível definir qüências têm tudo entre partículas carregadas, obtiuma carga equivaisso? Bom, acontece que aparece nham-se resultados inconsistentes: lente àquela da teoria QED, que ao uma dependência do valor da carga infinitos! Os problemas principais contrário da carga elétrica, diminuielétrica com a distância ou, o que é apareciam quando a energia era ria com a distância. Foram, no eno mesmo, com a energia. Lembremuito alta, que corresponde, seguntanto, os ganhadores do Nobel deste mos que no sistema de unidades do as leis da Física Quântica, a disano que criaram uma teoria deste internacional (SI), a carga do elétron tâncias pequenas. Uma boa teoria tipo, a Cromodinâmica Quântica tem o valor |e| ≈ 1.602 x 10-19 C. deveria produzir resultados numé(QCD na sigla em inglês), que desricos, de maneira a comparar com No entanto, já no fim dos anos 40, creve a interação entre quarks e os dados experimentais. Esse problealguns físicos, tinham mostrado glúons, responsável por manter ma foi resolvido em 1949 quando que efeitos de natureza quântica e estas partículas confinadas no inum procedimento chamado de relativística provocam o cresciterior dos hádrons. Esta teoria 32 Prêmio Nobel de Física 2004 Física na Escola, v. 5, n. 2, 2004 pressupõe que os quarks e glúons firmação experimental da QCD possuam uma carga de cor (na como a teoria que descreve as ausência de outra nomenclatura). interações entre quarks e glúons e Daí o nome de inque é responsável A descoberta da liberdade teração colorida. pela ligação destes assintótica que levou a se Podemos denos hádrons. A baipropor as Teorias de Grande finir neste caso xas energias, onde Unificação, nas quais as três um parâmetro g s essas interações são interações, forte, fraca e fortes, o estudo dos onde o índice ineletromagnética seriam processos envolvidica o tipo de fordescritas por uma mesma dos ainda é pesquiça considerada, no teoria com apenas uma sa de fronteira da caso strong (forconstante de acoplamento Física Nuclear e das te), similar à carga partículas elementares. Uma proelétrica, e uma constante adimenpriedade complementar à liberdade sional α s, correspondente à a da assintótica é o confinamento dos QED definida na Eq. (1), como quarks e glúons. Eles nunca foram observados isoladamente e supõe. (2) se que, como a baixas energias a interação colorida é muito intensa, Se a uma energia baixa, por o que levaria ao confinamento de exemplo, alguns MeV, αs tem um quarks e glúons. Até o presente, não valor grande, e nesse caso não existe prova rigorosa do confinapodemos usar o mesmo método da mento. QED, ou seja, cálculos perturFinalmente, devemos mencionar bativos, mas numa energia maior, que foi a descoberta da liberdade asda ordem de GeV, típica de grandes sintótica que levou a se propor as aceleradores, o valor de αs é bem Teorias de Grande Unificação, nas menor. Na Fig. 1, apresentamos quais as três interações, forte, fraca valores experimentais de αs, definida e eletromagnética seriam descritas na Eq. (2), em função da energia que por uma mesma teoria com apenas coincidem com a previsão da QCD. uma constante de acoplamento. Na Essa é a essência da liberdade assinFig. 2, pode-se apreciar a evolução tótica: a interação forte é realmente da constante de acoplamento. Ela forte - a baixas energias, tornandodiminui no caso da interação forte se menos intensa, ou mais “fraca” (liberdade assintótica) enquanto que a altas energias. A característica aumenta para a chave da QCD que interação fraca e a diferencia da QED Foi a descoberta da eletromagnética. é que os glúons liberdade assintótica que Esse comportainteragem entre si. tornou possível a confirmento permitiria Isso não acontece mação experimental da estimar a energia no caso da inteQCD como a teoria que onde as três consdescreve as interações entre ração eletro quarks e glúons e que é tantes seriam magnética porque responsável pela ligação iguais. Até o moos fótons, os medestes nos hádrons mento não se codiadores da intenhece qual seria ração, são neutros essa teoria “unificada” mas existem e, portanto não “vêem” uns aos ouvárias candidatas. Confirmar qual tros. É justamente a interação endelas é a correta é uma tarefa para tre os glúons que propicia um os físicos nas próximas décadas. comportamento da QCD em oposição à QED para grandes energias. Nota Foi a descoberta da liberdade as1 eV (elétron-Volt) é a importante sintótica que tornou possível a conFísica na Escola, v. 5, n. 2, 2004 Prêmio Nobel de Física 2004 Figura 1. Comportamento da constante de acoplamento αs em função da energia. Os pontos correspondem aos resultados experimentais e as linhas aos valores previstos pela QCD (Fonte: http://pdg. lbl.gov/2004/reviews/qcdrpp.pdf). Figura 2. Comportamento esperado das constantes de acoplamento das três interações em função da energia (Fonte: http:/ /www.aventuradasparticulas.ift.unesp. br/frames.html). unidade de energia da Física Atômica. Corresponde à energia adquirida por um elétron ao atravessar uma diferença de potencial de 1 Volt (1 eV = 1,6 x 10-19 J. 1 keV = 1000 eV, 1 MeV = 106 eV. Sugestões para leitura M.A. Moreira, Partículas e Interações, este número. F. Ostermann e C. Cavalcanti, FnE v. 2, n. 1, maio (2001) M.J.G. Veltman, Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics (World Scientific, Singapore, 2003). A página no Museu eletrônico Nobel http:/ /nobelprize.org/index.html contém detalhes de todos os prêmios Nobel. Vale a pena a consulta regularmente. 33