Partículas subatômicas

Entre as denominações escolhidas para os números quânticos que definem as partículas subatômicas conhecidas como quarks, há termos que parecem insólitos no contexto do trabalho científico. Os físicos falam em quark estranho, charmoso, do topo e do fundo. Isso dá uma idéia das propriedades singulares desses corpúsculos de dimensões inferiores às de um átomo, que constituem as menores entidades materiais conhecidas até o fim do século XX.
Partículas subatômicas, também chamadas partículas elementares, são as unidades fundamentais da matéria e da energia. Quase todo o conhecimento sobre a existência e propriedades das partículas subatômicas foi adquirido somente a partir do final do século XIX e, desde então, já se comprovou a existência de mais de 200 partículas e estabeleceram-se inúmeras leis que governam suas inter-relações. A grande quantidade de partículas e a complexidade das equações matemáticas que predizem seu comportamento levou os cientistas a buscarem teorias unificadoras capazes de simplificar o estudo da estrutura básica do universo.

Estrutura atômica e forças nucleares. Durante séculos acreditou-se que os átomos fossem os componentes básicos da matéria. Em 1897, porém, Joseph John Thomson descobriu o elétron, a primeira partícula elementar, que atua nas reações químicas mais comuns. Pouco depois, em 1911, descobriu-se o núcleo atômico. Ficou claro, então, que o átomo era um sistema composto, formado de uma nuvem de elétrons que gira em torno de um centro minúsculo e pesado, o núcleo atômico.
Posteriormente, verificou-se que a nuvem de elétrons se compunha de diferentes estados ou níveis de energia. Os elétrons podem saltar para estados inferiores e emitir energia em forma de pacotes ou quanta de luz: os fótons. Assim, no fim da década de 1920, a teoria atômica já descrevia elétrons, núcleos e fótons como partículas elementares e concluía que elétrons e núcleos se mantinham juntos e formavam os átomos por meio da força eletromagnética existente entre eles.
No início da década de 1930, comprovou-se que o próprio núcleo se compunha de partículas ainda menores, genericamente denominadas núcleons. Alguns núcleons tinham carga de energia positiva, enquanto outros apresentavam carga nula: foram chamados, respectivamente, prótons e nêutrons. De acordo com as leis da mecânica quântica, introduzida em 1926, concluiu-se que os núcleons se mantinham juntos por meio de uma intensa força nuclear, que só atuava quando as partículas estavam separadas por distâncias ínfimas, da ordem de 10-13cm.
A mecânica quântica também permitiu explicar o fenômeno da radiação beta. Nesse tipo de radiação, o núcleo, por emissão de um elétron e de uma partícula neutra de pequena massa, sofre transição para um estado de energia mais baixa. A partícula emitida, chamada neutrino, é dificilmente detectada porque sua interação com a matéria é muito fraca.

Descoberta de novas partículas. Em meados da década de 1960, pesquisas revelaram que também os prótons e nêutrons, partículas formadoras do núcleo dos átomos, compunham-se de partículas ainda menores: os quarks. Durante a década de 1980, muitos físicos acreditavam que os quarks, juntamente com outra classe de partículas subatômicas conhecidas como léptons, constituíam os blocos construtores fundamentais de toda matéria.
Compostos de partículas com massa, carga elétrica e spin semi-inteiro (spin é a medida da rotação de uma partícula), os quarks foram divididos em seis variedades. Apenas duas delas, conhecidas como up (alto) e down (baixo), ocorrem nos prótons e nêutrons da matéria comum. Três outros tipos de quarks, qualificados de strange (estranho), charm (charme) e bottom (fundo), existem apenas em partículas instáveis, que se desintegram espontaneamente em alguns centésimos-milionésimos de segundo ou em tempo ainda menor. O sexto tipo, o top (topo), é o mais pesado dos quarks e, portanto, o que apresenta maior dificuldade para ser produzido experimentalmente. Sua existência só foi experimentalmente comprovada em 1995. O top quark existiu provavelmente somente no primeiro bilionésimo de segundo do cosmos.
As partículas formadas de quarks são chamadas genericamente de hádrons. Aquelas em que tanto o próton como o nêutron são formados por três quarks se chamam bárions. Outras partículas formadas por um quark e um antiquark denominam-se mésons.
Encontram-se igualmente vários tipos de léptons, dos quais o mais conhecido é o elétron. Outros léptons de maior massa são os múons e a partícula tau. Um terceiro grupo importante de partículas subatômicas é constituído pelos bósons. Ao contrário dos quarks e léptons, os bósons não são construtores de matéria, mas transmissores das forças fundamentais do universo: a força eletromagnética, a força gravitacional e as forças forte e fraca que atuam no átomo.
A força "eletrofraca", unificação da força fraca com a eletromagnética, se mantém porque léptons e seus neutrinos associados emitem e absorvem partículas com massa e carregadas, conhecidas como bósons W. Acredita-se que uma outra partícula chamada bóson Z, que tem massa mas é eletricamente neutra, é também substituída durante a interação.
Outros bósons incluem os glúons, transmissores da interação forte, que liga os quarks para formar os hádrons. Os glúons não têm massa e viajam à velocidade da luz. Além disso, se multiplicam ao viajarem de um quark a outro e, dessa forma, aumentam a intensidade da força que transmitem. Quanto maior o número de glúons trocados entre os quarks, maior se torna a força de ligação.