Conceito de Quark

Ángel Zamora Ramírez | Julho 2023
Licenciado em Física

Os quarks são um tipo de partícula elementar do Modelo Padrão da Física de Partículas e pertencem à família dos férmions. A união entre diferentes quarks dá origem a outro tipo de partículas subatômicas chamadas hádrons. Os prótons e nêutrons que compõem os núcleos atômicos são formados por partículas menores que hoje conhecemos como “quarks” e cuja soma de suas propriedades dá a essas partículas subatômicas suas características. No entanto, o caminho para descobrir essa subestrutura atômica levou vários anos e muitas descobertas.

História dos quarks

O conhecimento sobre a estrutura do átomo e das partículas subatômicas sofreu uma grande revolução ao longo do século XX. Este caminho começou em 1897 quando J.J. Thomson descobriu o elétron fazendo experimentos com raios catódicos.

Anos depois, em 1905, Max Planck acidentalmente iniciaria o desenvolvimento da mecânica quântica ao resolver o problema da radiação do corpo negro e chegar à conclusão de que a energia era quantizada. Mais tarde Albert Einstein proporia que a luz é composta por feixes de partículas sem massa chamadas “fótons” e com isso explicou o efeito fotoelétrico.

Em 1911, Ernest Rutherford, fazendo experimentos com a dispersão de partículas alfa quando elas atingem uma lâmina de ouro, concluiu que o átomo era composto de um pequeno núcleo carregado positivamente com elétrons carregados negativamente orbitando ao seu redor. Mais tarde, ele chamaria o núcleo positivo de um átomo de hidrogênio de “próton”. Em 1920, o próprio Rutherford previu a existência de uma partícula sem carga elétrica que também fazia parte do núcleo atômico, que recebeu o nome de “nêutron”. Alguns anos depois o nêutron foi descoberto por James Chadwick.

Durante a década de 1930, os raios cósmicos começaram a ser estudados e descobriu-se que esses raios cósmicos consistiam em partículas de altíssima energia que vinham do espaço sideral e, ao interagir com moléculas da atmosfera, davam origem a novas partículas.

Em 1932, Ernest Walton e John Cockcroft separaram os núcleos atômicos de lítio pela primeira vez com um acelerador de partículas em Cambridge. Após esse evento, os aceleradores de partículas começaram a ser usados para estudar a estrutura subatômica da matéria. Em 1953 já se usavam aceleradores de partículas que atingiam uma velocidade cada vez maior e quando colidiam entre si surgiam partículas estranhas que até então nunca tinham sido observadas. Nessas colisões, foi possível observar mais de 100 partículas que interagiram intensamente entre si e que na época receberam o nome de “zoológico de partículas”.

Na década de 1960, os físicos já haviam agrupado o grande zoológico de partículas com base em como as quatro interações fundamentais as afetavam, onde as interações nucleares fracas e fortes se manifestavam apenas no nível do núcleo atômico entre prótons e nêutrons.

Nesse mesmo período, o físico americano Murray Gell-Mann propôs organizar o zoológico de partículas com um sistema de ordenação que chamou de “caminho óctuplo”. Para tornar esse esquema o mais simples possível, ele propôs que os hádrons eram compostos de unidades ainda mais fundamentais, até então desconhecidas, ao que ele chamou de “quarks”.

Na verdade, Gell-Mann não foi o único a propor a existência dos quarks. Em 1964, George Zweig sugeriu que os hádrons eram compostos de quatro partículas fundamentais que ele chamou de “ases”. No entanto, sua ideia foi rejeitada até que mais tarde também foi proposta por Gell-Mann.

Gell-Mann desde o início insistiu que o trabalho de Zweig no modelo quark fosse reconhecido.

Tudo isso conclui com uma série de experimentos realizados no acelerador linear de Stanford entre 1967 e 1973, onde foi confirmada a existência de quarks. Gell-Mann recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1969 por seu modelo de quark e suas contribuições para a física de partículas.

Tipos de quarks e suas Propriedades

Os quarks são um tipo de férmions, ou seja, são partículas que obedecem à estatística de Fermi-Dirac e satisfazem o Princípio de Exclusão de Pauli. Existem seis tipos de quarks que são chamados de “up”, “down”, “charm”, “strange”, “top” e “bottom”.

Todos os quarks têm um spin de 1⁄2, mas não compartilham a mesma carga elétrica. Os quarks up, charm e top têm uma carga elétrica de 2⁄3, enquanto a carga elétrica dos quarks down, strange e bottom é igual a -1⁄3. Ao contrário de outros férmions, os quarks têm uma carga de cor, o que implica que eles são capazes de interagir através da força nuclear forte e é o que permite que eles se agrupem para formar outras partículas subatômicas.

Hádrons

A união entre quarks com a ajuda de glúons dá origem a um grupo de partículas subatômicas conhecidas como “hádrons”. Estes, por sua vez, são divididos em dois tipos chamados de “bárions” e “mésons”.

Os bárions são partículas subatômicas formadas por três quarks. Um exemplo disso são os prótons e nêutrons que formam os núcleos atômicos, por isso a matéria comum costuma ser chamada de “matéria bariônica”. Os bárions terminam com um spin de 1⁄2, o que os faz se comportar como férmions.

Os mesons são partículas subatômicas formadas por um quark e um antiquark. Um exemplo desse tipo de partícula são os píons e os kaons. Os mésons possuem um spin inteiro, isso faz com que se comportem como bósons e obedeçam à Estatística de Bose-Einstein.

Artigo de: Ángel Zamora Ramírez. Licenciado em Física. Cursando Mestrado em Engenharia e Física Biomédica.

Referencia autoral (APA): Zamora Ramírez, A.. (Julho 2023). Conceito de Quark. Editora Conceitos. Em https://conceitos.com/quark/. São Paulo, Brasil.

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