Um próton (primeiro plano) é composto de três quarks, cada um com uma propriedade única chamada cor. Eles são mantidos firmes pela força nuclear forte.
(Imagem: © Lawrence Berkeley National Laboratory)
Paul M. Sutter é um astrofísico da Universidade Estadual de Ohioanfitrião de Pergunte a um astronauta e Rádio Espaciale autor de Seu lugar no universo. Sutter contribuiu com este artigo para Vozes de especialistas do Space.com: artigos de opinião e idéias.
Todas as quatro forças conhecidas da natureza têm seu próprio lugar. Gravidade, eletromagnetismo, nuclear fraco, nuclear forte: cada um governando algum pequeno domínio de nossas vidas. Enquanto nossas experiências cotidianas são dominadas pela gravidade da Terra e pelo eletromagnetismo da luz e dos ímãs de geladeira, as forças nucleares gêmeas também desempenham papéis importantes - apenas em escalas muito, muito pequenas.
Quão pequeno? Imagine-se balançando para se tornar o tamanho do sistema solar. Suas mãos nadam através do Nuvem de Oort os planetas se aninham acima do umbigo. Você é tão grande que os sinais elétricos levam semanas ou até meses para percorrer seu sistema nervoso, tornando os gestos mais simples dolorosamente lentos.
Essa é a diferença entre o tamanho atual (cerca de alguns metros) e 10 ^ 15 metros.
Agora, execute-o ao contrário. Imagine uma balança tão pequena que seu corpo atual pareça tão vasto quanto o sistema solar. Uma escala em que seus movimentos se desenvolvem no ritmo mais lento. Essa escala incrivelmente pequena é o femtômetro: 10 ^ -15 metros. É a escala do núcleo atômico.
No próton
Lá de cima, é tentador pensar no próton como uma única partícula. Uma concha dura de carga e massa positiva, capaz de saltar e bater tão facilmente quanto uma bola de bilhar. Mas, na realidade, um próton é feito de três partículas menores. Essas partículas têm o nome deliciosamente peculiar de quarks. Há um total de seis tipos de quarks na natureza, mas, para um exame mais atento do próton, precisamos nos preocupar apenas com dois deles, chamados de quarks superiores e inferiores.
Como eu disse, um próton é um trio de quarks: dois quarks acima e um quark abaixo. Esses quarks se unem como um time, e esse time é o que chamamos de próton.
Exceto que isso não faria sentido.
Os dois quarks acima têm exatamente a mesma carga elétrica (porque são exatamente o mesmo tipo de partícula), portanto devem odiar-se absolutamente. Como eles ficam tão colados?
Além disso, sabemos pela mecânica quântica que dois quarks não podem compartilhar exatamente o mesmo estado - você não pode ter dois do mesmo tipo unidos assim. Esses dois quarks não devem coexistir assim. E, no entanto, eles não apenas se toleram, mas parecem realmente gostar da companhia!
O que está acontecendo?
Uma cor diferente
Nos anos 50 e 60, os físicos começaram a perceber que o próton não é fundamental - pode ser dividido em partes menores. Então eles fizeram um monte de experimentos e desenvolveram um monte de teorias para quebrar essa noz em particular. E eles imediatamente encontraram a) a existência de quarks eb) os enigmas intrigantes acima.
Algo estava mantendo esses três quarks juntos. Algo muito, muito forte. Uma nova força da natureza.
A força forte.
A força forte então hipotetizada resolveu os problemas dos quarks coexistentes por força bruta simples. Oh, você não gosta de ficar juntos porque não pode compartilhar o mesmo estado? Bem, que pena, a força forte fará com que você faça isso de qualquer maneira, e fornecerá uma maneira de contornar esse problema.
E toda força tem um ponto de conexão. Um gancho. Uma maneira de dizer a essa força o quanto você é afetado por ela. Para a força eletromagnética, é a carga elétrica. Para a gravidade é a massa. Para a força nuclear forte, os físicos tiveram que criar um novo gancho. Uma maneira de um quark se conectar a outro quark através dessa força. E os físicos escolheram a palavra cor.
Assim, se você ou uma partícula que você conhece tem essa nova propriedade chamada cor, então sente a força nuclear forte. Sua cor pode ser de vermelho, verde ou azul (confusamente, também existem anti-vermelho, anti-verde e anti-azul, porque é claro que a vida não é assim tão simples). Para construir uma partícula como um próton, todas as cores dos quarks precisam se transformar em branco. Assim, um quark é designado para ser vermelho, o outro para verde e o último para azul. A designação específica da cor não importa (e, de fato, os quarks individuais mudam constantemente de cor), o que importa é que todos eles somam branco e que a força forte pode fazer seu trabalho.
Essa nova propriedade da cor é o que permite aos quarks compartilhar um estado dentro de um próton. Com a cor, não há dois quarks iguais - eles agora têm cores diferentes.
Super força
Imagine pegar dois alicates e pegar dois quarks no próton. Como você trabalha, é capaz de superar a força da força nuclear forte que as mantém unidas.
Mas aqui está algo estranho sobre a força forte: não diminui com a distância. Outras forças, como a gravidade e o eletromagnetismo, o fazem. Mas a força forte permanece tão forte quanto sempre é, não importa a que distância esses quarks estejam.
Então, ao puxar esses quarks, você deve continuar adicionando mais e mais energia para manter a separação. Você acaba adicionando tanta energia que, energia equivalente à massa e tudo isso, novas partículas aparecem no vácuo entre os quarks. Novas partículas como ... outros quarks.
Esses novos quarks quase imediatamente encontram seus amigos recém-separados e se unem, jogando todo o seu trabalho duro e suando em um único flash de energia antes que a distância entre eles seja notável. No momento em que você pensa que separou os quarks, eles já encontraram novos para os quais vincular. Esse efeito é conhecido como confinamento de quark: a força forte é tão forte que nos impede de ver um quark isoladamente.
É uma pena que nunca possamos ver qual é a sua cor.
Saiba mais ouvindo o episódio "O que torna a força forte tão forte?" no podcast Ask A Spaceman, disponível no iTunes e na Web em http://www.askaspaceman.com. Agradecemos a Kayja N. e Ter B. pelas perguntas que levaram a esta peça! Faça sua própria pergunta no Twitter usando #AskASpaceman ou seguindo Paul @PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter.
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