Spin Up e Spin Down.

Spin Up e Spin Down.

A diferença entre os bosões e fermiões é só o spin. Mas em física, esta é uma diferença fundamental.

Esta explicação que se segue foi formulada pelo Físico Jon Butterworth, numa colaboração de divulgação da Ciência ao grande público entre o jornal britânico de referência The Guardian e o Institute of Physics (IOP) do Reino Unido, que, com a devida vénia e referência, adaptamos para os leitores do AstroPT.

O que é afinal um Bosão?

Bosão é o nome que designa uma classe genérica de partículas. O bosão de Higgs é uma dessas partículas, mas também o são muitas outras partículas. Todas as partículas que medeiam, ou que transportam, as forças (gluões, o W e o Z e o fotão. Além disso, o gravitão, se este existir, é por enquanto apenas uma partícula hipotética) são bosões.

Os quarks, os electrões e os neutrinos, por outro lado, são fermiões.

O que os diferencia é só o spin. Mas, neste contexto, o spin é um número quântico, o do momento angular intrínseco. É um pouco como a partícula estar a girar, mas isso é realmente apenas uma analogia, dado que as partículas fundamentais descritas como um ponto não poderiam girar, e mesmo assim os fermiões têm uma rotação de tal forma que numa analogia clássica teriam que girar duas vezes para voltarem a mostrar o mesmo lado. A mecânica quântica é cheia de analogias meio enganadoras como esta.

Independentemente dos limites das analogias do mundo do muito grande, o spin é importante.

Os Bosões têm, por definição, spin de número inteiro (por oposição aos números fracionados). O Higgs tem spin zero, o gluão, o fotão, os bosões W e Z têm spin 1, e o gravitão é postulado a ter 2 unidades de spin. Quarks, electrões e neutrinos são fermiões, e todos têm uma meia unidade de rotação.

Partículas Elementares do Modelo-Padrão

Isso determina uma enorme diferença no seu comportamento.

A melhor maneira que temos para compreender as partículas elementares (que não são constituídas por outras partículas) é a teoria quântica de campos.

Na teoria quântica de campos um “estado” é uma configuração que descreve todas as partículas num sistema (digamos, um átomo de hidrogénio). A matemática é tal que se trocarmos mais de dois fermiões idênticos com energias idênticas (digamos, dois electrões), introduzimos um sinal negativo no estado. Se trocarmos dois bosões, não há sinal negativo.
Dado que a troca de duas partículas idênticas com a mesma energia não faz diferença física para o estado geral, tem que se somar os dois casos diferentes (trocados e destrocados) para determinar o cálculo da probabilidade da ocorrência real dum estado físico. Adicionando o mais e o menos, no caso do fermião dá zero, mas no caso do Higgs de facto somam-se. Isto significa que qualquer estado que contém dois fermiões idênticos da mesma energia tem zero probabilidade de ocorrência *(Ver Nota). Considerando um estado com dois bosões idênticos da mesma energia este tem uma probabilidade reforçada.

Esta parcela bastante simples de matemática é responsável pela tabela periódica e pelo comportamento de todos os elementos.

Os elementos químicos consistem dum núcleo atómico cercado por electrões. Porque electrões são fermiões, nem todos os electrões podem ser sugados para o menor nível de energia em torno do núcleo. Se assim fosse, a probabilidade desse “estado” acontecer seria zero,*(ver nota) seguindo este argumento acima. Então, quanto mais electrões são adicionados em torno de um núcleo, mais terão que ser excluídos para os níveis de energia mais elevados – geralmente cada vez menos fortemente ligados ao núcleo. O comportamento dum elemento químico – como ele reage com outros elementos e como ele se liga para formar moléculas e onde se situa na tabela periódica – é impulsionado pela forma como quão fortemente estão os seus electrões ligados ao seu núcleo.

Quando os bosões se aglutinam eles fazem algo fascinante também, mas é difícil de bater o registo de se ser responsável por toda a química, e, portanto, biologia.

Ainda assim, é só girar. Spin up, Spin Down.

*Nota:  Isto é conhecido como o Princípio da exclusão de Pauli.

A tabela periódica funciona na Horizontal (Períodos) pelo mesmo número de orbitais de electrões que configuram um átomo.

E na vertical (Grupos ou famílias) pelo número de electrões presentes na orbital mais externa, mais afastada do núcleo.

Quando se fala em pares de electrões isso pode ser confuso, na verdade esses electrões têm níveis de energia, ou sub-níveis  ligeiramente diferentes, para respeitarem a sua natureza fermiónica e o Principio de exclusão de Pauli.

Então, perguntam os leitores mais curiosos, porquê tanta celebração e tanta notícia sobre o Bosão de Higgs, afinal os fermiões são mais importantes do que os Bosões, pelo menos para se entender a Química e a Biologia.

É que o outro lado da moeda da energia, para além da contida na matéria, é a que subsiste sob a forma de radiação.

É o outro termo, o c, a velocidade da luz da famosa E=mc^2.

E que o bosão de Higgs, confirmado pelo menos com Sigma superior a 7, determinado ter todas as características do bosão de Higgs do modelo-padrão, com spin zero e paridade zero (é a sua própria antí-partícula, é o seu próprio espelho), se bem que ainda sob confirmação total destas 2 características (por exclusão de partes dos decaimentos observados só pode ter spin zero e paridade zero) é e foi fundamental para se confirmar o que de facto é mais importante.

O campo-força de Higgs. É que ao interagiram com este campo as partículas que sabemos terem adquirido massa fizerem-no precisamente nesta interacção.

E, ao se descobrir o mecanismo gerador da Massa, pelo menos dentro da QED (Quantum Electrodynamics), a Teoria do campo-força do electromagnetismo, até à décima sétima casa decimal pura e simplesmente atingiu-se o maior grau de precisão duma qualquer dada teoria da História da Humanidade.

Se isso bate ou não toda a Química e toda a Biologia, pois essa é uma questão que deixo aos leitores.

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Entretanto, o LHC, o grande acelerador de partículas do CERN que funciona como um telescópio virado para o mundo do muito pequeno, está a ser submetido a uma renovação dos magnetes e das suas ligações.

É um facto que estas não resistiram aos primeiros testes, mas as equipas do CERN decidiram na altura (em 2008) prosseguir as experiências com o material de que dispunham.

Essa decisão, prenhe de risco, foi acertada.

Quando o LHC retomar a sua actividade lançando feixes de partículas ao dobro da energia é bem possível que se venham a observar novas descobertas.

Fechada que foi a porta à proposta filosófica da “teoria” das cordas, já muito debilitada pela regra do inverso do quadrado da distância tanto no eletromagnetismo como na Gravidade (adicionando mais uma dimensão passaria para o cubo da distância, outra ainda para a quarta e assim sucessivamente até que não seriam sequer observáveis) resta uma Formulação teórica para os que preferem ainda mais efeitos especiais e teorizações radicais, ou simplesmente porque gostam ( e estão no seu direito) de títulos bombásticos como “uma nova Física.”

Isso é com a SuSy, uma moça muito energética que vive ao espelho do modelo-padrão, já que prevê um conjunto de partículas idênticas às do modelo-padrão mas em níveis muito mais altos de energia.

Daí o seu nome, bastante sexy, de Super-simetria, ou SuSy.

Será que existe a SuSy, ou será a SuSy Q apenas uma excelente canção dos Credence Clearwater Revival?

Estará a Arte a determinar os caminhos da Filosofia, e desaguarão esses caminhos numa Super nova Física altamente energética?

Se em tempos que já lá vão o próprio modelo-padrão, hoje tão consensual, era tido como a Física dos “Hippies” pelos cientistas mais conservadores, o que nos reservará o futuro?

O LHC nos dirá.

Deixo-vos então com esta fantástica canção 🙂

http://www.youtube.com/watch?v=1mxaA-bJ35s