Os 4 Elementos, desde 1896 ate Hoje

O Homem sempre quis agrupar os elementos constituíntes da Natureza. Para se saber quais os constituíntes de um objecto o melhor a fazer é quebrá-lo e ver o que lá está. Assim, começaram-se, a partir do final do século XIX a lançar partículas umas contra as outras para se ver do que são constituídas. Principalmente nos últimos 30 anos tem-se feito um grande esforço na ciência para fazer colidir partículas com energias cada vez mais elevadas para se descobrir quais os seus componentes.

No século IV a.c. Platão descrevia o mundo recorrendo a apenas quatro elementos: terra, água, fogo e ar.

No final do século XIX, 1897, Joseph Thomson e no início do século XX, Rutherford aceleraram partículas carregadas entre um cátodo e um ânodo e, assim, verificaram que os átomos eram compostos por electrões.

Em 1932, James Chadwick descobriu que os prótões e os electrões de um átomo interagem pela troca de fotões e o últimos constituínte atómico: o neutrão.

No século XX voltávamos aos 4 elementos. Podíamos novamente descrever a diversidade de objectos: electrão, protão, neutrão e fotão.

A meio do século XX, colisões entre partículas com uma diferença de potêncial de um gigavolt permitiu mostrar uma natureza mais profunda. Apareceram em cena os mesões ?,?,?, etc, os bariões ?, e outros, para além das antipartículas companheiras (antielectrão, antipositrão, antineutrão). No entanto muitas eram instáveis e decaíam em partículas mais estáveis: electrão e positrão, protão e antiprotão, neutrão e antineutrão e, por fim, fotão.

Nesta altura os físicos repararam que podiam organizar as partículas em famílias, o que sugeria os mesões e os bariões seriam formados por partículas mais elementares.

Em 1967 foram bombardeados protões e neutrões com electrões com uma energia mil vezes superior à da experiência de Rutherford, de 1911. Assim, foram desvendados os constituíntes dos protões e dos neutrões: os quarks u e d (up e down). No entanto, as massas dos mesões eram explicadas se eles contivessem dois quarks, sendo um deles um antiquark. Em 1956 foi ainda descoberto um outro elemento, o neutrino, que era emitido pela desintegração de mesões e bariões. É uma partícula sem carga e quase sem massa, mas o suficiente para que a regra de que na Natureza nada se perca e nada de crie funcione na perfeição.

A meio do século XX tínhamos novamente 4 elementos fundamentais: quark u, quark d, electrão e neutrino, sem contar com as respectivas antipartículas. Assim, foi desenhado o modelo padrão para explicar as interacções entre essas partículas. Surgiram o glúão, que interage entre quarks e responsável pela coesão dos núcleos, o bosão W e o bosão Z. Para explicar as massas elevadas dos bosões foi proposto o bosão de Higgs.

Nos anos 60 entrou o quark s (strange) para explicar a multiplicação das partículas instáveis e ainda um outro tipo de neutrino, o neutrino muónico, associado a um muão. Surgia, assim, uma segunda família de 4 elementos: muão, neutrino muónico, quark s e o quark c (charme), descoberto em 1974.

Para explorar mais a fundo era necessário fazer colisões com energias mais elevadas e, assim, surgiram os colisores de partículas. Foi assim que se descobriu o quark c. Em 1975 foi deduzida a existência do tau, por colisões electrão-positrão. Apareceu a terceira família de leptões e quarks, prevista por Makoto Kohayashi e Toshide Meskawa. Após dois anos surgiu a descoberta do mesão Y, formado pelo quark b (bottom). Para terminar a década de 70 com mais um avanço da física de partículas, seguiu-se a descoberta do glúão, em 1979, pelo colisor Petra.

Faltava descobrir o previsto quark t (top), do neutrino tau. Em 1989 o colisor LEP produzia o bozão Z, que se desintegra em electrão, muão, tae e quark ou neutrino. Contudo ainda não tinha chegado a altura da confirmação do quark t já que é bastante pesado e decai rapidamente. Finalmente, o modelo padrão de três famílias é confirmado em 1995 pelo Tevatron com a descoberta do quark t.

Por último falta a chave do modelo padrão de três famílias: o bosão de Higgs. Ao combinar as propriedades dos bosões W w Z e a massa do quark t é possível determinar a influência do bosão de Higgs. A massa do bosão de Higgs estará entre os 50 e os 115 gigaelectrão-volt (GeV).

O LEP, em 2000, aumentou a sua capacidade para 206 GeV, que em teoria produziria um bosão de Higgs associado a um bosão Z. De facto, a produção de um bosão de Higgs foi detectada nesse ano. Infelizmente o LEP fechou antes da confirmação.

O modelo padrão das três famílias é incompleto e não explica a diversidade das massas de léptões e quarks nem a natureza da matéria escura. Em 2007 surge o LHC (Large Hadron Collider), colisor de protão-protão, cujo objectivo principal é a confirmação do bosão de Higgs.

fonte

Gigantes em Busca do Infinitamente Pequeno
POR PATRICK JANOT, SCIAM

Podem ler mais sobre o futuro do modelo padrão.

Será uma questão de tempo, de energia e de financiamento.

De seguida, em gráfico com o rumo das descobertas desde o fim do século XIX: As cores diferentes representam as famílias de 4 elementos.

E ainda uma tabela bem explicativa e simples sobre as familias e o que falta confirmar.