Modelo Padrão

O Modelo Padrão atual é constituído por 17 tipos de partículas elementares:

De acordo com o Modelo Padrão toda a matéria é formada por dois tipos de partículas fundamentais: férmions e bósons.

Os férmions são partículas de spin semi-inteiro: léptons e quarks. Já os bósons são partículas de spin inteiro: glúons, fótons, W±, Zº.

As partículas presentes nesse modelo nos permitem explicar quase tudo o que sabemos sobre física, com exceção da gravidade, que é melhor descrita pela Teoria da Relatividade Geral; e da energia escura, tendo em vista que não há partículas no MP que possuem todas as propriedades deduzidas a partir de observações cosmológicas.

Os quarks e léptons são divididos em três gerações (cada coluna da figura acima mostra uma geração), de modo que as massas das partículas serão maiores e o tempo de vida será menor à medida que a geração aumenta. Por esse motivo, a matéria observada no universo é praticamente constituída por quarks e léptons da primeira geração. Curiosamente, a quebra de simetria entre a proporção de matéria e antimatéria no universo está diretamente ligada com o número de gerações das partículas elementares.

Além disso, pela teoria quântica de campos cada partícula deve apresentar uma antipartícula de massa idêntica e carga elétrica oposta.

Apesar de se acreditar que o Modelo Padrão seja auto-consistente, ele apresenta uma série de propriedades aparentemente não naturais, como a violação da simetria CP, gerando um arsenal de questionamentos ainda não respondidos.

Os dois pilares teóricos por trás da construção do modelo padrão são a cromodinâmica quântica (QCD) e a teoria eletrofraca (GWS), sendo a última encarregada por descrever tanto a eletrodinâmica quântica (QED) quanto as interações fracas. A principal semelhança entre ambas está em um aspecto físico muito importante: a simetria local da ação.

Quando exigimos que a ação por trás de um fenômeno físico seja invariante por transformações locais (de gauge) específicas, estamos exigindo diretamente que a Lagrangiana desse fenômeno também o seja, a menos de um termo de superfície, que não muda as equações de movimento. A simetria de gauge está associada a um campo bosônico que gera uma força; isso equivale a dizer que todas as forças fundamentais da física (elétrica, forte, fraca e gravitacional) estão associadas a conjuntos bastante específicos de transformações locais que formam grupos de simetria. O trabalho: encontrar esses grupos.

Essa tarefa, no entanto, está longe de ser trivial. Os grupos de simetria associados às interações fracas só foram estabelecidos após se constatar, por meio de observações experimentais, que 100% dos férmions produzidos em decaimentos são de mão-esquerda. Foi assim que se chegou, por exemplo, que as interações fracas têm simetria U(1) X SU(2)_L. A QED é mais simples, pois requer simetria local U(1). Na QCD o modelo usado para descrever os fenômenos associados às forças fortes representa muito bem a realidade quando consideramos que as transformações locais pertençam ao grupo de simetria SU(3)_c.

Por mais que esse cenário parecesse nos guiar para uma teoria completa, existia um problema não solucionado. As teorias de gauge prevêem que as forças fracas estão associadas a campos vetorias gerados por bósons sem massa, porém os resultados experimetais apontavam para a existência de bósons extremamente massivos (W+, W- e Z), com valores quase 100 vezes maiores que a massa do próton. Esse problema deixava claro que o modelo padrão ainda estava incompleto, pois a única maneira de explicar a massa dos bósons W's e Z seria admitindo que eles participavam de algum outro mecanismo gerado por uma partícula não prevista pelo MP. Foi assim que na década de setenta Peter Higgs, François Englert e Robert Brout, explorando a invariância de gauge da teoria e considerando uma quebra espontânea de simetria, propuseram o mecanismo de higgs, um processo gerado por um bóson (o bóson de Higgs) e responsável por conferir massa aos bósons de gauge. Somente em 2012 foi confirmada a descoberta do bóson de Higgs no CERN.