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Vídeo da aula: Quarks Strange, Charm, Bottom e Top Física • 9º Ano

Neste vídeo, vamos aprender como descrever as propriedades de quarks strange, charm, bottom e top.

15:10

Transcrição do vídeo

Neste vídeo, o nosso tópico é quarks strange, charm, bottom e top. Vamos aprender o que estes termos significam, bem como algumas das propriedades destes quarks.

Embora os nomes strange, charm, bottom e top possam não ser familiares para nós, sabemos algo sobre estas partículas chamadas quarks. Se pensarmos por um momento sobre um núcleo atómico e dissermos que neste núcleo os protões são os pontos vermelhos e os neutrões são os verdes, então podemos lembrar que estas partículas na verdade não são elementares. Ou seja, estas são formadas por partículas ainda menores. Estas partículas menores são chamadas quarks. E se fôssemos dar uma olhadela de perto num único protão, veríamos que é composto por dois dos chamados quarks up e um quark down. Um dos motivos pelos quais os quarks são interessantes é que estes têm uma carga elétrica relativa fracionária, ou seja, um número não inteiro.

Por exemplo, a carga relativa de um quark up é mais dois terços vezes a carga de um único protão. Às vezes, esta é escrita como dois terços 𝑒, ou simplesmente dois terços. A carga relativa de um quark down, por outro lado, é menos um terço 𝑒 ou apenas menos um terço. Observe que se somarmos as cargas relativas destes dois quarks up e do quark down, obteremos um resultado positivo. Isto é exatamente o que esperaríamos, já que esta é a carga relativa de um único protão. Então, quarks, especificamente quarks up e down, agrupam-se para formar nucleões, ou seja, protões e neutrões. Se elaborássemos uma tabela que mostra os diferentes tipos de quarks, incluiríamos estes dois. E, além do símbolo abreviado que representa estes tipos, poderíamos adicionar um segundo conjunto de parênteses que mostra a sua carga relativa.

Agora, se tudo o que observássemos fosse protões e neutrões, os únicos tipos de quark que veríamos seriam up e down. Estes são de longe os tipos mais comuns de quark. Mas acontece que estes não são os únicos tipos. Graças a experiências cuidadosamente realizados que envolvem colisões de alta energia, quatro outros tipos de quark foram descobertos. Podemos abrir algum espaço para estes na nossa tabela. E é sobre estes quatro tipos que trata a nossa aula: quarks charm, strange, top e bottom. Da maneira como os organizámos, observe que todos os quarks na nossa linha de cima têm a mesma carga relativa, mais dois terços. E da mesma forma, na linha de baixo, os quarks down, strange e bottom têm uma carga relativa de menos um terço.

Agora, mencionámos que quarks up e down são as partículas elementares que compõem os protões e neutrões. Como tal, são muito abundantes. Estes outros quatro tipos, porém, são muito menos comuns. Como dissemos, são formados apenas em interações de alta energia. E não apenas isso, mas os quarks charm, strange e top e bottom têm uma vida útil muito curta em comparação com os quarks up e down. Estes quatro tipos menos comuns normalmente existem por alguns milésimos de milionésimos de segundo ou até menos antes de se transformarem noutro tipo de quark. A maneira como estes decaimentos progridem, os quarks de vida mais curta, top e bottom, podem decair em tipos charm ou strange, que, após uma vida muito curta, podem eles próprios decair num tipo de longa duração.

Curiosamente, no entanto, se considerarmos outra propriedade destes seis tipos de quark, a sua massa, descobrimos que esta propriedade tende para o sentido oposto. Ou seja, são os quarks up e down que têm a menor massa de todos os seis tipos e os quarks top e bottom que têm a maior. Vale a pena ressaltar que entre estes três pares — up, down, charm, strange e top, bottom — em média, não partilham exatamente a mesma vida ou massa que os outros. Mas, em comparação com os tipos de quark à sua volta em ambos os lados desta tabela, geralmente a vida útil de um quark aumenta à medida que avançamos da direita para a esquerda, enquanto a massa do quark aumenta à medida que avançamos da esquerda para a direita.

Agora, é uma regra geral que qualquer partícula tem uma antipartícula correspondente e os quarks não são diferentes. Cada um dos seis tipos de quark tem um antiquark correspondente. E para cada tipo de quark, o seu antiquark é uma partícula que tem a mesma massa e tempo de vida e outras propriedades, mas tem a carga elétrica oposta. Assim, por exemplo, enquanto o quark charm tem uma carga elétrica relativa de mais dois terços, o antiquark charm tem uma carga relativa de menos dois terços. Observe também que há uma diferença em como simbolizamos o quark e os tipos de antiquark correspondentes.

O símbolo abreviado para um determinado tipo de quark é simplesmente a primeira letra do nome desse quark, enquanto para o antiquark, utilizamos essa letra, mas colocamos uma barra em cima dela. Até agora, dissemos que existem seis tipos de quarks, mas podemos perguntar-nos: "os antiquarks significam que existem na verdade 12?" Em vez de pensar nos seis antiquarks como um tipo separado de quark, podemos considerar cada um como um par com a partícula quark com a qual está associado. Então, em vez de dizer que o quark up e o antiquark up são dois tipos diferentes de quark, diremos que existe um tipo, o tipo de quark up, expresso com a sua antipartícula.

Os antiquarks de cada tipo de quark seguem as mesmas tendências em termos de massa e tempo de vida. E, mais uma vez, os antiquarks charm, strange, top e bottom são menos comuns do que os antiquarks up e down. Isto também decorre das propriedades destes tipos de quark. E só para ficar claro, a razão destes quatro tipos serem menos comuns do que os quarks up e down e terem uma vida útil mais curta é que são menos estáveis. Ou seja, estes são mais propensos a decair rapidamente noutro tipo de quark. Então, quando dizemos que um tipo de quark é menos comum ou que tem uma vida útil mais curta, estamos efetivamente a dizer que é menos estável.

Assim como para outras partículas, os quarks interagem por meio de forças. Dois quarks podem exercer uma força gravítica um sobre o outro ou uma força eletromagnética ou uma força nuclear forte ou fraca. Todas as quatro forças fundamentais são meios pelos quais os quarks podem interagir uns com os outros. Sabendo tudo isto sobre quarks charm, strange, top e bottom, vamos praticar agora estas ideias por meio de um exemplo.

Faça uma lista das seguintes partículas por ordem da de maior para a de menor massa: quark top, quark strange, fotão, neutrino do tau, eletrão, protão, quark up.

Ok, então, nesta lista de sete partículas, queremos colocá-las por ordem da de maior para a de menor massa. E quando olhamos para estas partículas, vemos que temos três quarks, um quark top, um quark strange e um quark up; um protão e um eletrão, são partículas que podem ser mais familiares para nós; e então um fotão e algo chamado neutrino do tau. Quando pensamos num fotão, lembramos que se trata de uma partícula com massa zero. Portanto, seja qual for a ordem do resto da nossa lista, sabemos que o fotão virá por último porque nada pode ter menos massa do que massa zero.

Agora, esta partícula logo abaixo do fotão, o neutrino do tau, é conhecida como uma partícula que tem massa, mas tem a menor massa de todas as partículas que a têm. Por outras palavras, a sua massa não é zero, mas apenas pouco. Então, retrocedendo, sabemos que o último item da nossa lista será o fotão e o penúltimo será o neutrino do tau. Nesta altura, as nossas escolhas restantes são os três quarks e o protão e o eletrão. Os protões podemos lembrar que são compostos por quarks. Especificamente, um protão é composto por dois quarks up e um quark down. E a partir disto, podemos supor que um protão é mais maciço do que qualquer quark e, de facto, isto é verdade. E indo além disso, sabemos que um protão é mais maciço do que um eletrão, cerca de 2.000 vezes mais maciço. Tudo isto nos diz que a partícula no início da nossa lista, a mais maciça, é o protão.

Isso deixa-nos com os nossos três quarks e o eletrão. Queremos descobrir como estas partículas se classificam em termos de massa. Uma maneira de nos ajudar com isto é lembrar, como fizemos antes, que um protão é composto por dois quarks up e um quark down. Acontece que apenas cerca de 10 por cento da massa de um protão realmente vem da massa dos quarks que o compõem. No entanto, isto sugere que a massa de um quark é maior do que a massa de um eletrão, que, como lembramos, é cerca de um 2.000 a de um protão. E acontece que a nossa intuição está correta. Um eletrão é de facto menos maciço do que qualquer tipo de quark, o que significa que podemos escrevê-lo como o terceiro ao último item na nossa lista de classificação. Portanto, agora, a única questão que permanece é a dos quarks top, strange e up, qual é a sua classificação de massa?

Como dissemos, o quark up é parte do que constitui um protão e é parte do conjunto mais leve dos tipos de pares de quark. Isso se considerarmos up, down; charm, strange; e top, bottom, então a massa de cada um destes tipos diminui à medida que vamos da direita para a esquerda. Isso mostra-nos que um quark up ou down é menos maciço que um charm ou quark strange, que é menos maciço que um quark top ou bottom.

E isso mostra-nos como podemos escrever nas últimas três opções da nossa lista, os quarks top, strange e up. Dos três, o quark top tem a maior massa, seguido pelo quark strange e, por último, o quark up. Agora, temos a nossa lista completa. Por ordem da de maior para a de menor massa, temos o protão, o quark top, o quark strange, o quark up, o eletrão, o neutrino tau e o fotão.

Vejamos agora um segundo exercício de exemplo.

Qual das seguintes partículas tem uma carga relativa de mais dois terços? Antiquark top, quark down, quark top, quark up, eletrão, antiquark strange, quark charm.

Ok, uma das primeiras coisas que podemos notar aqui é que estamos à procura de partículas que têm uma carga relativa fracionária, uma carga relativa que não é um número inteiro. Esta é a marca registada de um quark. E vemos que a nossa lista é composta inteiramente de quarks ou antiquarks, com uma exceção. Um eletrão também está apresentado aqui. Mas podemos lembrar que um eletrão tem uma carga relativa negativa. E assim, imediatamente, podemos riscar esta opção porque utilizar um eletrão não tem a carga relativa que estamos à procura. Isso deixa-nos com os tipos de quark e antiquark apresentados.

Nesta altura, vamos lembrar que existem seis tipos de quark: up e down, charm e strange, e top e bottom. Organizámos estes tipos de modo que todos os três na linha de cima tenham a mesma carga relativa, mais dois terços e todos os três na linha de baixo também tenham a mesma carga relativa de menos um terço. Isso ajuda-nos a responder a esta questão porque vemos que um quark up, um charm ou um top terão a carga relativa que estamos à procura. E, de facto, na nossa lista de respostas possíveis, vemos todos os três tipos de quark. E, a partir desta tabela, também podemos dizer que, se encontrarmos quarks down, strange ou bottom na nossa lista de opções de resposta, podemos riscá-los porque não têm a carga relativa que desejámos. E de facto vemos que o quark down era uma opção, mas vamos riscá-lo, sabendo agora o que sabemos sobre este.

E isso deixa-nos com estes dois antiquarks. Uma propriedade do antiquark de um determinado tipo de quark é que este tem a carga relativa oposta, que é da mesma intensidade, mas de sinal oposto. Isso significa que a carga relativa do antiquark up, do antiquark charm e do antiquark top é menos dois terços e a dos outros três tipos de antiquark é mais um terço. Tudo isto para dizer que não há antiquarks com a carga relativa que procuramos. Nenhum deles tem uma carga relativa de mais dois terços, portanto, podemos anular estas opções da nossa lista. A nossa resposta então é que apenas o quark top, o quark up e o quark charm têm uma carga relativa de mais dois terços.

Vejamos agora um último exemplo de exercício.

Qual das seguintes partículas tem uma carga relativa com intensidade de um terço? O protão, o antiquark bottom, o antiquark top, o quark bottom, o quark down, o antiquark up, o antiquark strange.

Tudo bem, então estamos à procura de todas as partículas nesta lista dada com uma intensidade de carga de um terço. Podemos ver que esta é uma carga fracionária. E esta é a marca registada de um quark ou antiquark. Olhando para a nossa lista, vemos que todas as opções se enquadram nesta descrição, exceto uma. O protão, o primeiro item na lista, tem uma carga relativa mais um. Imediatamente, vemos que podemos riscar esta opção de resposta.

Então, agora, vamos dar uma olhadela nos tipos de quark e antiquark apresentados. Ao fazermos isso, uma coisa importante a ter em mente é que estamos à procura de partículas que tenham uma intensidade de carga relativa de um terço. Isso significa que qualquer partícula com carga de mais ou menos um terço se encaixa nesta descrição. Para começar a responder a esta questão, vamos relembrar os seis tipos de quark. Por pares, existem o quark up e down, o quark charm e strange e o quark top e bottom. Quando são escritos assim, sabemos que todos os tipos de quark na nossa linha top têm a mesma carga relativa, mais dois terços. E da mesma forma, todos os tipos de quark na nossa linha bottom têm a mesma carga relativa, menos um terço.

Lembrando que estamos à procura de partículas com intensidade de carga de um terço, podemos ver que a intensidade desta carga relativa, menos um terço, é mais um terço. E, portanto, qualquer dos quarks down, strange ou bottom que vemos na nossa lista se qualifica. Olhando mais uma vez para as nossas opções de resposta, vemos o quark bottom e o quark down apresentados aqui. E assim, sabemos que estas são partículas que têm uma carga relativa com intensidade de um terço. E agora, vamos dar uma olhadela nas partículas restantes, que são todas antiquarks.

Assim como com os tipos de quark, podemos escrever os tipos de antiquark de acordo com os seus pares. E agora, os tipos na linha top têm uma carga relativa de menos dois terços e os da parte bottom têm uma carga relativa de mais um terço. Isso significa que se encontrarmos o antiquark down, o antiquark strange ou o antiquark bottom na nossa lista, então estes satisfazem a condição que estamos à procura. E, de facto, vemos o antiquark do fundo aqui e o strange antiquark aqui. As outras duas opções, o antiquark top e up, não têm a carga relativa que desejamos. Portanto, podemos riscar estas opções e, em seguida, selecionar como parte da nossa resposta os antiquarks bottom e strange. Então, das partículas na nossa lista original, o antiquark bottom, o quark bottom, o quark down e o antiquark strange, todos têm uma carga relativa com intensidade de um terço.

Vamos resumir agora o que aprendemos sobre quarks strange, charm, bottom e top. Nesta aula, vimos que junto com os quarks up e down, que vimos que formam os protões e neutrões, existem mais quatro tipos: charm, strange, top e bottom. Quando organizamos estes seis tipos desta forma, vimos que todos os três tipos da linha de cima têm uma carga relativa de mais dois terços e os três da linha de baixo têm uma carga relativa de menos um terço.

Vimos mais adiante que, enquanto a massa destes pares de quarks aumenta à medida que avançamos da esquerda para a direita, a sua vida útil diminui à medida que seguimos nesta direção. Em particular, isto significa que os quarks charm, strange, top e bottom são menos estáveis do que up e down. Junto com isto, também aprendemos os símbolos e cargas relativas dos seis tipos de antiquark. E, por último, aprendemos que os quarks interagem uns com os outros por meio de todas as quatro forças fundamentais, gravidade, eletromagnetismo e as forças forte e fraca. Isto é um resumo dos quarks strange, charm, bottom e top.

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