Transcrição do vídeo
Neste vídeo, o nosso tópico é a conservação do número bariónico. O número bariónico é uma propriedade que é possuída por todas as partículas subatómicas. Nesta aula, aprenderemos como descobrir este número para uma determinada partícula e também veremos como este é conservado em interações nucleares.
Embora este termo número bariónico possa não nos ser familiar, sabemos um pouco sobre o que são bariões. Esta é uma partícula composta por exatamente três quarks. E podemos lembrar que existem seis quarks — up, down; charm, strange; top, down — e também que cada tipo de quark possui um antiquark correspondente. Trazemos os quarks e as suas antipartículas porque o número bariónico de qualquer partícula, incluindo um barião, é determinado pelos quarks que o compõem.
Agora, como dissemos, o número bariónico é uma propriedade das partículas. Desta forma, é semelhante à carga elétrica. Cada partícula tem uma carga elétrica, mesmo que seja zero, e é o mesmo com o número bariónico. Para cada quark, o seu número bariónico é mais um terço, enquanto cada antiquark tem um número bariónico de menos um terço.
Sabendo isto, podemos descobrir o número bariónico de qualquer partícula, seja um quark ou não, sabendo quais quarks a compõem. Para obter o número bariónico de uma partícula composta formada por mais do que um quark ou um antiquark, somamos os números bariónicos dos quarks e antiquarks que a compõem.
Aqui está um exemplo. Digamos que estamos a trabalhar com um neutrão. E um neutrão é uma partícula composta de um quark up e dois quarks down. Para resolver o número bariónico de um neutrão, somamos os números bariónicos dos quarks nele. Como todas as partículas que constituem um neutrão são quarks em vez de antiquarks, todas têm um número bariónico de mais um terço. Portanto, para cada um dos três quarks, somamos o seu número de um terço e obtemos um total de um. Portanto, este é o número bariónico de um neutrão.
E observe como este processo é semelhante à solução para a carga geral de uma partícula composta. Funciona pelo mesmo método: some o número bariónico de cada uma das partes de uma partícula para obter o seu número bariónico total.
Bem, mencionámos anteriormente que este nome, número bariónico, refere-se especificamente a uma classe de partículas chamadas bariões. Um barião é formado por exatamente três quarks, então vemos que um neutrão é um exemplo disso. Visto que o número bariónico de um quark individual é mais um terço e que cada barião é formado por três quarks, podemos concluir que cada barião tem um número bariónico de exatamente um. Porém, sabemos que existem outras classes de partículas além dos bariões. Os bariões são apenas uma subclasse de um grupo de partículas compostas chamadas hadrões.
Os hadrões são formados por mais do que um quark. E estes incluem um grupo de partículas chamadas mesões. Os mesões diferem dos bariões porque são compostos por um quark e um antiquark. Sabendo o que sabemos sobre o número bariónico de quarks e antiquarks, qual seria o número bariónico dos mesões?
Como dissemos, um mesão é formado por um quark e um antiquark. E aqui está um exemplo disso. O quark, neste caso um quark charm, tem um número bariónico de mais um terço, enquanto o antiquark, neste caso um antiquark down, tem um número bariónico de menos um terço. Somando-os para a partícula geral, obtemos um número bariónico total igual a zero. E, de facto, isso é verdade para todos os mesões, já que todos são formados por um quark e um antiquark.
Então, para qualquer hadrão, qualquer partícula composta por múltiplos quarks, podemos resolver o seu número bariónico somando os números bariónicos dos seus quarks e antiquarks constituintes. Mas nem todas as partículas são compostas por quarks. Por exemplo, existe uma classe de partículas chamada leptões. Esta inclui o eletrão, o muão, o tau e vários neutrinos, todas elas partículas elementares que não são formadas por quarks. A última parte, de que os leptões não são formados por quarks, é a chave para entender o seu número bariónico. A única razão pela qual uma partícula teria um número bariónico diferente de zero é se esta for formada por quarks ou antiquarks. Portanto, os leptões, sem quarks, têm um número bariónico igual a zero.
Anteriormente, mencionámos que o número bariónico, assim como a carga elétrica, é uma propriedade que todas as partículas possuem. Se pensarmos sobre porque é que uma determinada partícula ou objeto tem uma carga elétrica líquida, sabemos que isto se resume a cargas positivas e negativas fundamentais. Quando falamos sobre o número bariónico, podemos pensar em quarks e antiquarks da mesma maneira. Estas são as unidades básicas, poderíamos dizer, do número bariónico. Assim, assim como qualquer partícula que não tivesse nenhuma carga positiva ou negativa teria carga total zero, qualquer partícula que não tenha quarks ou antiquarks terá um número bariónico igual a zero.
Agora, há ainda outra semelhança entre o número bariónico e a carga elétrica. Para ver o que é, vamos libertar um pouco de espaço no ecrã. E agora vamos escrever uma equação de decaimento nuclear bastante comum. Nesta equação, temos um núcleo de hidrogénio três, ou seja, um núcleo com o um protão e dois neutrões, passando pelo processo de decaimento beta de modo que se torna um núcleo de hélio três mais um eletrão mais uma partícula chamada antineutrino de eletrão.
Agora, sabemos que em qualquer equação nuclear válida, a carga elétrica precisa de ser conservada. Isso significa que a carga elétrica total num membro deve ser igual à do outro. Se olharmos para o primeiro membro desta equação, vemos que a carga total aqui para um núcleo de hélio três é mais um. Isto deve-se a um protão no núcleo. Então, se olharmos para o membro dos produtos, vemos que agora temos um núcleo de hélio três. Então, este é um núcleo que tem dois protões, o que significa que a carga relativa deste núcleo será mais dois.
Porém, observe que um eletrão também é um produto deste decaimento. E tem uma carga relativa de menos um. E, em seguida, o nosso antineutrino do eletrão é uma partícula neutra. Esta tem uma carga total de zero. Se fizermos uma equação com os membros dos reagentes e dos produtos deste decaimento, veremos que mais um realmente é igual a dois menos um. Ou seja, a carga elétrica é conservada nesta interação e sabemos que isto geralmente é verdade.
Bem, nesta aula sobre o número bariónico, descobrimos que acontece a mesma coisa. Em qualquer equação nuclear válida, o número bariónico é conservado. E, de facto, podemos ver um exemplo disto nesta equação. Começando pelo primeiro membro com o nosso hidrogénio, sabemos que aqui temos um protão e dois neutrões. Anteriormente, vimos que o número bariónico de um neutrão é mais um. Assim, os dois neutrões dão-nos um número bariónico total de dois. E, em seguida, adicionamos a este o número bariónico do único protão. E um protão, assim como um neutrão, é um barião. Ou seja, é uma classe de partícula com um número bariónico de um. Tudo isto significa que o número bariónico total deste núcleo de hidrogénio três é mais três.
Então, quando olhamos para o membro dos produtos desta reação, vemos um núcleo de hélio agora com dois protões e um neutrão. Mas, mais uma vez, cada protão e cada neutrão têm um número bariónico de um. E, portanto, o número bariónico total deste núcleo é três.
E, em seguida, consideramos o número bariónico do eletrão e o antineutrino do eletrão. Porém, estas partículas são partículas fundamentais. Estas não são formadas por quarks. E, portanto, têm um número bariónico de zero. Quando consideramos o número bariónico nesta equação, descobrimos que é conservado. E, como dissemos, isto geralmente é verdade. Na verdade, se encontrássemos uma equação nuclear em que o número bariónico não fosse conservado, saberíamos que esta equação não é possível. Este facto ajudou os investigadores a descobrir quais as equações nucleares que podem e não podem ocorrer.
Sabendo tudo isto sobre o número bariónico, vamos praticar agora com um exemplo de um exercício.
Um barião Xi é uma partícula composta de um quark up e dois quarks strange. Qual é o número bariónico de um barião Xi?
Ok, então vamos dizer que este aqui é o nosso barião Xi com o seu quark up e os seus dois quarks strange. Queremos descobrir qual é o número bariónico de um barião Xi. Uma maneira de começar a fazer isto é lembrar que o número bariónico é uma propriedade básica das partículas. Desta forma, é como carga elétrica ou massa. No caso da carga elétrica, por exemplo, sabemos que uma partícula recebe uma carga com base em quantas cargas fundamentais positivas e negativas esta possui. O número bariónico, porém, em vez de ser determinado pelo número de protões e eletrões, é determinado pelo número de quarks e antiquarks numa partícula.
Um quark tem um número bariónico de mais um terço, enquanto um antiquark tem um número bariónico de menos um terço. Portanto, para descobrir o número bariónico de um barião Xi, podemos somar o número bariónico dos seus quarks. Cada um tem um número bariónico de mais um terço e, portanto, estes somam um. Este é de fato o número bariónico de um barião Xi.
Mas observe que há outra maneira de obtermos a mesma resposta. Poderíamos lembrar que qualquer partícula chamada barião tem um número bariónico mais um. Isto é verdade porque um barião, por definição, é uma partícula composta por três quarks. Seja como for, o número bariónico desta partícula é mais um.
Vejamos agora um segundo exercício de exemplo.
Um pião com carga positiva é um mesão composto por um quark up e um antiquark down. Qual é o número bariónico de um pião com carga positiva?
Ok, então vamos dizer que este é o nosso pião. É formado por um quark up e um antiquark down. E vemos que o representamos com este símbolo 𝜋 com um sinal de mais no sobrescrito. Queremos saber o número bariónico deste pião. E para descobrir isso, podemos lembrar primeiro que qualquer quark tem um número bariónico de mais um terço, enquanto qualquer antiquark tem um número bariónico de menos um terço. Então, para obter o número bariónico total do nosso pião, vamos somar os números bariónico das partículas que o compõem, neste caso um quark up e um antiquark down.
O quark up tem um número bariónico mais um terço. E adicionamos isto ao número bariónico do antiquark baixo, menos um terço, que vemos dá uma soma de zero. Este então é o número bariónico de um pião.
Outra maneira de reconhecer que isto é verdade é observar que, uma vez que um pião é um mesão, ou seja, uma partícula formada por um quark e um antiquark, este terá um número bariónico igual a zero porque isto é verdadeiro para todos os mesões. Para todas estas partículas, adicionamos um número bariónico de mais um terço para o quark a um número bariónico de menos um terço para o antiquark e obtemos zero.
Vejamos agora um último exemplo de exercício.
Qual das seguintes partículas tem um número bariónico igual a zero? Protão, quark top, eletrão, mesão B, antiquark down, tau, neutrino mu, barião delta, quark up.
Para descobrir qual destas nove partículas tem um número bariónico igual a zero, vamos lembrar o que dá a algo um número bariónico em primeiro lugar. Esta propriedade vem do tipo de quarks que uma partícula possui ou não. O que queremos dizer é que um quark tem um número bariónico de mais um terço. Um antiquark, por outro lado, tem um número bariónico de menos um terço. Podemos determinar o número total de bariões de uma partícula considerando quais os quarks e os antiquarks que possui.
Por exemplo, considerando o primeiro item da nossa lista, o protão, esta é uma partícula composta por três quarks: dois quarks up e um quark down. Como cada um destes três quarks tem um número bariónico de mais um terço, o número bariónico total desta partícula, o protão, é igual a um terço mais um terço mais um terço. Isto é um. Portanto, vemos que um protão não tem um número bariónico igual a zero e podemos riscá-lo.
Que tal um quark top? Bem, vemos que todos os quarks tem um número bariónico de mais um terço. Portanto, um quark top sozinho não terá um número bariónico igual a zero. Em vez disso, o seu número bariónico é mais um terço, então também o riscamos.
A seguir, consideramos um eletrão. Um eletrão é uma partícula fundamental. Pelo que sabemos, não é formado por nada menor. Como tal, um eletrão não possui quarks. E uma vez que quarks são o que dá a uma partícula um número bariónico, um eletrão, não tendo nenhum deles, tem um número bariónico igual a zero. Sabemos então que a nossa resposta a esta pergunta incluirá o eletrão.
A seguir, vamos dar uma olhada nesta partícula chamada mesão B. Embora possamos não estar familiarizados com este tipo específico de mesão, podemos lembrar que os mesões em geral são partículas feitas de um quark e um antiquark. Como exemplo disto, este é um mesão composto por um quark charm e um antiquark down. Como o quark charm tem um número bariónico de mais um terço e o antiquark down tem um número bariónico de menos um terço, podemos ver que o número bariónico geral para esta partícula é zero. E também podemos ver que isto será verdade para todos os mesões porque qualquer quark tem o mesmo número bariónico de mais um terço e qualquer antiquark tem o mesmo número bariónico de menos um terço. Portanto, mesmo que não possamos lembrar exatamente do que um mesão B é feito, sabemos que, por ser um mesão, tem um número bariónico igual a zero.
Em seguida, consideramos um antiquark baixo. Sozinho, este antiquark, sabemos, terá um número bariónico de menos um terço negativo, não zero. E, portanto, vamos riscá-lo da nossa lista também.
A seguir, consideramos esta partícula chamada tau. Um tau é uma partícula fundamental que não é formada por nenhuma partícula menor do que ela mesma. Como tal, não possui quarks ou antiquarks e, portanto, não tem nada a contribuir para dar-lhe um número bariónico diferente de zero. Então, como não possui quarks ou antiquarks, um tau terá um número bariónico igual a zero.
A seguir, consideramos esta partícula chamada neutrino mu, que, na verdade, está na mesma classe de partículas dos tau. Estes são chamados leptões. Assim como o tau, o neutrino mu não é composto por quarks. E também tem um número bariónico igual a zero.
Em seguida, há esta partícula chamada barião delta. Um barião, podemos lembrar-nos, é um tipo de partícula formada por exatamente três quarks. O nosso protão aqui é um exemplo de um barião. E assim como o protão tinha um número bariónico de um, todas as partículas formadas por exatamente três quarks, isto é, todos os bariões, têm o mesmo número bariónico. Isto significa que um delta barião não tem um número bariónico igual a zero, portanto, não escolheremos esta opção.
Por último, isto leva-nos ao quark up. Como vimos, qualquer quark individual tem um número bariónico de mais um terço. Portanto, o quark up tem o mesmo número bariónico e, portanto, não tem um número bariónico igual a zero.
De todas estas partículas, é o eletrão, o mesão B, o tau e o neutrino mu que têm um número bariónico igual a zero.
Vamos resumir agora o que aprendemos sobre a conservação do número bariónico. Nesta aula, vimos que, assim como a carga elétrica, o número bariónico é uma propriedade fundamental das partículas. O número bariónico de uma partícula é determinado pelos quarks e antiquarks que esta pode possuir. O número bariónico de um quark é mais um terço e de um antiquark é menos um terço. Isto implica que os bariões, partículas formadas por exatamente três quarks, têm um número bariónico de mais um e que os mesões, partículas formadas por um quark e um antiquark, têm um número bariónico igual a zero.
Vimos mais adiante que qualquer partícula não composta por quarks também tem um número bariónico igual a zero. Por último, vimos que nas equações nucleares, o número bariónico é uma quantidade conservada. Na verdade, vimos que esta conservação é um requisito para que uma determinada reação nuclear ocorra. Isto é um resumo da conservação do número bariónico.
