Modelo Padrão

O Modelo Padrão da física de partículas é uma teoria que descreve as forças fundamentais forte, fraca e eletromagnética, bem como as partículas fundamentais que constituem toda a matéria. Desenvolvida entre 1970 e 1973, é uma teoria quântica de campos, consistente com a mecânica quântica e a relatividade especial. Para demonstrar sua importância, quase todos os testes experimentais das três forças descritas pelo Modelo Padrão concordaram com as suas previsões. Entretanto, o Modelo Padrão não é uma teoria completa das interações fundamentais, em primeiro lugar porque não descreve a gravidade.

O Modelo Padrão

O Modelo Padrão descreve dois tipos de partículas fundamentais: férmions e bósons.

• Os férmions são as partículas que possuem o spin semi-inteiro e obedecem o princípio de exclusão de Pauli, que diz que férmions idênticos não podem compartilhar o mesmo estado quântico.
• Os bósons possuem o spin inteiro e não obedecem o princípio de exclusão de Pauli.

Informalmente falando, os férmions são as partículas que constituem a matéria e os bósons são as partículas que transmitem as forças. Para uma descrição detalhada das diferenças entre férmions e bósons, veja o artigo de partículas idênticas.

No Modelo Padrão, a teoria da interação eletrofraca (que descreve as interações fracas e eletromagnéticas) é combinada com a teoria da cromodinâmica quântica. Todas estas teorias são teorias de calibre, significando que modelam as forças entre férmions acoplando aos bósons que "carregam" as forças. A Lagrangiana de cada conjunto de bósons mediadores é invariante sob uma transformação chamada de transformação de calibre, assim estes bósons mediadores são referidos como bósons de calibre. Os bósons no Modelo Padrão são:

• Fótons, que intermediam a interação eletromagnética.
• Bósons W e Z, que intermediam a interação fraca.
• Oito espécies dos glúons, que mediam a interação forte. Seis destes glúons são rotulados como pares de "cores" e de "anti-cores" (por exemplo, um glúon pode carregar o "vermelho" e "anti-verde".) Outras duas espécies são uma mistura mais complexa das cores e anti-cores.
• Os bósons de Higgs, que induzem a quebra espontânea de simetria dos grupos de calibre e são responsáveis pela existência da massa inercial.

As transformações de gauge dos bósons de calibre podem ser descritas usando um grupo unitário chamado grupo de calibre. O grupo de calibre da interação forte é o SU(3), e o grupo de calibre da interação eletrofraca é o SU(2)×U(1). Conseqüentemente, o Modelo Padrão é frequentemente referido como SU(3)×SU(2)×U(1). O bóson de Higgs é o único bóson na teoria que não é um bóson de calibre; tem um status especial na teoria, o que foi assunto de algumas controvérsias. Grávitons, os bósons que acredita-se mediar a interação gravitacional, não é explicado no Modelo Padrão.

Há doze tipos diferentes de "sabores" dos férmions no Modelo Padrão. Entre o próton, o nêutron, e o elétron, aqueles férmions que constituem a maior parte da matéria, o Modelo Padrão considera somente o elétron uma partícula fundamental. O próton e o nêutron são agregados de umas partículas menores conhecidas como quarks, que são mantidos junto pela interação forte.

Testes e predições

O Modelo Padrão predisse a existência dos bósons W e Z, dos glúons, do quark top e do quark charm antes que estas partículas fossem observadas. Suas propriedades preditas foram confirmadas experimentalmente com uma boa precisão.

O grande colisor de Elétron-Pósitron no CERN testou várias predições sobre a decaimento dos bósons Z, e foram confirmados.

Para ter uma ideia do sucesso do Modelo Padrão, uma comparação entre os valores medidos e preditos de algumas quantidades são mostrados na seguinte tabela:

Quantidade	Medido (GeV)	Modelo Padrão (GeV)
Massa do bóson W	80.387 ± 0.019	80.390 ± 0.018
Massa do bóson Z	91.1876 ± 0.0021	91.1874 ± 0.0021

Tabela

fermions levógeros (para esquerda) no Modelo Padrão

Fermion	Símbolo	Carga elétrica	Carga fraca*	Isospin fraco	Hipercarga	Carga de cor*	Massa**
Geração 1
Eletron	$e_{}^{}$	-1	$\mathbf {2}$	-1/2	-1/2	$\mathbf {1}$	0.511 MeV
neutrino eletron	$\nu _{e}^{}$	0	$\mathbf {2}$	+1/2	-1/2	$\mathbf {1}$	< 50 eV
Posítron	$e_{}^{c}$	1	$\mathbf {1}$	0	1	$\mathbf {1}$	0.511 MeV
Antineutrino eletron	$\nu _{e}^{c}$	0	$\mathbf {1}$	0	0	$\mathbf {1}$	< 50 eV
Quark Up	$u_{}^{}$	+2/3	$\mathbf {2}$	+1/2	+1/6	$\mathbf {3}$	~5 MeV ***
Quark Down	$d_{}^{}$	-1/3	$\mathbf {2}$	-1/2	+1/6	$\mathbf {3}$	~10 MeV ***
Antiquark Up	$u_{}^{c}$	-2/3	$\mathbf {1}$	0	-2/3	$\mathbf {\bar {3}}$	~5 MeV ***
Antiquark Down	$d_{}^{c}$	+1/3	$\mathbf {1}$	0	+1/3	$\mathbf {\bar {3}}$	~10 MeV ***
Geração 2
Muon	$\mu _{}^{}$	-1	$\mathbf {2}$	-1/2	-1/2	$\mathbf {1}$	105.6 MeV
Neutrino muon	$\nu _{\mu }^{}$	0	$\mathbf {2}$	+1/2	-1/2	$\mathbf {1}$	< 0.5 MeV
Anti-Muon	$\mu _{}^{c}$	1	$\mathbf {1}$	0	1	$\mathbf {1}$	105.6 MeV
antineutrino Muon	$\nu _{\mu }^{c}$	0	$\mathbf {1}$	0	0	$\mathbf {1}$	< 0.5 MeV
Quark charme	$c_{}^{}$	+2/3	$\mathbf {2}$	+1/2	+1/6	$\mathbf {3}$	~1.5 GeV
Quark Estranho	$s_{}^{}$	-1/3	$\mathbf {2}$	-1/2	+1/6	$\mathbf {3}$	~100 MeV
Antiquark anti-charme	$c_{}^{c}$	-2/3	$\mathbf {1}$	0	-2/3	$\mathbf {\bar {3}}$	~1.5 GeV
Antiquark anti-estranho	$s_{}^{c}$	+1/3	$\mathbf {1}$	0	+1/3	$\mathbf {\bar {3}}$	~100 MeV
Geração 3
Tau	$\tau _{}^{}$	-1	$\mathbf {2}$	-1/2	-1/2	$\mathbf {1}$	1.784 GeV
Neutrino tau	$\nu _{\tau }^{}$	0	$\mathbf {2}$	+1/2	-1/2	$\mathbf {1}$	< 70 MeV
Anti-Tau	$\tau _{}^{c}$	1	$\mathbf {1}$	0	1	$\mathbf {1}$	1.784 GeV
Antineutrino tau	$\nu _{\tau }^{c}$	0	$\mathbf {1}$	0	0	$\mathbf {1}$	< 70 MeV
Quark Top	$t_{}^{}$	+2/3	$\mathbf {2}$	+1/2	+1/6	$\mathbf {3}$	173 GeV
Quark Bottom	$b_{}^{}$	-1/3	$\mathbf {2}$	-1/2	+1/6	$\mathbf {3}$	~4.7 GeV
Antiquark Top	$t_{}^{c}$	-2/3	$\mathbf {1}$	0	-2/3	$\mathbf {\bar {3}}$	173 GeV
Antiquark Bottom	$b_{}^{c}$	+1/3	$\mathbf {1}$	0	+1/3	$\mathbf {\bar {3}}$	~4.7 GeV
* - Essas não são Cargas abelianas ordinárias que podem ser adicionadas, mas sim identificações de Representações de grupo dos Grupos de Lie. ** – A massa é realmente um acoplamento entre fermion dextrógeno e levógeno. Por exemplo, a massa de um elétron é realmente um acoplamento entre um elétron dextrógeno e levógeno, o qual é antiparticula de um positron levógeno. Também os neutrinos mostram a grande mistura entre seus acoplamentos de massa, então não é certo falar de massa do neutrino e no Sabor básico ou sugerir que o neutrino elétron levógeno e um neutrino elétron dextrógeno tem a mesma massa como esta tabela parece sugerir. *** – O que é sempre medido experimentalmente são as massas dos baryons e hadrons e vários razões de seção transversal. Desde que os quarks não podem ser isolados por causa do confinamento QCD, a quantidade expressa é a suposta massa do quark na escala da renormalização de fase de transição QCD.

Os fermions podem ser agrupados em três gerações, a primeira consiste do elétron, quark up e down e o neutrino elétron. Toda a matéria ordinária é feita desta primeira geração de partículas; as gerações mais altas de partículas decaem rapidamente para a primeira geração e somente podem ser gerados por um curto tempo em experimentos de alta-energia. A razão para este arranjo em gerações é que os quatro fermions em cada geração comportam-se sempre exatamente como seus contrapontos na outra geração; a única diferença e suas massas. Por exemplo, o elétron e o muon têm sempre meio spin e carga elétrica unitária, mas o muon é cerca de 200 vezes mais massivo.

Os elétrons, os neutrino-eletron, e seus contrapontos em outras gerações, são chamados de "leptons", "partículas de interação fraca". Diferentes dos quarks, eles não possuem uma qualidade chamada "cor", e suas interações são somente eletromagnética e fraca, e diminuem com a distância. Por outro lado, a força forte ou cor entre os quarks se torna mais forte com a distância, tal que os quarks são sempre encontrado em combinações neutras chamadas de hadrons, num fenômeno conhecido como confinamento quark. Existem os fermionic baryons compostos de três quark (o proton e o neutron para começar são os exemplos mais familiares) e os mesons bosonico compostos de um par quark-antiquark (tais como os pions). A massa de cada agrupamento excede a massa de seus componentes devido a energia de ligação.

Desafios do Modelo Padrão

Embora o Modelo Padrão tivesse um grande sucesso de explicar os resultados experimentais, ele nunca foi aceito como uma teoria completa da física fundamental, por ter dois grandes defeitos:

1. O modelo contém 19 parâmetros livres, tais como as massas da partícula, que devem ser determinadas experimentalmente (mais uns outros 10 para massas do neutrino). Estes parâmetros não podem ser calculados independentemente.
2. O modelo não descreve a interação gravitacional.

Desde a conclusão do Modelo Padrão, muitos esforços foram feitos dirigidos a estes problemas.

Uma tentativa de resolver o primeiro defeito é conhecida como teorias de grande unificação. As teorias de grande unificação às vezes chamada de (GUTs) especulam que o SU(3), o SU(2), e o U(1) grupos são subgrupos de um único grupo da simetria maior. Em altas energias (além do alcance de experiências atuais), a simetria do grupo unificador é preservada; em energias baixas, reduz-se a SU(3)×SU(2)×U(1) por um processo conhecido como quebra espontânea de simetria. A primeira teoria deste tipo foi proposta em 1974 por Georgi e por Glashow, usando SU(5) como o grupo unificador. Uma característica importante desta GUT é que, ao contrário do Modelo Padrão, o modelo de Georgi-Glashow prediz a existência do decaimento do próton. Em 1999, o Observatório de neutrinos Super-Kamiokande relatou que não tinha detectado o decaimento do próton, estabelecendo um limite mais baixo na meia-vida do próton de 6.7 × 10³² anos. Isto e outras experiências descartaram numerosas GUTs, includindo o SU(5).

Além disso, há algumas razões cosmológicas pelas quais acredita-se que o Modelo Padrão está incompleto. Dentro dele, a matéria e o antimatéria são simétricas. A preponderância da matéria no universo poderia ser explicada dizendo que o universo começou fora deste caminho, mas a maioria dos físicos acham essa explicação não elegante. Além disso, o Modelo Padrão não fornece nenhum mecanismo para gerar a inflação cósmica que acredita-se ter ocorrido no começo do universo, uma consequência de sua omissão da gravidade.

A existência do bóson de Higgs, que é predita pelo Modelo Padrão, foi confirmada em 14 de março de 2013.

O primeiro desvio experimental do Modelo Padrão veio em 1998, quando os resultados publicados pelo Super-Kamiokande indicaram a oscilação dos neutrinos. Isto implicou a existência de massas não-nulas dos neutrinos desde que partículas sem massa viajam na velocidade da luz e assim não experimentam a passagem do tempo. O Modelo Padrão não acomodou neutrinos massivos, porque supôs a existência somente dos neutrinos "canhotos", que têm o spin alinhado no sentido anti-horário em relação ao seu eixo de movimento. Se os neutrinos tiverem massas não-nulas, então eles viajam necessariamente mais lentamente do que a velocidade da luz. Consequentemente, seria possível "alcançar" um neutrino, escolhendo um sistema da referência em que o seu sentido do movimento é invertido sem afetar seu spin (que os faz destros). Desde então, os físicos revisam o Modelo Padrão para permitir que os neutrinos tenham massas, o que fazem aumentar os parâmetros livres adicionais além dos 19 iniciais.

Uma extensão do Modelo Padrão pode ser encontrada na teoria da supersimetria que propõe um "parceiro" supersimétrico massivo para cada partícula no Modelo Padrão convencional.

As partículas supersimétricas foram sugeridas como candidatas para explicar a matéria escura.

Artigos selecionados

• Y. Hayato et al., Search for Proton Decay through p → νK⁺ in a Large Water Cherenkov Detector. Phys. Rev. Lett. 83, 1529 (1999).
• S.F. Novaes, Standard Model: An Introduction, hep-ph:0001283

Ligações externas

• http://www.sprace.org.br/AventuraDasParticulas/ dá explicações bem simples, e acessíveis a qualquer um (sem contudo fugir ao rigor científico), sobre o que é o Modelo Padrão. Com versões em outras línguas.
• New Scientist story: Standard Model may be found incomplete
• The Universe Is A Strange Place, a lecture by Frank Wilczek
• Observation of the Top Quark at Fermilab
• PostScript version of the Standard Model Lagrangian