A força nuclear forte é, como você deve ter adivinhado, uma força muito forte de facto. É tão poderosa que é capaz de reunir algumas das mais pequenas partículas do Universo por períodos muito longos, possivelmente para sempre. Partículas ligadas pela força forte formam os blocos de construção do nosso mundo cotidiano: prótons e nêutrons. Mas se você cortasse um próton ou nêutron, não encontraria um arranjo simples e agradável de partículas subatômicas. Em vez disso, você veria as entranhas nojentas de talvez uma das forças mais complexas do universo.
Protões e neutrões não são as únicas coisas que a força forte é capaz de fazer, mas não entendemos realmente os outros arranjos mais complexos e exóticos. Além disso, até as nossas observações e experiências são, em si mesmas, muito esquemáticas. Mas os físicos estão trabalhando arduamente para tentar juntar as idéias sobre essa força fundamental da natureza.
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Forte e complexo
Para descrever a força forte, é melhor contrastá-la com a sua prima muito mais famosa, a força eletromagnética. Com a força eletromagnética as coisas são simples, fáceis e diretas; tanto assim que os cientistas de 1900 foram capazes de descobrir a maior parte delas. Com a força eletromagnética, qualquer partícula pode juntar-se ao partido desde que tenha uma propriedade chamada carga elétrica. Se você tem essa carga, então você pode sentir e responder à força eletromagnética. E todos os tipos de partículas de todas as faixas e sabores carregam uma carga elétrica, como a do seu jardim variedade elétron.
Outra partícula, a partícula de luz (também conhecida como o fóton), faz o trabalho de transmitir a força eletromagnética de uma partícula carregada para outra. O fotão em si não tem sua própria carga elétrica, e é sem massa. Ele viaja à velocidade da luz, oscilando para frente e para trás no universo, fazendo acontecer o eletromagnetismo.
Carga elétrica. Um único portador da força eletromagnética. Simples, direto.
Em contraste, há seis partículas que estão sujeitas à forte força nuclear. Como grupo, elas são conhecidas como os quarks e têm nomes suficientemente peculiares como para cima, para baixo, para cima, para baixo, estranhos e de encanto. Para sentir e responder à forte força nuclear, estes quarks têm uma carga própria. Não é uma carga elétrica (embora eles também tenham uma carga elétrica e também sintam a força eletromagnética), mas por várias razões que tornam as coisas realmente confusas, os físicos chamam essa carga especial associada à forte força nuclear de carga colorida.
Os quarks podem ter uma das três cores, chamada vermelho, verde e azul. Só para esclarecer, não são cores reais, mas apenas rótulos que damos a esta estranha propriedade de carga.
Então, os quarks sentem a forte força, mas são transportados por toda uma série de outras partículas – oito, para ser preciso. Eles são chamados de gluons, e fazem um ótimo trabalho de…esperar por isso…colar quarks juntos. Os gluões também têm a capacidade e o desejo de carregar a sua própria carga de cor. E eles têm massa.
Seis quarks, oito gluões. Os quarks podem mudar sua carga de cor, e os gluons também podem, porque não.
Tudo isso significa que a força nuclear forte é muito mais complexa e intrincada que sua prima eletromagnética.
Estranhamente forte
Okay, eu menti. Os físicos não chamaram esta propriedade dos quarks e gluões de “carga de cor” apenas porque lhes apeteceu, mas porque serve como uma analogia útil. Gluões e quarks podem se unir para formar partículas maiores desde que todas as cores se somem ao branco, assim como a luz vermelha, azul e verde se somam à luz branca… A combinação mais comum são três quarks, um de vermelho, outro de verde e outro de azul. Mas a analogia fica um pouco complicada aqui, porque cada quark individual pode ter qualquer uma das cores atribuídas a ele a qualquer momento no tempo; o que importa é o número de quarks para obter as combinações certas. Assim, você pode ter grupos de três quarks para fazer os conhecidos prótons e nêutrons. Você também pode ter um quark bind com seu anti-quark, onde a cor se cancela consigo mesma (como em, pares verdes com anti-verde, e não estou apenas inventando isso enquanto estou indo), para fazer uma espécie de partícula conhecida como um meson.
Mas não termina aí.
Teóricamente, qualquer combinação de quarks e gluons que se somam ao branco são tecnicamente permitidos na natureza.
Por exemplo, dois mésons – cada um com dois quarks dentro deles – podem potencialmente se unir em algo chamado tetraquark. E em alguns casos, você pode adicionar um quinto quark à mistura, ainda equilibrando todas as cores, chamado (você adivinhou) um pentaquark.
O tetraquark nem precisa ser tecnicamente unido em uma única partícula. Eles podem simplesmente existir um perto do outro, fazendo o que é chamado de molécula hidrônica.
E como isso é loucura: Os gluões em si podem nem precisar de uma quark para fazer uma partícula. Pode haver simplesmente uma bola de gluões pendurada, relativamente estável no universo. Eles são chamados de bolas de cola. A gama de todos os possíveis estados limite permitidos pela forte força nuclear é chamada de espectro de quarkonium, e isso não é um nome feito por um escritor de programas de TV de ficção científica. Existem todos os tipos de combinações potenciais loucas de quarks e gluões que podem existir.
Assim como eles?
Quark Rainbow
Maybe.
Físicos têm vindo a realizar fortes experiências de força nuclear há já algumas décadas, como a Experiência Baber e algumas no Grande Colisor de Hadron, lentamente ao longo dos anos construindo níveis de energia mais elevados para sondar cada vez mais fundo o espectro do quarkonium (e sim você tem a minha permissão para usar essa frase em qualquer frase ou conversa casual que queira, é fantástico). Nestas experiências, os físicos têm encontrado muitas coleções exóticas de quarks e gluões. Os experimentalistas dão-lhes nomes funky, como χc2(3930).
Estas partículas exóticas em potencial só existem fugazmente, mas em muitos casos existem de forma conclusiva. Mas os físicos têm dificuldade em ligar estas partículas produzidas brevemente às partículas teóricas que suspeitamos que deveriam existir, como os tetraquarks e as bolas de cola.
O problema em fazer a ligação é que a matemática é realmente difícil. Ao contrário da força eletromagnética, é muito difícil fazer previsões sólidas envolvendo força nuclear forte. Não é só por causa das complicadas interacções entre os quarks e os gluões. Com energias muito altas, a força da forte força nuclear começa a enfraquecer, permitindo que a matemática simplifique. Mas em energias mais baixas, como a energia necessária para unir quarks e gluões para fazer partículas estáveis, a força nuclear forte é na verdade, bem, muito forte. Este aumento de força torna a matemática mais difícil de perceber.
Os físicos teóricos têm inventado um monte de técnicas para resolver este problema, mas as técnicas em si são ou incompletas ou ineficientes. Embora saibamos que alguns destes estados exóticos no espectro do quarkonium existem, é muito difícil prever suas propriedades e assinaturas experimentais.
Partir de agora, os físicos estão trabalhando duro, como sempre fazem. Lentamente, com o tempo, estamos construindo nossa coleção de partículas exóticas produzidas em coliders, e fazendo melhores e melhores previsões sobre como devem ser os estados teóricos do quarkonium. Lentamente, as colisões estão se aproximando, dando-nos uma imagem mais completa desta estranha mas fundamental força em nosso universo.
Paul M. Sutter é astrofísico da The Ohio State University, apresentador de Ask a Spaceman and Space Radio, e autor de Your Place in the Universe.
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Originalmente publicado em Live Science.
