A força nuclear forte é, como você deve ter adivinhado, uma força muito forte de fato. É tão poderoso que é capaz de reunir algumas das menores 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 abrisse 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.
Prótons e nêutrons não são as únicas coisas que a força forte é capaz de fazer, mas realmente não entendemos os outros arranjos mais complexos e exóticos. Além do mais, até nossas observações e experimentos são muito pouco detalhados. Mas os físicos estão trabalhando duro tentando juntar idéias sobre essa força fundamental da natureza.
Forte e complexo
Para descrever a força forte, é melhor contrastá-la com seu primo muito mais famoso, a força eletromagnética. Com a força eletromagnética, as coisas são simples, fáceis e diretas; tanto que, na década de 1900, os cientistas foram capazes de descobrir isso. Com a força eletromagnética, qualquer partícula pode se juntar à parte desde que tenha uma propriedade chamada carga elétrica. Se você tiver essa carga, poderá sentir e responder à força eletromagnética. E todos os tipos de partículas de todas as faixas e sabores carregam uma carga elétrica, como a variedade de elétrons do seu jardim.
Outra partícula, a partícula de luz (também conhecida como fóton), realiza o trabalho de transmitir força eletromagnética de uma partícula carregada para outra. O fóton em si não tem sua própria carga elétrica e é sem massa. Viaja na velocidade da luz, percorrendo o universo de um lado para o outro, fazendo o eletromagnetismo acontecer.
Carga elétrica. Um único portador da força eletromagnética. Simples, direto.
Por outro lado, existem seis partículas sujeitas à forte força nuclear. Como um grupo, eles são conhecidos como quarks e têm nomes bastante peculiares como cima, baixo, cima, baixo, estranho e charme. Para sentir e responder à forte força nuclear, esses 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 força nuclear forte de carga colorida.
Os quarks podem ter uma de três cores, chamadas vermelho, verde e azul. Só para esclarecer, não são cores reais, mas apenas etiquetas que damos a essa propriedade estranha e carregada.
Então, os quarks sentem a força forte, mas são carregados por várias outras partículas - oito, para ser mais preciso. Eles são chamados de glúons e fazem um ótimo trabalho de ... espere ... colando quarks juntos. Os glúons também têm a capacidade e o desejo de carregar sua própria carga de cor. E eles têm massa.
Seis quarks, oito glúons. Os quarks podem mudar sua carga de cor, e os glúons também, porque porque não.
Tudo isso significa que a força nuclear forte é muito mais complexa e intrincada do que seu primo eletromagnético.
Estranhamente forte
Ok, eu menti. Os físicos não chamam apenas essa propriedade de quarks e glúons de "carga de cor" porque sentem vontade, mas porque serve como uma analogia útil. Glúons e quarks podem se unir para formar partículas maiores, contanto que todas as cores se tornem brancas, assim como as luzes vermelha, azul e verde se somam à luz branca ... A combinação mais comum é de três quarks, um vermelho, verde, e 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; o que importa é o número de quarks para obter as combinações certas. Então você pode ter grupos de três quarks para produzir os prótons e nêutrons familiares. Você também pode ter um vinculo de quark com seu anti-quark, onde a cor se cancela consigo mesma (como em pares verdes com anti-verde, e não, eu não estou apenas inventando isso à medida que avança), para fazer uma tipo de partícula conhecido como meson.
Mas isso não termina aí.
Teoricamente, qualquer combinação de quarks e glúons que se somam ao branco é tecnicamente admissível 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) de pentaquark.
O tetraquark nem precisa ser tecnicamente unido em uma única partícula. Eles podem simplesmente existir próximos um do outro, criando o que é chamado de molécula hidrônica.
E que loucura é essa: os próprios glúons podem nem precisar de um quark para formar uma partícula. Pode haver simplesmente uma bola de glúons saindo relativamente estável no universo. Eles são chamados glueballs. O alcance de todos os estados limitados possíveis permitidos pela força nuclear forte é chamado espectro de quarkônio, e esse não é um nome composto por um escritor de programa de TV de ficção científica. Existem todos os tipos de combinações potenciais loucas de quarks e glúons que podem existir.
Eles também?
Quark Rainbow
Talvez.
Os físicos vêm realizando fortes experimentos de força nuclear há algumas décadas, como o Baber Experiment e alguns no Large Hadron Collider, lentamente ao longo dos anos, construindo níveis de energia mais altos para investigar cada vez mais profundamente o espectro de quarkônio (e sim você tem minha permissão para usar essa frase em qualquer frase ou conversa casual que desejar, é incrível). Nessas experiências, os físicos encontraram muitas coleções exóticas de quarks e glúons. Os experimentalistas lhes dão nomes descolados, como χc2 (3930).
Essas partículas potenciais exóticas existem apenas fugazmente, mas em muitos casos existem conclusivamente. Mas os físicos têm dificuldade em conectar essas partículas produzidas brevemente às teóricas que suspeitamos que deveriam existir, como os tetraquarks e os glueballs.
O problema de fazer a conexão é que a matemática é realmente difícil. Ao contrário da força eletromagnética, é muito difícil fazer previsões sólidas envolvendo força nuclear forte. Não é apenas por causa das interações complicadas entre os quarks e os glúons. Em energias muito altas, a força da força nuclear forte começa a enfraquecer, permitindo que a matemática seja simplificada. Mas em energias mais baixas, como a energia necessária para unir quarks e glúons para formar partículas estáveis, a força nuclear forte é realmente muito, muito forte. Esse aumento da força dificulta a matemática.
Os físicos teóricos criaram várias técnicas para resolver esse problema, mas as técnicas são incompletas ou ineficientes. Embora saibamos que existem alguns desses estados exóticos no espectro de quarkônio, é muito difícil prever suas propriedades e assinaturas experimentais.
Ainda assim, os físicos estão trabalhando duro, como sempre fazem. Lentamente, com o tempo, estamos construindo nossa coleção de partículas exóticas produzidas em colisores e fazendo previsões cada vez melhores sobre como devem ser os estados teóricos do quarkônio. As partidas estão se aproximando lentamente, dando-nos uma imagem mais completa dessa força estranha, porém fundamental, em nosso universo.
Paul M. Sutter é um astrofísico da Universidade Estadual de Ohioanfitrião de Pergunte a um astronauta e Rádio Espaciale autor de Seu lugar no universo.
