Modelo Padrão da física de partículas

O Modelo Padrão é a teoria que descreve de que a matéria é feita e que forças atuam entre seus componentes. É a teoria mais precisa que a física produziu — e o neutrino é o único lugar em que ela é comprovadamente incompleta no laboratório.

O acervo

Doze partículas de matéria, ordenadas em três famílias. Seis quarks, dos quais são feitos prótons e nêutrons, e seis léptons — elétron, múon, tau e os três neutrinos correspondentes. A cada um corresponde uma antipartícula.

Quatro partículas de força. O fóton transmite o eletromagnetismo, os bósons W e Z a interação fraca, os glúons a interação forte, que mantém unidos os núcleos atômicos.

Um bóson de Higgs, cujo campo confere às demais partículas sua massa. Ele foi detectado em 2012 no CERN — quase cinquenta anos depois de sua previsão.

A gravidade falta. Ela não está contida no Modelo Padrão, e até agora ninguém sabe como ela poderia ser incorporada.

Por que ele é tão bem-sucedido

O balanço é extraordinário. O Modelo Padrão previu a existência dos bósons W e Z, do quark charm, do quark top e do bóson de Higgs antes que fossem encontrados — em parte décadas antes.

Algumas de suas previsões coincidem com a medição em doze casas decimais. Essa é uma precisão como a de determinar a distância Berlim–Tóquio na largura de um fio de cabelo.

Nenhum experimento de acelerador jamais encontrou uma contradição clara.

Onde ele termina

E ainda assim o Modelo Padrão é reconhecidamente incompleto. As lacunas estão bem nomeadas:

A gravidade não aparece.

Matéria escura e energia escura perfazem juntas cerca de 95 por cento do conteúdo energético do universo. O Modelo Padrão descreve os cinco restantes.

O predomínio da matéria. No Big Bang, matéria e antimatéria deveriam ter surgido em igual quantidade. Por que algo sobrou o modelo não explica — a assimetria conhecida no setor dos quarks é pequena demais por ordens de grandeza.

O número três. Por que existem exatamente três famílias de partículas e não duas ou cinco é desconhecido. A medição no bóson Z diz que são três. Ela não diz por quê.

A massa do neutrino.

A fissura em um único ponto

Em sua versão original o Modelo Padrão contém neutrinos sem massa. Isso não foi negligência, mas uma consequência natural da construção: para uma massa seriam necessários neutrinos dextrógiros, e estes não aparecem nele.

Em 1998 Takaaki Kajita mostrou que os neutrinos oscilam, em 2002 Arthur B. McDonald mostrou em que eles se transformam. Só pode oscilar o que tem massa.

Com isso um achado de laboratório se opõe à teoria — o único que até agora se sustenta. Todos os outros desvios comunicados ao longo dos anos revelaram-se flutuações estatísticas ou erros de medição.

O Modelo Padrão pode ser ampliado para incluir massas de neutrinos; a questão é como. O mecanismo seesaw seria uma resposta, e ele abriria ao mesmo tempo um caminho para a explicação do predomínio da matéria.

Por que isso torna a física de neutrinos tão interessante

Quem quer ir além do Modelo Padrão procura onde ele já cedeu uma vez. Por isso fluem em todo o mundo bilhões para detectores de neutrinos cada vez maiores — de JUNO passando por DUNE até Hyper-Kamiokande.

O neutrino é a partícula mais leve, mais frequente e mais singular do modelo. E é a única que já uma vez revelou algo que a teoria não sabia.

Termos relacionados

• Lépton — as famílias de partículas
• Bósons W e Z — as partículas de força
• Massa do neutrino — o ponto aberto
• Mecanismo seesaw — uma ampliação possível

Fontes

• Particle Data Group: Review of Particle Physics, seção Standard Model.
• Colaborações ATLAS e CMS: detecção do bóson de Higgs, Physics Letters B 716 (2012).