O modelo padrão. Que nome enfadonho para a teoria científica mais precisa conhecida pelos seres humanos.

Mais de um quarto dos prêmios Nobel de física do século passado são entradas diretas ou resultados diretos do Modelo Padrão. No entanto, seu nome sugere que, se você pode pagar alguns dólares extras por mês, deve comprar a atualização. Como físico teórico, Eu prefiro The Absolutely Amazing Theory of Quase Everything. Isso é o que o Modelo Padrão realmente é.

Muitos se lembram da empolgação entre os cientistas e a mídia com a descoberta do bóson de Higgs em 2012. Mas aquele evento tão alardeado não saiu do nada - ele coroou uma seqüência invicta de cinco décadas para o Modelo Padrão. Todas as forças fundamentais, exceto a gravidade, estão incluídas nele. Todas as tentativas de derrubá-lo para demonstrar em laboratório que ele deve ser substancialmente retrabalhado - e houve muitos nos últimos 50 anos - fracassou.

Resumidamente, o modelo padrão responde a esta pergunta:do que tudo é feito, e como isso se mantém?

Os menores blocos de construção

Você sabe, claro, que o mundo ao nosso redor é feito de moléculas, e as moléculas são feitas de átomos. O químico Dmitri Mendeleev descobriu isso na década de 1860 e organizou todos os átomos - isto é, os elementos - na tabela periódica que você provavelmente estudou no ensino médio. Mas existem 118 elementos químicos diferentes. Há antimônio, arsênico, alumínio, selênio ... e 114 mais.

Os físicos gostam de coisas simples. Queremos reduzir as coisas à sua essência, alguns blocos básicos de construção. Mais de cem elementos químicos não é simples. Os antigos acreditavam que tudo é feito de apenas cinco elementos - terra, agua, incêndio, ar e éter. Cinco é muito mais simples do que 118. Também está errado.

Em 1932, os cientistas sabiam que todos esses átomos são feitos de apenas três partículas - nêutrons, prótons e elétrons. Os nêutrons e prótons estão fortemente unidos no núcleo. Os elétrons, milhares de vezes mais leve, giram em torno do núcleo a velocidades próximas à da luz. Os físicos Planck, Bohr, Schroedinger, Heisenberg e amigos inventaram uma nova ciência - a mecânica quântica - para explicar esse movimento.

Teria sido um lugar satisfatório para parar. Apenas três partículas. Três é ainda mais simples do que cinco. Mas juntos como? Os elétrons carregados negativamente e prótons carregados positivamente são unidos por eletromagnetismo. Mas os prótons estão todos amontoados no núcleo e suas cargas positivas devem separá-los fortemente. Os nêutrons neutros não podem ajudar.

O que une esses prótons e nêutrons? "Intervenção divina", disse-me um homem em uma esquina de Toronto; ele tinha um panfleto, Eu poderia ler tudo sobre isso. Mas este cenário parecia um monte de problemas até mesmo para um ser divino - manter o controle sobre cada um dos 10⁸⁰ prótons e nêutrons do universo e dobrá-los à sua vontade.

Expandindo o zoológico de partículas

Enquanto isso, a natureza cruelmente se recusou a manter seu zoológico de partículas para apenas três. Realmente quatro, porque devemos contar o fóton, a partícula de luz que Einstein descreveu. Quatro cresceu para cinco quando Anderson mediu elétrons com carga positiva - pósitrons - atingindo a Terra do espaço sideral. Pelo menos Dirac havia previsto essas primeiras partículas de antimatéria. Cinco tornou-se seis quando o píon, que Yukawa previu que manteria o núcleo unido, foi encontrado.

Então veio o múon - 200 vezes mais pesado que o elétron, mas fora isso um gêmeo. "Quem pediu isso?" I.I. Rabi brincou. Isso resume tudo. Número sete. Não só não é simples, redundante.

Na década de 1960, havia centenas de partículas "fundamentais". No lugar da tabela periódica bem organizada, havia apenas uma longa lista de bárions (partículas pesadas como prótons e nêutrons), mésons (como os píons de Yukawa) e léptons (partículas de luz como o elétron, e os indescritíveis neutrinos) - sem organização e sem princípios orientadores.

Nesta brecha se escondeu o Modelo Padrão. Não foi um lampejo de brilho da noite para o dia. Nenhum Arquimedes saltou de uma banheira gritando "eureka". Em vez de, houve uma série de percepções cruciais por alguns indivíduos-chave em meados da década de 1960 que transformaram este atoleiro em uma teoria simples, e depois cinco décadas de verificação experimental e elaboração teórica.

Quarks. Eles vêm em seis variedades que chamamos de sabores. Como sorvete, exceto não tão saboroso. Em vez de baunilha, chocolate e assim por diante, nós temos até, baixa, estranho, charme, inferior e superior. Em 1964, Gell-Mann e Zweig nos ensinaram as receitas:misture e combine quaisquer três quarks para obter um bárion. Os prótons são dois quark ups e um down juntos; nêutrons são dois downs e um up. Escolha um quark e um antiquark para obter um meson. Um píon é um quark up ou down ligado a um anti-up ou anti-down. Todo o material de nossa vida diária é feito apenas de quarks up e down, anti-quarks e elétrons.

Simples. Nós vamos, simples, porque manter esses quarks limitados é uma façanha. Eles estão ligados uns aos outros com tanta força que você nunca encontrará um quark ou anti-quark sozinho. A teoria dessa ligação, e as partículas chamadas glúons (risadas) que são responsáveis, é chamado de cromodinâmica quântica. É uma peça vital do Modelo Padrão, mas matematicamente difícil, até mesmo apresentando um problema não resolvido de matemática básica. Nós, físicos, fazemos o nosso melhor para calcular com ele, mas ainda estamos aprendendo como.

O outro aspecto do modelo padrão é "Um modelo de léptons". Esse é o nome do importante artigo de 1967 de Steven Weinberg que reuniu a mecânica quântica com as peças vitais do conhecimento de como as partículas interagem e organizou as duas em uma única teoria. Ele incorporou o eletromagnetismo familiar, juntou-se ao que os físicos chamam de "a força fraca" que causa certos decaimentos radioativos, e explicou que eles eram diferentes aspectos da mesma força. Ele incorporou o mecanismo de Higgs para dar massa às partículas fundamentais.

Desde então, o modelo padrão previu os resultados de experimento após experimento, incluindo a descoberta de diversas variedades de quarks e dos bósons W e Z - partículas pesadas que são para interações fracas o que o fóton é para eletromagnetismo. A possibilidade de que os neutrinos não tenham massa foi esquecida na década de 1960, mas caiu facilmente no modelo padrão na década de 1990, algumas décadas atrasado para a festa.

Descobrindo o bóson de Higgs em 2012, há muito previsto pelo Modelo Padrão e muito procurado, foi uma emoção, mas não uma surpresa. Foi mais uma vitória crucial do Modelo Padrão sobre as forças sombrias que os físicos de partículas repetidamente alertaram que surgiam no horizonte. Preocupado com o fato de o Modelo Padrão não incorporar adequadamente suas expectativas de simplicidade, preocupado com sua autoconsistência matemática, ou olhando para frente, para a eventual necessidade de trazer a força da gravidade para a dobra, os físicos fizeram numerosas propostas de teorias além do Modelo Padrão. Estes têm nomes empolgantes como Teorias da Grande Unificação, Supersimetria, Technicolor, e Teoria das Cordas.

Tristemente, pelo menos para seus proponentes, as teorias além do modelo padrão ainda não previram com sucesso nenhum novo fenômeno experimental ou qualquer discrepância experimental com o modelo padrão.

Depois de cinco décadas, longe de exigir uma atualização, o Modelo Padrão é digno de comemoração como a Teoria Absolutamente Incrível de Quase Tudo.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.