Imagem: Modelo padrão de partículas elementares.
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O quark, uma partícula estranha!
Quarks, léptons e bósons são as partículas elementares que constituem toda a matéria que conhecemos.
Esses constituintes quânticos são descritos pelo modelo padrão de partículas elementares tornado confiável pela confirmação experimental dos quarks (1995), do neutrino (2000) e do bóson de Higgs (2012).
Os constituintes do próton e do nêutron são partículas compostas não elementares e fazem parte de um estranho conjunto de quarks e glúons. A ligação que une os quarks é a forte interação nuclear, às vezes chamada de força de cor.
No entanto, prótons e nêutrons não são as únicas partículas compostas de quarks. Cerca de uma centena de outras partículas muito efêmeras (mésons) são feitas de quarks e glúons (píon, múon, kaon, eta, rho, phi, upsilon, lambda, etc.). Todos os mésons são instáveis e têm uma vida útil muito curta entre 10-8 e 10-23 segundos. Mas a única partícula verdadeiramente estável dessa diversidade é o próton com uma vida útil de cerca de 1029 anos. Embora os nêutrons ligados a um núcleo atômico sejam relativamente estáveis, quando livres eles decaem após 880,3 segundos (≈ 15 minutos).
A teoria física que descreve a interação forte, que explica a composição dos núcleos e que permite o cálculo da massa dos quarks e glúons, é chamada de cromodinâmica quântica (QCD). O QCD foi proposto em 1973 por H. David Politzer (1949-), Frank Wilczek (1951-) e David Gross (1941-)
Quando medimos a massa de um próton (2 quarks u + 1 quark d) e a massa de um nêutron (1 quark u + 2 quarks d), não encontramos a massa de seus constituintes.
Massa do próton = 1.673 yg (1.673x10-24 g).
Massa de nêutrons = 1,675 yg.
Massa de um quark u = 0,004 yg.
Massa de um quark d = 0,009 yg.
A massa dos quarks representa apenas cerca de 0,02% da massa dos núcleons !!
Então, para onde foi a massa perdida?
A massa que falta é a energia cinética e a forte energia de interação (E=mc2) que agita e mantém os quarks juntos.
Devido a uma propriedade conhecida como confinamento, os quarks não podem ser isolados. Eles estão fortemente ligados por uma troca de partículas eletricamente neutras, carregando uma carga colorida, chamada de glúons.
Quarks não podem ser separados
Imagem: O confinamento de quarks.
Quarks e glúons dentro dos prótons são conectados por tubos de fluxo magnético colorido. Se o tubo estiver quebrado, novos tubos se formarão entre os quarks presentes.
Atualmente, apenas dois tipos de hádrons são conhecidos: mésons, onde um quark é associado a um antiquark com seu anticolor, e bárions, onde três quarks com as cores vermelho, verde e azul se combinam para formar uma partícula branca (esta propriedade está em a origem do termo cor para a carga de interações fortes, uma vez que lembra a síntese aditiva de "cores verdadeiras").
Não podemos projetar um quark por conta própria porque quanto mais tentamos separar os quarks e quanto mais a interação nuclear forte mantém o controle, o acoplamento entre os quarks aumenta com a distância. Em outras palavras, quanto mais próximos estão um do outro, menos interagem. Por outro lado, quanto mais os quarks se afastam, mais a força nuclear adquire um comportamento elástico, forçando-os a permanecer juntos.
Este fenômeno denominado "confinamento de quark" está ligado à propriedade de liberdade assintótica de interações fortes que agem sobre partículas com carga de cor. Para acoplamentos devido a outras interações fundamentais (eletromagnéticas, fracas e gravitacionais) é o contrário, eles diminuem com a distância.
A teoria nos diz que mesmo quando os quarks se dissociam, a forte interação força os quarks a se reassociarem para formar os hádrons. Ou seja, mésons formados por um quark e um antiquark ou bárions formados por três quarks, como prótons e nêutrons.
Dentro dos hádrons, o fenômeno de aparecimento e desaparecimento de partículas ocorre em uma taxa tremenda. Parece um mar de números variados de quarks e glúons, deformando continuamente o núcleo em uma coexistência de formas. Novos pares de quark e antiquark se materializam o tempo todo. Infinitamente, quarks e antiquarks aparecem no núcleo em uma dança frenética, sem jamais poderem sair da pista.
Se, após uma colisão energética, um quark deixa o núcleo, ele cria imediatamente uma nova reunião de quarks e glúons (de acordo com a relação E=mc2) que pode dar origem a um píon, um kaon, a rho... sem nunca deixar um quark sozinho.
O mais estranho é que a partícula (píon, kaon, etc.) que foi produzida pela colisão não rompeu o núcleo, os quarks permaneceram confinados no núcleo como antes da colisão.
A força de interação nuclear forte aumenta com a separação dos quarks e diminui quando eles são fortemente aproximados, daí a representação das molas.
Se a mola for puxada com muita força, o glúon se desintegra e a energia que ele contém é transformada em um par de quark antiquark. Por outro lado, um par de quark antiquark pode se fundir e desaparecer, restaurando a energia para o glúon. A imagem correta da estrutura interna de um próton ou nêutron não seria a imagem de três quarks bem distintos ligados por glúons, mas sim a imagem de um mar difuso de quarks, antiquarks e glúons que aparecem e desaparecem, que se ligam e afrouxe incessantemente. Mas no final sempre há mais três quarks do que antiquarks, 2 up + 1 down para 1 próton e 2 down + 1 up para um nêutron.
É essa estrutura misteriosa dentro dos núcleos que permite que os átomos encontrem a melhor maneira de se unir.
N.B.: O confinamento de cor é uma propriedade das partículas elementares que possuem uma carga de cor: essas partículas não podem ser isoladas e são observadas apenas com outras partículas de forma que a combinação formada seja branca, ou seja, sua carga de cor total é zero. Essa propriedade está na origem da existência dos hádrons. O fenômeno é descrito no contexto da cromodinâmica quântica.