Descrição da imagem: Os quarks e os gluons dentro dos prótons estão conectados por tubos de fluxo magnético colorido. Se um tubo se rompe, novos tubos se formam entre os quarks restantes. Atualmente, conhecemos apenas dois tipos de hádrons: os mésons, onde um quark está associado a um antiquark com a cor oposta, e os bárions, onde três quarks com as cores vermelha, verde e azul se combinam para formar uma partícula branca (essa propriedade é a origem do termo cor para a carga das interações fortes, pois lembra a síntese aditiva das "cores verdadeiras").
Os quarks, os léptons e os bósons são as partículas elementares que constituem toda a matéria que conhecemos.
Esses constituintes quânticos são descritos pelo Modelo Padrão das partículas elementares, validado 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 arranjo estranho de quarks e gluons. A ligação que mantém os quarks juntos é a interação nuclear forte, às vezes chamada de força de cor.
No entanto, prótons e nêutrons não são as únicas partículas compostas por quarks. Uma centena de outras partículas muito efêmeras (mésons) são feitas de quarks e gluons (pion, múon, kaon, eta, rho, phi, upsilon, lambda, etc.). Todos os mésons são instáveis e possuem uma vida muito curta, entre 10^-8 e 10^-23 segundos. Mas a única partícula verdadeiramente estável dessa variedade é o próton, cuja vida é da ordem de 10^29 anos. Embora os nêutrons ligados em um núcleo atômico sejam relativamente estáveis, quando estão livres se desintegram após 880,3 segundos (≈ 15 minutos).
A teoria física que descreve a interação forte, explica a composição dos núcleos e permite calcular a massa dos quarks e gluons é chamada de Cromodinâmica Quântica (QCD). A QCD foi proposta em 1973 por H. David Politzer (1949-), Frank Wilczek (1951-) e David Gross (1941-).
Ao medir a massa de um próton (2 quarks up + 1 quark down) e a massa de um nêutron (1 quark up + 2 quarks down), não encontramos a massa de seus constituintes.
Massa do próton = 1,673 yg (1,673x10^-24 g).
Massa do nêutron = 1,675 yg.
Massa de um quark up = 0,004 yg.
Massa de um quark down = 0,009 yg.
A massa dos quarks representa apenas cerca de 0,02% da massa dos núcleons!!
Onde está então a massa faltante?
A massa faltante é a energia cinética e a energia de interação forte (E=mc^2) que agitam e mantêm os quarks juntos.
Devido a uma propriedade chamada confinamento, os quarks não podem ser isolados. Eles estão fortemente ligados por troca de partículas eletricamente neutras que carregam uma carga de cor, chamadas gluons.
Não se pode conceber um quark sozinho, pois quanto mais tentamos separar os quarks, mais a interação nuclear forte mantém o controle, e o acoplamento entre quarks aumenta com a distância. Em outras palavras, quanto mais próximos eles estão, menos interagem. Por outro lado, quanto mais os quarks se afastam, mais a força nuclear adquire um comportamento elástico, obrigando-os a permanecer juntos.
Esse fenômeno, chamado "confinamento dos quarks", está relacionado com a propriedade de liberdade assintótica das interações fortes que atuam sobre as partículas com carga de cor. Para os acoplamentos devido a outras interações fundamentais (eletromagnética, fraca e gravitacional), ocorre o contrário; eles diminuem com o afastamento.
A teoria nos diz que mesmo quando os quarks se dissociam, a interação forte obriga os quarks a se associar novamente para formar 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 a um ritmo frenético. Assemelha-se a um mar de quarks e gluons em número variável, deformando constantemente o núcleo em uma coexistência de formas. Novos pares de quark e antiquark se materializam o tempo todo. Quarks e antiquarks aparecem constantemente no nucleon em uma dança frenética, sem nunca sair do palco.
Se, após uma colisão energética, um quark sai do nucleon, ele cria imediatamente uma nova combinação de quarks e gluons (de acordo com a relação E=mc^2) que pode dar origem a um pion, um kaon, um rho... sem nunca deixar um quark sozinho.
O mais estranho é que a partícula (pion, kaon, etc.) que foi produzida pela colisão não quebrou o nucleon; 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 se aproximam muito, daí a representação dos molas.
Se puxar muito a mola, o gluon se desintegra e a energia que contém se transforma em um par de quark-antiquark. Por outro lado, um par de quark-antiquark pode se fundir e desaparecer, devolvendo energia ao gluon. A imagem correta da estrutura interna de um próton ou de um nêutron não seria a de três quarks distintos conectados por gluons, mas sim a imagem de um mar difuso de quarks, antiquarks e gluons que aparecem e desaparecem, se ligam e se desligam constantemente. Mas, no final, sempre há três quarks a mais do que antiquarks, 2 up + 1 down para um próton e 2 down + 1 up para um nêutron.
É essa estrutura misteriosa dentro dos núcleos que permite que os átomos encontrem a melhor forma de se agruparem.
N.B.: O confinamento de cor é uma propriedade das partículas elementares que possuem 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, que sua carga de cor total seja zero. Essa propriedade é a origem da existência dos hádrons. O fenômeno é descrito no contexto da Cromodinâmica Quântica.
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