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DESCOBERTAS CIENTÍFICAS MAIS IMPORTANTES
Classificação das partículas elementares. História e essência da descoberta científica
Diretório / As descobertas científicas mais importantes “Quantas partículas elementares foram descobertas até agora?” Regge pergunta em seu livro sobre física. “A julgar pela espessura de breves livros de referência que descrevem suas propriedades e que estão em circulação entre os físicos, então várias centenas. Muitas dessas partículas são coletadas em famílias semelhantes a famílias de núcleons ou píons. Essas famílias desempenham um papel comparável ao do sistema periódico de Mendeleev, tão útil em química. Mas é precisamente essa semelhança que sugere que estamos engajados na classificação de objetos semelhantes a átomos De uma forma ou de outra, mas a busca por constituintes verdadeiramente elementares da matéria já havia recomeçado, e em 1963 ficou claro que as partículas deveriam ser agrupadas em famílias maiores. Os antigos filósofos gregos atribuíam formas excepcionalmente regulares e simétricas aos átomos. Embora os átomos reais estejam muito longe disso, a ideia de que o conceito de simetria deve desempenhar um papel importante na física permanece. A classificação das partículas por famílias apenas reflete a existência de algum tipo de simetria na natureza..." A física das partículas elementares nos anos cinquenta estava em fase de formação. Os principais meios de pesquisa experimental neste ramo da física eram aceleradores que "disparavam" um feixe de partículas em um alvo estacionário: quando as partículas incidentes colidem com o alvo, novas partículas nascem. Com a ajuda de aceleradores, os experimentadores conseguiram obter vários novos tipos de partículas elementares, além dos já conhecidos prótons, nêutrons e elétrons. Os físicos teóricos tentaram encontrar algum esquema que permitisse classificar todas as novas partículas. Os cientistas descobriram partículas com comportamento incomum (estranho). A taxa de nascimento de tais partículas como resultado de algumas colisões indicou que seu comportamento é determinado pela interação forte, que é caracterizada pela velocidade. Interações fortes, fracas, eletromagnéticas e gravitacionais formam quatro interações fundamentais que fundamentam todos os fenômenos. Ao mesmo tempo, as partículas estranhas decaíram por um tempo incomumente longo, o que seria impossível se seu comportamento fosse determinado pela forte interação. A taxa de decaimento das partículas estranhas parecia indicar que esse processo era determinado por uma interação muito mais fraca. Na solução desta tarefa mais difícil, e concentrou sua atenção Gell-Mann. Murray Gell-Mann nasceu em 15 de setembro de 1929 em Nova York e era o filho mais novo de emigrantes da Áustria Arthur e Pauline (Reichstein) Gell-Mann. Aos quinze anos, Murry entrou na Universidade de Yale. Graduou-se em 1948 com um grau de Bacharel em Ciências. Ele passou os anos seguintes como estudante de pós-graduação no Massachusetts Institute of Technology. Aqui, em 1951, Gell-Mann recebeu seu Ph.D. em física. Após uma estadia de um ano no Instituto de Pesquisa Básica de Princeton (Nova Jersey), Gell-Mann começou a trabalhar na Universidade de Chicago com Enrico Fermi, primeiro como conferencista (1952-1953), depois como professor assistente (1953-1954) e como professor associado (1954-1955). Em 1955, Gell-Mann tornou-se professor associado do corpo docente da Caltech. Ele escolheu o conceito conhecido como carga independente como ponto de partida de suas construções. Sua essência reside em um determinado agrupamento de partículas, enfatizando sua semelhança. Por exemplo, apesar do próton e do nêutron diferirem na carga elétrica (o próton tem carga + 1, o nêutron - 0), em todos os outros aspectos eles são idênticos. Portanto, eles podem ser considerados como duas variedades do mesmo tipo de partículas, chamadas de núcleons, com carga média, ou centro de carga, igual a 1/2. Costuma-se dizer que um próton e um nêutron formam um dupleto. Outras partículas também podem ser incluídas em dupletos semelhantes ou em grupos de três partículas chamados trigêmeos, ou em "grupos" constituídos por apenas uma partícula, chamados de singletos. O nome geral para um grupo que consiste em qualquer número de partículas é multipleto. Todas as tentativas de agrupar partículas estranhas de maneira semelhante falharam. Desenvolvendo seu esquema para seu agrupamento, Gell-Mann descobriu que a carga média de seus multipletos difere da carga média dos nucleons. Ele concluiu que essa diferença poderia ser uma propriedade fundamental de partículas estranhas e propôs a introdução de uma nova propriedade quântica chamada estranheza. Por razões algébricas, a estranheza de uma partícula é igual a duas vezes a diferença entre a carga média do multipleto e a carga média do nucleon + 1/2. Gell-Mann mostrou que a estranheza se conserva em todas as reações envolvendo a força forte. Em outras palavras, a estranheza total de todas as partículas antes da interação forte deve ser absolutamente igual à estranheza total de todas as partículas após a interação. A conservação de estranheza explica por que o decaimento de tais partículas não pode ser determinado pela interação forte. Quando algumas outras partículas não estranhas colidem, partículas estranhas são produzidas em pares. Nesse caso, a estranheza de uma partícula compensa a estranheza da outra. Por exemplo, se uma partícula em um par tem estranheza +1, então a estranheza da outra é -1. É por isso que a estranheza total das partículas não estranhas, tanto antes como depois da colisão, é igual a 0. Após o nascimento, as partículas estranhas se separam. Uma partícula estranha isolada não pode decair devido à interação forte se seus produtos de decaimento devem ser partículas com estranheza zero, pois tal decaimento violaria a conservação da estranheza. Gell-Mann mostrou que a interação eletromagnética (cujo tempo característico está entre os tempos das interações forte e fraca) também preserva a estranheza. Assim, partículas estranhas, tendo nascido, sobrevivem até a decadência, determinada pela interação fraca, que não preserva a estranheza. O cientista publicou suas ideias em 1953. Em 1961, Gell-Mann descobriu que o sistema de multipletos que ele propôs para descrever partículas estranhas poderia ser incluído em um esquema teórico muito mais geral, o que lhe permitiu agrupar todas as partículas de interação forte em "famílias". O cientista chamou seu esquema de caminho óctuplo (por analogia com os oito atributos de uma vida justa no budismo), uma vez que algumas partículas foram agrupadas em famílias com oito membros cada. O esquema de classificação de partículas que ele propôs também é conhecido como simetria octal. Logo, independentemente de Gell-Man, uma classificação semelhante de partículas foi proposta pelo físico israelense Yuval Neeman. O caminho óctuplo do cientista americano é frequentemente comparado ao sistema periódico de elementos químicos de Mendeleev, no qual elementos químicos com propriedades semelhantes são agrupados em famílias. Como Mendeleev, que deixou algumas células vazias na tabela periódica, prevendo as propriedades de elementos ainda desconhecidos, Gell-Mann deixou lugares vagos em algumas famílias de partículas, sugerindo quais partículas com o conjunto certo de propriedades deveriam preencher os "vazios". Sua teoria recebeu confirmação parcial em 1964, após a descoberta de uma dessas partículas. Em 1963, enquanto professor visitante do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, Gell-Mann descobriu que a estrutura detalhada do caminho óctuplo poderia ser explicada assumindo que cada partícula envolvida na interação forte consistia em um trio de partículas com uma carga fracionária. carga elétrica do próton. A mesma descoberta foi feita pelo físico americano George Zweig, que trabalhava no Centro Europeu de Pesquisa Nuclear. Gell-Mann chamou partículas de carga fracionária de quarks, emprestando a palavra de Finnegans Wake de James Joyce ("Três quarks para Mr. Mark!"). Quarks podem ter uma carga de +2/3 ou -1/3. Existem também antiquarks com cargas de -2/3 ou +1/3. Um nêutron sem carga elétrica consiste em um quark com carga de +2/3 e dois quarks com carga de -1/3 Um próton com carga de +1 consiste em dois quarks com carga de +2/3 e um quark com carga de -1/3. Quarks com a mesma carga podem diferir em outras propriedades, o que significa que existem vários tipos de quarks com a mesma carga. Assim, várias combinações de quarks tornam possível descrever todas as partículas que interagem fortemente. Gell-Mann recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1969 "por descobertas relacionadas à classificação de partículas elementares e suas interações". Ivar Waller, da Real Academia Sueca de Ciências, falando na cerimônia de premiação, observou que Gell-Mann "é considerado um cientista líder no campo da teoria de partículas elementares há mais de uma década". De acordo com Waller, os métodos propostos por ele "estão entre os meios mais poderosos de pesquisa adicional em física de partículas elementares". Autor: Samin D. K.
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