Durante os séculos 19 e 20, os físicos começaram a investigar profundamente a natureza da matéria e da energia. Ao fazer isso, eles rapidamente perceberam que as regras que os governam se tornam cada vez mais embaçadas quanto mais profunda for. Enquanto a teoria predominante costumava ser a de que toda a matéria era composta de átomos indivisíveis, os cientistas começaram a perceber que os átomos são compostos por partículas ainda menores.
A partir dessas investigações, nasceu o Modelo Padrão de Física de Partículas. De acordo com esse modelo, toda a matéria do Universo é composta de dois tipos de partículas: hádrons - dos quais o Large Hadron Collider (LHC) recebe seu nome - e leptons. Onde os hádrons são compostos de outras partículas elementares (quarks, anti-quarks, etc.), os leptons são partículas elementares que existem por si só.
Definição:
A palavra lepton vem do grego leptos, que significa "pequeno", "fino" ou "fino". O primeiro uso registrado da palavra foi pelo físico Leon Rosenfeld em seu livroForças Nucleares (1948). No livro, ele atribuiu o uso da palavra a uma sugestão feita pelo químico e físico dinamarquês Prof. Christian Moller.
O termo foi escolhido para se referir a partículas de pequena massa, já que os únicos leptões conhecidos na época de Rosenfeld eram múons. Essas partículas elementares são 200 vezes mais massivas que os elétrons, mas possuem apenas um nono da massa de um próton. Juntamente com os quarks, os leptões são os blocos básicos da matéria e, portanto, são vistos como "partículas elementares".
Tipos de leptões:
De acordo com o modelo padrão, existem seis tipos diferentes de leptões. Isso inclui as partículas de elétron, muon e tau, bem como seus neutrinos associados (isto é, neutrino de elétron, neutrino de muão e neutrino de tau). Os leptões têm carga negativa e uma massa distinta, enquanto seus neutrinos têm carga neutra.
Os elétrons são os mais leves, com uma massa de 0,000511 gigaeletronvolts (GeV), enquanto os múons têm uma massa de 0,1066 Gev e as partículas de Tau (as mais pesadas) têm uma massa de 1,777 Gev. As diferentes variedades de partículas elementares são comumente chamadas de "sabores". Embora cada um dos três sabores de lepton seja diferente e distinto (em termos de interação com outras partículas), eles não são imutáveis.
Um neutrino pode mudar seu sabor, um processo conhecido como "oscilação do sabor dos neutrinos". Isso pode assumir várias formas, incluindo neutrino solar, neutrino atmosférico, reator nuclear ou oscilações de feixe. Em todos os casos observados, as oscilações foram confirmadas pelo que parecia ser um déficit no número de neutrinos sendo criados.
Uma causa observada tem a ver com “decaimento de múons” (veja abaixo), um processo em que os múons mudam de sabor para se tornarem neutrinos de elétrons ou neutrinos de tau - dependendo das circunstâncias. Além disso, todos os três leptões e seus neutrinos têm uma antipartícula associada (antilepton).
Para cada um, os antileptons têm uma massa idêntica, mas todas as outras propriedades são revertidas. Esses pares consistem no elétron / pósitron, múon / antimuon, tau / antitau, neutrino eletrônico / antineutrino eletrônico, neutrino muon / muan antinuetrino e tau neutrino / tau antineutrino.
O presente Modelo Padrão pressupõe que não haja mais de três tipos (também conhecidos como “gerações”) de leptons com seus neutrinos associados. Isso está de acordo com evidências experimentais que tentam modelar o processo de nucleossíntese após o Big Bang, onde a existência de mais de três leptões afetaria a abundância de hélio no início do Universo.
Propriedades:
Todos os leptões possuem uma carga negativa. Eles também possuem uma rotação intrínseca na forma de seu spin, o que significa que elétrons com carga elétrica - ou seja, "leptons carregados" - geram campos magnéticos. Eles são capazes de interagir com outra matéria apenas por forças eletromagnéticas fracas. Por fim, sua carga determina a força dessas interações, bem como a força do seu campo elétrico e como elas reagem aos campos elétricos ou magnéticos externos.
Entretanto, ninguém é capaz de interagir com a matéria através de forças fortes. No modelo padrão, cada lepton começa sem massa intrínseca. Os leptões carregados obtêm uma massa efetiva por meio de interações com o campo de Higgs, enquanto os neutrinos permanecem sem massa ou possuem apenas massas muito pequenas.
História do Estudo:
O primeiro lepton a ser identificado foi o elétron, que foi descoberto pelo físico britânico J.J. Thomson e seus colegas em 1897, usando uma série de experimentos com tubos de raios catódicos. As próximas descobertas ocorreram na década de 1930, o que levaria à criação de uma nova classificação para partículas com fraca interação que eram semelhantes aos elétrons.
A primeira descoberta foi feita pelo físico austríaco-suíço Wolfgang Pauli, em 1930, que propôs a existência do neutrino eletrônico para resolver as maneiras pelas quais o decaimento beta contradiz a lei de Conservação de Energia e as Leis do Movimento de Newton (especificamente a Conservação de Momentum e Conservação do Momento Angular).
O pósitron e o múon foram descobertos por Carl D. Anders em 1932 e 1936, respectivamente. Devido à massa do múon, foi inicialmente confundido com um meson. Porém, devido ao seu comportamento (que lembrava o de um elétron) e ao fato de ele não sofrer forte interação, o múon foi reclassificado. Juntamente com o elétron e o neutrino, ele se tornou parte de um novo grupo de partículas conhecido como "leptons".
Em 1962, uma equipe de físicos americanos - composta por Leon M. Lederman, Melvin Schwartz e Jack Steinberger - conseguiu detectar interações pelo múon neutrino, mostrando assim que havia mais de um tipo de neutrino. Ao mesmo tempo, físicos teóricos postularam a existência de muitos outros sabores de neutrinos, que acabariam por ser confirmados experimentalmente.
A partícula tau se seguiu na década de 1970, graças a experimentos conduzidos pelo físico vencedor do prêmio Nobel, Martin Lewis Perl, e seus colegas no SLAC National Accelerator Laboratory. As evidências de seu neutrino associado seguiram-se graças ao estudo do decaimento da tau, que mostrou falta de energia e momento análogo à falta de energia e momento causado pelo decaimento beta dos elétrons.
Em 2000, o tau neutrino foi observado diretamente, graças à observação direta do experimento NU Tau (DONUT) no Fermilab. Essa seria a última partícula do Modelo Padrão a ser observada até 2012, quando o CERN anunciou que havia detectado uma partícula que provavelmente era o muito procurado Higgs Boson.
Hoje, existem alguns físicos de partículas que acreditam que ainda existem léptons esperando para serem encontrados. Essas partículas da "quarta geração", se forem realmente reais, existiriam além do Modelo Padrão da física de partículas e provavelmente interagiriam com a matéria de maneiras ainda mais exóticas.
Escrevemos muitos artigos interessantes sobre Leptons e partículas subatômicas aqui na Space Magazine. Eis o que são partículas subatômicas ?, o que são bárions ?, Primeiras colisões do LHC, duas novas partículas subatômicas encontradas e físicos Talvez, apenas talvez, confirme a possível descoberta da 5ª força da natureza.
Para obter mais informações, o Virtual Visitor Center do SLAC tem uma boa introdução aos Leptons e não deixe de conferir a Revisão de física de partículas do Particle Data Group (PDG).
Astronomy Cast também tem episódios sobre o tema. Aqui está o episódio 106: a busca pela teoria de tudo e o episódio 393: o modelo padrão - Leptons & Quarks.
Fontes:
- Wikipedia - Leptons
- Hiperfísica - Leptões
- Phys.org - Explicador: O que são Leptons?
- A Aventura de Partículas - Leptons
- Encyclopaedia Britannica - Leptons
