terça-feira, 24 de julho de 2012

O BÓSON DE HIGGS - parte 5 (última)


PERSPECTIVAS CIENTÍFICAS

A existência e a compreensão do bóson de Higgs representam uma possibilidade de compreensão do Universo, do jeito que ele é, por meio de uma profunda investigação da matéria, em busca de como matéria e energia interagem.

O bóson de Higgs aumenta a capacidade de explicarmos o universo pela via analítica e racional, sem apelo ao misticismo religioso e a divindades exóticas.

O próximo passo para o conhecimento será integrar o modelo padrão à força gravitacional, cujo mecanismo no mundo das sub-partículas ainda é desconhecido.

Temos ainda de entender o que é a matéria escura e a energia escura, que representam 23 e 73% do que existe no Universo, sendo que a matéria que vemos (matéria bariônica) é representada por apenas 4% do Universo.

Composição conhecida do Universo

 A energia escura é o que tende a acelerar o Universo, tendo uma forte pressão negativa, com uma forte disputa com a gravidade. No início do Universo, a gravidade assumiu a liderança, dominando a energia escura.

Cerca de 8 bilhões de anos após o Big Bang, com o espaço se ampliando e a matéria se diluindo, as atrações gravitacionais enfraqueceram e a energia escura passou a dominar, acelerando a expansão do Universo.

Assim, daqui a bilhões de anos a energia escura será ainda mais dominante, e o Universo será um verdadeiro deserto cósmico, com as galáxias se distanciando tanto umas das outras que quaisquer seres que viverem dentro delas não serão capazes de ver outras galáxias. 

Ou seja, a expansão do Universo ganhará velocidades maiores que a da luz, o que em nada contradiz a teoria da relatividade especial, pois os limites para a velocidade da luz encontram barreiras dentro dos limites do Universo.

A matéria escura é uma parte do Universo que os astrônomos sabem que existe, mas ainda não sabem exatamente o que seja. É matéria, porque se consegue medir sua existência por meio da força gravitacional que ela exerce. E é escura, porque não emite nenhuma luz.

A matéria escura pode ser detectada por seus efeitos na matéria normal por meio da gravidade (rotação, efeitos de lentes gravitacionais) e pelos raios-X emitidos pela matéria escura quente. Há ainda a matéria escura fria e a morna.

O candidato que compõe essa forma de matéria são os WIMPs - weakly interacting massive particles, partículas que reagem fracamente, por meio de força fraca e da gravidade. 

A mecânica quântica que propõe a existência de múltiplos "universos paralelos". A Interpretação de Muitos Mundos-IMM foi formulada inicialmente por Hugh Everett para a explicação de alguns processos não determinísticos (tais como medição) na mecânica quântica.

O conceito de Multiverso tem suas raízes na moderna Cosmologia e na Teoria Quântica e engloba várias ideias da Teoria da Relatividade de modo que pode ser possível a existência de inúmeros Universos onde todas as probabilidades quânticas de eventos ocorrem. Simplesmente há espaço suficiente para acoplar outros universos numa estrutura dimensional maior: o chamado Multiverso.

Os Universos seriam, em uma analogia, semelhantes a bolhas de sabão flutuando num espaço maior. Alguns seriam até interconectados entre si por buracos negros ou de buracos de minhoca


Buraco negro




buraco de minhoca



Quanto aos buracos brancos, são uma das soluções das equações de campo de Einstein, que descrevem a interacção fundamental da gravidade, tal como um resultado do espaço-tempo ser curvado por matéria e energia, mais conhecidas como a máxima extensão da métrica de Schwarzschild que descreve o campo gravitacional externo de uma massa esférica, não carregada e não rotativa.


Buraco branco

A primeira ideia de multiverso é a existência de uma função estado para todo universo a qual obedece a equação de Schrödinger para todo tempo e para a qual não há processo de colapso da onda. A segunda idéia é que este estado universal é uma sobreposição quântica de vários, possivelmente infinitos, estados de idênticos universos paralelos não comunicantes.


Universos paralelos

O Big Bang pode estar fundamentado em um modelo cíclico auto-sustentado, teorizado por Einstein, em um universo de eterna série de oscilações seguintes, cada um começa com um big bang e terminando com um big crunch.

O modelo de Steinhardt-Turok propõe que dois  orbifolds paralelos planos ou M-branas colidem periodicamente num espaço dimensionalmente superior. O universo quadridimensional visível situa-se sobre uma destas branas. 

As colisões correspondem a uma reversão da contração para a expansão, ou um big crunch seguido imediatamente de um big bang. A matéria e radiação que nós vemos hoje seriam geradas durante a mais recente colisão num padrão ditado pelas flutuações quânticas criadas antes pelas branas.

Branas

A matéria e radiação que vemos hoje foram geradas durante a colisão mais recente em um padrão ditado por flutuações quânticas, criadas antes das membranas. Eventualmente, o universo atingiu o estado hoje observado, antes de começar a contrair  novamente bilhões de anos no futuro.

 A energia escura corresponde a uma força entre as membranas, e tem o papel crucial de resolver os problemas de monopolo, horizonte, e de planicidade do Universo.

Embora os ciclos possam continuar indefinidamente para o passado epara o futuro, a solução seja dada por um atrator, ela pode fornecer uma história completa do universo.

Sabemos das relações de dualidade entre as teorias de cordas que a geometria do espaço-tempo não é fundamental nos primórdios do universo, mas ela emerge ao nos aproximarmos de escalas maiores do que o comprimento de Planck.
 
Pouco após a era de Planck, os cosmólogos acreditam que houve um período chamado de inflação. A era inflacionária é um pouco mais fácil de definir do que teoricamente é a era de Planck.
,
Ao final da época inflacionária (ver mais aqui), o Universo foi deixado em um estado quântico pequeno, quente e denso. A assim denominada  energia do vácuo dos campos quânticos transformou-se  em uma sopa quente de fótons, glúons e outras partículas elementares e, dentre elas o boson de Higgs.

Era inflacionária

Pelas equações de Einstein da relatividade geral, a expansão do universo acionou-se pela densidade de energia sob a forma de matéria e radiação. Durante a primeira fase do Big Bang, a parte da radiação da densidade de energia é muito maior do que a parte de matéria da densidade de energia

A matéria existe, pelo menos por enquanto, sendo que nos primórdios foram criadas matéria e anti-matéria que se aniquilaram, sendo que o que vemos é o resto dessa batalha.

O modelo de Steinhardt-Turok escapa à morte térmica do universo dada pela entropia que tende a crescer em um sistema fechado, pois a expansão se torna líquida a cada ciclo, preveninsdo os problemas acarretads pela entropia.

Mundo das branas

Os problemas desse modelo são os seguintes:

O primeiro é que os teóricos da teoria das cordas não entendem como as branas funcionam e é desconhecido se o espectro de escala invariante será destruído pelo big crunch.

Além disso, como a inflação cósmica, enquanto que o carácter geral das forças (no cenário ekpirótico, uma força entre branas) necessário para criar as flutuações de vácuo é conhecido, não há candidatos iriundos da física de partículas.

O modelo ekpirótico surgiu do trabalho realizado por Neil Turok e Paul Steinhardt. Este modelo  sustenta que o universo não começou em uma singularidade, mas surgiu a partir da colisão de duas branas.

Esta colisão evita a singularidade primordial e expansão superluminal preservando flutuações de densidade quase sem escala e outras características do universo observado. O modelo ekpirótico é cíclico, embora colisões entre branas são raras na escala de tempo da expansão do universo de uma extensão plana quase inexpressiva.

Observações que possam distinguir entre os modelos inflacionários e ekpirótico incluiem a polarização da radiação cósmica de fundo e a distribuição de freqüência do espectro de ondas gravitacionais.  Ver aqui e aqui.

Este modelo tem sua origem na teoria das cordas, que, em sua versão mais antiga, incorporava apenas bósons. Este modelo se expandiu na teoria das supercordas, o qual relaciona os bósons com os férmions, por meio da supersimetria em uma tentativa de explicar todas as partículas e forças fundamentais da natureza numa única teoria, a fim de modelá-las como as vibrações de minúsculas cordas supersimétricas.


Representação de uma corda

É a teoria das cordas bosonicas a qual prevê a existência dos bósons, partículas com valores inteiros de spin em unidades da constante de Planck, que respeita a invariância de Lorentz, uma  simetria observada de espaço-tempo,  ao afirmar não haver preferência de direção no espaço, caso formulada em 26 dimensões.

A teorias de cordas requer  a existência de vários extra-dimensões para o universo, as quais foram compactadas em escalas extremamente pequenas, para além das quatro dimensões do espaço-tempo conhecidos.

A teoria das cordas tem se verificado como uma ferramenta de grande utilidade nos estudos relacionados à teoria de campos quânticos, uma vez que as partículas de um campo de calibre são quirais e se arranjam em três gerações, conforme ocorre com o modelo padrão, o que é alcançado pelas variedades de Calabi-Yau as quais contêm o número certo de "picos" ou "vales".

Alguns modelos contêm partículas de Higgs também, e até mesmo os acoplamentos de  "Yukawa" para o Higgs que dão massa às partículas.

A interacção Yukawa é assim utilizada no modelo padrão para descrever o acoplamento entre o campo de Higgs, o quark sem massa e os campos de Leptons (os férmions fundamentais). Pela  ruptura espontânea de simetria, estes férmions adquirem massa proporcional ao valor da expectativa de vácuo para o campo de Higgs.

Embora deva, portanto, se dizer que existem milhares de variedades de Calabi-Yau que não que reproduzem nada parecido com a estrutura do modelo padrão (ver mais aqui).


As variedades de Calabi-Yau são de grande importancia no estudo da teoria das cordas satisfazem o requisito de espaço para as seis dimensões espaciais "invisíveis" da teoria das cordas, que pode ser menor do que os nossos comprimentos atualmente observáveis , uma vez que eles ainda não foram detectados.

variedades de Calabi-Yau

É no modelo do mundo das branas que ocorre a grande quantidade de dimensões extras das variedades de Calabi-Yau. Porém, estão confinadas em um pequeno subconjunto que intercepta as D-branas.


 CONCLUSÃO: 

No cenário da teoria das cordas, o bóson de Higgs nada mais é que uma corda vibrante representativa de uma das partículas do modelo padrão, predita por este modelo.

A matéria




Todos os modelos realistas da teoria das cordas que estão ou estavam tentando descrever o Universo que nos rodeia contém um campo de Higgs e um bóson de Higgs. A teoria das cordas parecia incompatível com todas as alternativas.

A descoberta do bóson de Higgs é uma vitória para a teoria das cordas (aqui) e uma confirmação de uma de suas previsões (uma previsão relativamente incontroversa), que se refere aos campos escalares - uma ampla família de áreas afins para o campo de Higgs (campos com spin nulo) que embora genéricos são muito importantes na teoria das cordas.

O conhecimento é, sem sombra de dúvida, a maior aventura humana, e a descoberta do bóson de Higgs é parte desta aventura, sendo que ainda faltam descobris os outros 23% que representam a matéria escura e os outros 77% da energia escura (a ser atingida com a quebra de simetria da teoria das cordas).


O BÓSON DE HIGGS - parte 4


COMO SE DESCOBRIU O BÓSON DE HIGGS?

Essa descoberta se deu dentro do LHC – Large Hadron Collider, que consegue prioduzir choques de partículas a 99,999999,1% da velocidade da luz. Os choques ali produzidos destroçam prótons, que se desmancham em partículas elementares, existentes nos primórdios do Universo, momentos após o Big Bang. O choque de prótons é produzido da seguinte forma:

Large Hadron Collider - LHC



1 - Um campo elétrico rompe átomos de hidrogênio para liberar os prótons, sendo que pacotes com 100 bilhões de prótons são injetados no acelerador.

2 - Os prótons são acelerados inicialmente no SPS - Super Proton Synchrotron por campos elétricos criados por quatro equipamentos de radiofreqüência (sincrotrons) a uma velocidade próxima a da luz, percorrendo os 27 Km de extensão do LHC.

3 – Os feixes de prótons são injetados em sentidos contrários no LHC. Há quatro detectores no LHC, onde 100 bilhões prótons dando 11.254 voltas por segundo no túnel e colidindo 32 milhões de vezes por segundo. Para se obter o bóson de Higgs realizaram-se cerca de quatro quatrilhões colisões, sendo analisadas 800 trilhões de colisões, nos últimos dois anos, sendo 1/100 bilhões de colisões a probabilidade de se encontrar o bóson de Higgs.

Ao passarem por um dos quatro detectores do LHC, os prótons colidem entre si, gerando inúmeras partículas extremamente instáveis, para serem diretamente observadas.

Esquema do LHC
Os detectores de partículas ATLAS, ALICE, CMS e LHCb, que monitoram os resultados das colisões, possuem mais ou menos o tamanho de prédios de cinco andares (entre 10 e 25 metros de altura) e 12 500 toneladas.

CMS
CMS - Solenoide Compacto de Múons - tem por finalidade estudar os aspectos das colisões de íons pesados, buscar evidências que comprovariam uma física além do modelo padrão, como a supersimetria e as dimensões espaciais extras e explora a física na faixa do TeV – tera eletron-volt. Analisa as colisões em busca de partículas.




ATLAS
 ATLAS - Aparato Toroidal do LHC - Tem por finalidade detectar o bóson de Higgs, partículas supersimétricas (SUSY) que são preditas pela teoria, mas ainda não foram detectadas experimentalmente. Observa a formação de buracos negros dentro do LHC e analisa colisões em busca do bóson de Higgs.






Alice
 Alice - Grande Colisor de Íons - destina-se ao estudo do plasma de quarks-glúons obtido pela colisão de ions pesados. Seu objetivo é descobrir o mistério da matéria quente e densa que é brevemente criada quando da colisão de ions pesados a altas energias. Sua finalidade é pesquisar a sopa de partículas do Big Bang ou plansma de quarks.





LHCb
LHCb – LHC beauty - é um experimento desenvolvido para medidas precisas da violação da simetria CP e decaimentos raros de mésons com o quark b ou anti-b, um conjunto conhecido por ' meson b'. O detector da experiência foi especificamente desenhado para retirar estas partículas e o produto do seu descaimento. Estuda a matéria e a anti-matéria.




 4 – Os detectores identificam o rastro deixado pela decomposição destas partículas, que resultam em fótons, múons, taus, elétrons e muitas outras.


Traços do Boson de Higgs (longitudinal)
Os riscos alaranjados são partículas já conhecidas. Os feixes azuis e vermelhos são o que interessa aqui. Eles mostram quatro elétrons cuja origem é a decomposição do bóson de Higgs.

Traços do bóson de Higgs (transversal)
As faixas verdes representam as regiões onde se capta a energia contida nas partículas. combinando-se esta energia com o traçado dos elétrons identificados como oriundos de uma decomposição de outra partícula, é o que em física se denomina "assinatura da partícula", que no caso combina com as propriedades preditas do bóson de Higgs.

5 – Assim, o bóson de Higgs também é detectado indiretamente pelo seu rastro, ou seja, 125,3 massas do próton (ou GeV), detectado no CMS e 126 massas do próton detectado no ATLAS.

Não se sabe de o bóson de Higgs é uma partícula elementar. Também, não se sabe qual o tipo desse Higgs e se é parte de uma nova simetria da natureza, a supersimetria, ou se existe mais de um tipo de Higgs.

A supersimetria é a simetria que relaciona uma partícula fundamental com um certo valor de spin com outras partículas com spins diferentes por meia unidade. Em uma teoria com essa simetria, para cada bóson existe um férmion correspondente com a mesma massa e mesmos números quânticos internos, e vice-versa. Ou seja, os parceiros supersimétricos, se a supersimetria existir, são mais pesados que seus correspondentes no modelo padrão. Somente há evidências indiretas de sua existência.


Partículs do modelo padrão e seus parceiros supersimétricos

Quanto à fiabilidade do sinal produzido no detector CMS pela partícula , "é de 4,9 sigma", quase atingindo, portanto, a meta dos "5 sigma", que os cientistas consideram ser o nível de fiabilidade desejado para afirmar a existência da nova partícula.

Com um sinal de 5 sigma, a probabilidade de as observações serem o fruto do acaso e não corresponderem à produção de uma partícula é de apenas 0,00005733%, o que equivale a dizer que há uma hipótese em 1.744.278 de os cientistas estarem enganados ao afirmar que estão de fato a observar uma partícula nova.


O BÓSON DE HIGGS - parte 3


BOSON DE HIGGS

Até o momento, a existência de todasas partículas fundamentais já foi detectada experimentalmente, confirmando que o modelo-padrão estava correto. A última delas seria o bóson de Higgs.

O mistério tratava acerca do que dá massa às partículas de matéria e por que algumas destas partículas têm mais massa do que outras.

Nos anos de 1950, ao descreverem a fauna de partículas estranhas que compõem os átomos, os físicos não sabiam por que elas tinham massa. Foram formuladas diversas teorias, de forma a justificar esse fato, por meio da descrição de partículas cada qual com suas características e distintas uma das outras.
Fauna de partículas



A única teoria que fazia sentido era aquela formulada por Peter Higgs, que, agora com a descoberta do bóson que leva seu nome, poderá abrir o caminho para que se compreenda por que há 17 partículas e quatro forças fundamentais na natureza.

A teoria descrita no modelo padrão sustenta que o bóson de Higgs é o quê dá massa às partículas, pois ele reage fortemente a algumas partículas, e menos a outras ou, simplesmente, não reage.

O campo e Higgs é um campo quântico, sendo que todos esses campos têm partículas fundamentais a eles associadas. Porém, a teoria dos campos quânticos não trata de partículas, mas de campos, onde as partículas representam as oscilações ou mudanças persistentes nestes campos (ex. As oscilações nos campos eletromagnéticos são causadas pelos fótons e, no campo de Higgs, pelos bósons de Higgs).

Campo de Higgs
Assim, o campo de Higgs estaria em todo lugar e cada interação de uma partícula com esse campo reagiria de uma maneira, tendo uma 'massa.

Conforme o cosmos esfriou, um campo de força invisível, o “campo de Higgs”, se formou com seus respectivos bósons, os Bosons de Higgs.

Esse campo permanece no cosmos e qualquer partícula que interaja com ele recebe uma massa por meio do bóson de Higgs. Logo, quanto mais uma partícula interagir com esse campo, mais pesadas se tornará. As partículas que não interagem permanecem sem massa. Portanto, as partículas só conseguiram ganhar massa devido ao bóson de Higgs.

Campo de Higgs
Na explicação de Lawrence Krauss, a existência do campo de Higgs implica que o espaço vazio é mais rico e estranho do que imaginava há um século, sendo que não podemos compreender nossa existência sem que compreendamos o vazio.

Após a confirmação da descoberta do Bóson de Higgs, a física se dedicará a outras questões como:


 O que gera a existência do campo de Higgs onde atuam os bósons? 

Se há outras forças que determinam sua configuração? 

Se forças parecidas com aquela do bóson de Higgs são as responsáveis pela atuação da força gravitacional?

Resta saber ainda como, instantes após o Big Bang, a matéria como a conhecemos, se originou a partir de partículas energéticas (bariogênese), como houve o esfriamento do Universo, de forma que se originaram estrelas, galáxias, planetas e a vida.

O termo Bariogênese designa um processo de produção de um expressivo excesso de bárions relativamente aos antibariões. Segundo os físicos teóricos nos primeiros momentos do Universo verificou-se um processo de bariogénese, o que fez com que o Universo seja constituído principalmente por matéria e não por antimatéria.


A melhor das respostas é aquela que o Big Bang produziu um campo de força, representado por uma teia de energia onipresente que interagiu com partículas elementares e retardou sua propagação, transformando frações de sua energia em matéria. Essa teia é assim formada por partículas de Higgs.

Sem o campo de Higgs, não haveria massa, não haveria átomos, não haveria moléculas, não haveria planetas, não haveria estrelas, não haveria reações químicas, não haveria vida, não haveria eu, nem haveria você. Eis porque ele é importante, embora em seu dia-a-dia nada irá mudar.


video







video





O BÓSON DE HIGGS - parte 2


O MODELO PADRÃO:

O Modelo Padrão diz que as partículas conhecidas como bósons atuam como mensageiras entre as partículas de matéria. É uma teoria quântica de campos, consistente com a mecânica quântica e a relatividade especial.

Modelo Padrão


Esta interação dá origem a quatro forças fundamentais: a força forte, a força fraca e a força eletromagnética, cujos mediadores são respectivamente os glúons, os bósons W e Z e os fótons. Porém, não o faz com a gravidade, cujo possível mediador seria o gráviton, ainda por ser descoberto. Portanto, o modelo padrão não é uma teoria completa das interações fundamentais, pois não descreve a gravidade.

Todas as partículas fundamentais que constituem a matéria, assim como suas forças, foram descritas pelo modelo-padrão.

É por meio dele que os físicos conseguem desenvolver os equipamentos necessários para comprovar a existência dessas partículas preditas e seus comportamentos. É pelos experimentos que os físicos podem comprovar se o modelo realmente tem razão.

Modelo padrão com o bóson de Higgs

 O modelo padrão descreve dois tipos de partículas fundamentais: férmions (com spin semi-inteiro) e bósons (com spin inteiro). Há hádrons com spin semi inteiro, que se classificam como férmions (os bárions) e hádrons com spin inteiro que se classificam como bósons (mésons). Porém os trataremos aqui como um grupo separado, por questões didáticas.

 1 - O Férmion obedece à estatística de Fermi-Dirac que rege as partículas de spin semi-inteiro e obedeceao princípio de exclusão de Pauli o qual afirma que dois férmions idênticos não podem ocupar o mesmo estado quântico simultaneamente.

Férmions


Spin significa as possíveis orientações que partículas subatômicas carregadas e alguns núcleos atômicos podem apresentar quando imersas em um campo magnético. São representados pelos quarks, prótons, elétrons e neutrinos.

Os férmions podem ser agrupados em três gerações com suas anti-partículas:

 A primeira consiste no elétron, no neutrino do elétron e nos quarks up e down .

A segunda consiste no múon no neutrino do múon e nos quarks charm e strange.

A terceira no tau, no neutrino do tau e nos quarks top e bottom.

As gerações mais altas de partículas decaem rapidamente para a primeira geração e somente podem ser gerados por curto espaço de tempo em experimentos de alta-energia.

Os férmions englobam  todos os quarks e léptons, bem como qualquer partículacomposta deumnúmero ímpar dedestes, tais como todos os bárions, muitos átomose núcleos. Os férmions contrastam com bósons que obedecem as estatísticas de Bose-Einstein, uma vez que não obedecem ao princípio da exclusão de Pauli, sendo que estas partículas possuem número de spin inteiro.

Dividem-se em:

1.1 Léptons - partícula subatômica que não interage fortemente, os constituintes básicos da matéria (elétrons, múons, taus e neutrinos). Dividem-se em:

1.1.1 Léptons carregados – são os que possuem carga como os elétrons. Combinam-se com outras partículas de forma a comporem partículas compostas como os átomos e os positrônios (sistema elétron pósitrons que ao se desintegrar forma dois fótons de raios gama).

1.1.2 Léptons Neutros – são os que não possuem carga, como os neutrinos. Raramente interagem com outras partículas.


Quarks



 1.2 Quarks– partículas elementares que se combinam para formar os hádrons estáveis do núcleo atômico (prótons e nêutrons). Dividem-se nos seguintes sabores:


 1.2.1 Quark up - é o mais levede todos os quarks, sendo um dos principais constituintes da matéria. Juntamente com o quark down, forma os nêutrons (um quark up, dois quarks down) e prótons (dois quarks up,um quark down) dos núcleos atômicos.

1.2.2 Quark down -é o segundo mais leve de todos os quarks, sendo o constituinte principal da matéria.

1.2.3 Quark top - participam de todas as formas de interações. É o quark mais pesado e, por causa de sua massa enorme, ele decai muito rapidamente. Não forma hadrons. É criado em colisões de alta energia. Estas ocorrem naturalmente na atmosfera superior da Terra, por meio da colisão entre raios cósmicos e partículas no ar, ou dentro de um  acelerador de partículas.

1.2.4 Quark bottom – é segundo mais pesado dos quarks, que interage através de todas as quatro forças fundamentais, e sua carga elétrica é de -1/3. Surge do decaimento dos quarks top. Depois, decai em um quark up ou charm. Estes decaimentos ocorrem devido à interação fraca. Encontram-se nos B , BC e BSmésons.

1.2.5 Quark charm - é o terceiro quark em massa. São encontrados em hádrons como: meson (J/ψ), D mésons (D) e charmed Sigma bárions (Σ).

1.2.6 Quark strange - é o terceiro mais leve dos quarks. São encontrados em hádrons como: kaons (K), strange D mésons (Ds) e Sigma bárions (Σ).

Obs: sabores (flavours) representam o número quântico das partículas elementares, que na cromodinâmica é a simetria global.

Cromodinâmica Quântica (QCD) na física teórica representa a teoria das interações fortes que descreve a força forte das interações entre quarks e glúons, na geração dos hádrons.

Os quarks têm uma propriedade que chamamos de "cor", e cada quark vem em 3 cores.A noção de carga de cor serve para explicar como os quarks poderiam coexistir dentro de alguns hádrons em idênticos estados quânticos sem violar o princípio de exclusão dePauli.

Na QCD, a cor de um quark pode ter um dos três valores, chamado de vermelho, verde e azul. Um antiquark pode assumir uma das três anticores, chamado anti-vermelho, anti-verde e anti-azul (representado como ciano, magenta e amarelo, respectivamente).


Simetria global é uma simetria mantida em todos os pontos no espaço-tempo sob consideração, em oposição a uma simetria local, que varia de ponto a ponto. Requer as leis da  conservação, mas não forças.

2 O Bóson é uma partícula que possui spin inteiro. Não obedece ao princípio da exclusão de Pauli (princípio da mecânica quântica, no qual não há dois férmions idênticos - partículas com spin semi-inteiro). Pode ocupar o mesmo estado quântico simultaneamente e obedece à estatística de Bose-Einstein, que determina a distribuição estatística de bósons idênticos e indistinguíveis, sobre os estados de energia  em equilíbrio térmico. Dividem-se em:

Bósons

2.2 Bósons de calibre mediadores do modelo padrão – gauge (s = 0,1) são os portadores de força, ou seja, partículas bosônicas que transportam as interações fundamentais da natureza. As partículas elementares, cujas interações são descritas pela  teoria de calibre, interagem umas com as outraspela  trocade bósons de calibre, que normalmente são partículas virtuais.

O modelo padrão reconhece três tipos de bósons de calibre (considere os bósons W e Z como pertencentes ao mesmo grupo):

2.2.1 Fótons – é o quantum de todas as formas de radiação eletromagnética,e a transportadora da força eletromagnética, mesmo quando estáticos, via fótons virtuais.

2.2.2 Bóson Z são mediadores da interação fraca de partículas de carga nula, uma vez que são eletricamente neutros, portanto não se envolvem na absorção ou emissão de elétrons e pósitrons.

O bóson Z não participa na mudança do sabor de quarks. Assim, suas interações são mais difíceis de detectar. Ele interage, influenciando as seções transversais de espalhamento para neutrinos em que são chamadas "correntes neutras".

Sempre decai em um par de partícula/antipartícula, uma vez que na natureza, as cargas são conservada. Pelas leis da conservação os Bosons Z decaem conforme segue:

Em 10% dos casos o Boson Z decai em um par  lépton-antilepton. Os três tipos possíveis de pares carregados Leptons são: elétron-pósitron, múons-antimuon, e tau-anti-tau, igualmente prováveis.  Há então 3 possibilidades de decaimento.


 Em 20% dos casos decai em um par neutrino-antineutrino. Os neutrinos são invisíveis, pois não interagem com nada. Quando medimos que há uma energia ou força transversal desaparecida  após a colisão sabemos que estes neutrinos estiveram lá. O decaimento dos neutrinos resulta em  3 possibilidades (neutrinos do elétron, do tau e do múon e suas antipartículas). Quanto mais tipos de neutrinos leves estiverem disponíveis, menor o tempo de vida do bóson Z.

  Em 70% dos decaimentos, resulta um par quark-antiquark.Estes aparecemcomo os chuveiros de partículas chamadas "jets" no detector. Somando-se os 6 tipos de quarks (up, down, charm, strange, top e bottom) cada um com 3 resultados de cores, resulta em 18 possibilidades de decaimento.

    
2.2.3 Os bósons W  são mediadores da interação fraca de partículas carregadas, sendo mais conhecidos como mediadores de absorção e emissão do neutrino, onde sua carga está associada a emissão ou absorção de elétrons (W-) ou pósitrons (W+), sempre causando transmutação nuclear.

Seu papel é muito importante no decaimento nuclear, na conversão de neutrons em prótons, com a emissão de um elétron (partícula beta) e de um anti-neutrino do elétron (um quark down decai em um up mais um W- que decai em um elétron e um antineutrino do elétron, o que converte um nêutron em um próton, pelo decaimento beta).

2.2.4 Os Glúons são os mediadores da força forte entre os quarks, sendo misturas de duas cores, como vermelho e anti-verde, que constitui a sua carga de cor. A QCD considera como únicos oitoglúonsdospossíveisnove combinações cor/anticor.

Como os quarks formam os bárions e os mésons e a interação forte que é a interação entre bárions e mésons, pode-se dizer que a força da cor é a fonte da interação forte, ou que a interação forte é como uma força de "corresidual" que se estende além dos bárions, por exemplo, quando prótons e nêutrons estão unidos em um núcleo.

Em termos técnicos, são bósons vetoriais de calibre que medeiam as interações fortes dos quarks na cromodinâmica quântica (QCD). Ao contrário do fóton eletricamente neutro da eletrodinâmica quântica (QED), os glúons transportam eles mesmos cargas de cor e, portanto, participam da interação forte, além de mediá-la, tornando a QCD significativamente mais difícil de analisar do que QED.

Ha oito estados independentes, de cor correspondentes aos "oito tipos" ou "cores" de glúons, uma vez que os estados podem ser misturados entre si, ou seja, existem muitas maneiras desses estados se apresentarem o que é conhecido como como a "cor do octeto", equivalentes às matrizes de Gell-Mann, uma representação possível dos geradores infinitesimais do grupo especial unitário chamado SU (3) (grupo unitário especial de grau 3, de uma matriz 3X 3 com determinante 1, muito aplicado na QCD.


2.2.5  O Gráviton (s =-2) é a partícula hipotética que medeia a força gravitacional na teoria quântica de campo. Não está incluído no modelo padrão, embora seja um bóson (tem spin inteiro).

Gráviton
Se existir,o gráviton deve ter massa nula, uma vez que a força gravitacional parece ter alcance ilimitado e deve ser um bóson de spin 2.

O spin decorre do fato de que a fonte de gravitação é o tensor de energia e momento, um tensor de segunda ordem (em comparação com o giro eletromagnetismo de 1 fóton, cuja fonte é o quadricorrente atual, tensor de primeira categoria).

Ao contrário das outras forças, a gravidade desempenha um papel especial na relatividade geral na definição do espaço-tempo em que os eventos ocorrem.

A detecção inequívoca de grávitons individuais, embora não proibida por qualquer lei fundamental, é impossível com qualquer detector fisicamente razoável.

A razão para tal se encontra na extremamente baixa seção transversal, a área que mede a probabilidade de que uma colisão (interação) entre um feixe de partículas e outro feixe ocorra, de modo a se verificar a interaçãode grávitons com a matéria.

No entanto, experimentos para detectar ondas gravitacionais, que podem ser compreendidas como estados coerentes de feixes de grávitons,estão em andamento, como:

Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – LIGO, cuja missão é observar as ondas gravitacionais de origem cósmica. VIRGO observatório com um enorme interferómetro laser de Michelson.

Estes experimentos se baseiam em tentar detectar alterações da energia interna de corpos massivos a baixíssimas temperaturas confinados em sistemas amortecidos em laboratório. Essas alterações da energia interna seriam supostamente causadas por ondas gravitacionais oriundas de megaeventos no espaço, como o choque de estrelas.

Embora estas experiências não possam detectar grávitons individuais, elas podem fornecer informação sobrecertas propriedades desta partícula. Por exemplo, se for observado que as ondas gravitacionais se propagam mais lentamente que a velocidade da luz no vácuo, isto implicaria que o gráviton tem massa.

Ondas gravitacionais são ondulações na curvatura do espaço-tempo que se propagam como uma onda, viajando para fora da fonte. Foram previstas por Albert Einsteinem 1916, com base em sua teoria da relatividade geral. As ondas gravitacionais teoricamente transportam energia como radiação gravitacional.

Na teoria de Einstein da relatividade geral, a gravidade é tratada comoum fenômeno resultante da curvatura do espaço-tempo, causada pela presença de objetos maciços. Quanto mais massa tiver o objeto, maior será a curvatura que produzirá e, portanto, mais intensa será sua gravidade.

Como objetos massivos se deslocam no espaço-tempo, as mudanças na curvatura refletem alterações nas cercanias desses objetos.

A teoria da gravidade quântica em loop (LQG) descreveas propriedades quânticas da gravidade acerca do espaço e do tempo quântico, que comodescoberto na teoria da relatividade geral, a geometria do espaço-tempo é uma manifestação da própria gravidade.

É uma tentativa de unificar a teoria da relatividade geral com a mecãnica quântica, baseada na granularidade do espaço, o qual é visto como um fino tecido movendo-se em loops finitos como uma rede de spins, diagrama, que pode ser usado para represerepresentativo dos estados e interações entre as partículas e os campos de mecânica quântica. 

A evoluçãode uma rede de spin ao longo do tempo, é chamada de "spinfoam". O tamanho previsto desta estrutura é o comprimento de Planck. A LQG prevê que não apenas a matéria, mas também o próprio espaço, tem uma estrutura atômica.

A “spinfoam” é um grafico quadridimensional feito de faces bidimensionais que representa uma das configurações que devem ser somadas para obter a integral de trajeto de Feynman, a formulação alternativa de gravidade quântica conhecida como gravidade em loop ou gravidade quântica em loop


A teoria das cordas prediz a existência de grávitons e suas interações bem definidas, o qual representa um dos seus mais importantes triunfos. O gráviton na teoria das cordas perturbativas é uma corda fechada em um estado de energia vibracional de baixa energia muito particular. Tal característica não o limitaria em branas, podendo vagar livremente de uma brana para outra.

O vazamento de grávitons para o espaço de mais dimensões explicaria porque a gravidade é tão fraca se comparada a outras forças fundamentais. Grávitons das outras branas adjacentes a nossa própria poderiam prover uma explicação para matéria escura, que só interage gravitacionalmente (ou interage muito pouco de outra forma, sendo sua presença inferida a partir de efeitos gravitacionais sobre a matéria visível, como nas galáxias.

Como conseqüência,a força da gravidade deve aparecer significativamente mais forte em pequenas escalas, onde menos força gravitacional vazou.


2.3 Os Bósons escalares (s=0) são bósons cujo spin é igual a zero. Boson significa que tem uma rotação de valores inteiros, o escalar corrige esse valor para 0. O nome "bóson escalar" surge da teoria quântica de campos. Refere-se às propriedades de transformação particulares sob transformação de Lorentz.

Várias partículas compostas são bósons escalares (partícula alfa e o méson pi).Entre os mésons escalares, há distinção entre o méson escalar e o pseudoscalar, que se refere à sua transformação sob a propriedade de paridade.

O único bóson escalar fundamental no modelo padrão dafísica de partículas elementares é o bóson de Higgs (s =0). É a única partícula elementar no modelo padrão que ainda não foi medida experimentalmente, embora uma partícula semelhante ao Higgs foi observada com o LHC. Existem vários outros bósons escalares hipotéticos fundamentais, incluindo o inflaton.

2.3.1 O inflaton é o nome genérico do campo escalar hipotético e até agora não identificado (e sua partícula associada) que pode ser responsável para a hipótese da inflação nos primórdios do Universo. De acordo com a teoria da inflação, o campo inflaton foi o responsável pelo processo de expansão rápida entre 10-35 a 10-34 segundos após a expansão inicial da qual se formou o Universo.

2.3.2 Bóson de Higgs a ser explicado adiante.


2.3.3 Mésons (s= 0,1) explicados nos hadrons.


2.3.4 Núcleos estáveis​​ de mesmo número de massa, por exemplo, o deutério, hélio-4, o chumbo-208).


3 Os Hadrons são partículas compostas, formadas por um estado ligado de quarks que mantêm a sua coesão interna devido à interação forte. Dividem-se em:



Hádrons



3.1 Bárions - partículas subatômicas sensíveis a interações fortes e compostas de três quarks (ex. próton e nêutron). Fazem parte dos férmions. a bariogênese é a teoria que trata da assimetria entre barions e antibarions nos primórdios do Universo que resultou nas quantidades de matéria que hoje constitui o Universo que conhecemos.

3.2 Mesons – são partículas instáveis compostas de um par quark-antiquark (ex. píon e Kaon), pela interação forte. Dividem-se em:

3.2.1 Mésons carregados – que decaem para formar elétrons e neutrinos;

3.2.2 Mésons neutros - que podem decair em fótons. Fazem parte dos bósons.