Por que as partículas da matéria vêm em três?

O universo tem preparou todos os tipos de formas bizarras e bonitas de matéria, de estrelas em chamas a gatos ronronando, com apenas três ingredientes básicos. Elétrons e dois tipos de quarks, apelidados de “cima” e “baixo”, se misturam de várias maneiras para produzir todos os átomos existentes.

Mas, surpreendentemente, essa família de partículas de matéria – o quark up, o quark down e o elétron – não é a única. Os físicos descobriram que compõem a primeira de três “gerações” sucessivas de partículas, cada uma mais pesada que a anterior. As partículas de segunda e terceira geração se transformam em seus equivalentes mais leves muito rapidamente para formar gatos exóticos, mas eles se comportam de forma idêntica. É como se as leis da natureza fossem compostas em triplicado. “Não sabemos o porquê”, disse Heather Logan, física de partículas da Universidade Carleton.

Na década de 1970, quando os físicos elaboraram o modelo padrão da física de partículas – o conjunto ainda reinante de equações que descrevem as partículas elementares conhecidas e suas interações – eles buscaram algum princípio profundo que explicasse por que existem três gerações de cada tipo de partícula de matéria. Ninguém decifrou o código, e a questão foi deixada de lado. Agora, no entanto, o físico vencedor do Prêmio Nobel Steven Weinberg, um dos arquitetos do modelo padrão, reviveu o antigo quebra-cabeça. Weinberg, 86 anos, e professor da Universidade do Texas, Austin, argumentou em um artigo recente na revista Revisão Física D que um padrão intrigante nas massas das partículas poderia liderar o caminho a seguir.

“O artigo de Weinberg é um pouco relâmpago no escuro”, disse Anthony Zee, físico teórico da Universidade da Califórnia, Santa Barbara. “De repente, um titã em campo está subitamente trabalhando novamente nesses problemas.”

“Estou muito feliz em ver que ele acha importante revisar esse problema”, disse Mu-Chun Chen, físico da Universidade da Califórnia, Irvine. Muitos teóricos estão prontos para desistir, disse ela, mas “ainda devemos ser otimistas”.

O modelo padrão não prevê por que cada partícula tem a massa que possui. Os físicos medem esses valores experimentalmente e encaixam manualmente os resultados nas equações. As medidas mostram que o elétron minúsculo pesa 0,5 mega-elétron-volts (MeV), enquanto seus equivalentes de segunda e terceira geração, chamados de múon e partícula tau, inclinam a balança em 105 e 1.776 MeV, respectivamente. Da mesma forma, os quarks de primeira e alta geração são pesos leves relativos, enquanto os quarks “charme” e “estranhos” que compõem a segunda geração de quarks são pesos médios, e os quarks “superior” e “inferior” da terceira geração são pesados, os topo pesando um monstruoso 173.210 MeV.

A propagação nas massas é vasta. Quando os físicos apertam os olhos, porém, eles veem uma estrutura tentadora em que as massas caem. As partículas se agrupam em gerações espaçadas de maneira uniforme: as partículas da terceira geração pesam milhares de MeV, as partículas da segunda geração pesam aproximadamente centenas de MeV e as partículas da primeira geração chegam em torno de um MeV cada. “À medida que você desce cada nível, eles ficam exponencialmente mais leves”, diz Patrick Fox, físico de partículas no Fermi National Accelerator Laboratory em Illinois.

Nas equações do modelo padrão, a massa de cada partícula corresponde ao grau em que “sente” um campo de preenchimento do universo conhecido como campo de Higgs. Os quarks superiores são pesados ​​porque experimentam um arrasto intenso enquanto se movem pelo campo de Higgs, como uma mosca presa no mel, enquanto elétrons finos voam por ele como borboletas no ar. Nesta estrutura, como cada partícula sente o campo é um atributo intrínseco da partícula.