Física

Ensino Médio

Força fraca

Interação de pequena intensidade

João Freitas da Silva*
Especial para a Página 3 Pedagogia & Comunicação

A idéia da força fraca surgiu com a necessidade de se explicar os processos nucleares de decaimento radioativo, como o decaimento

. Na época do surgimento dessa idéia, existiam dois problemas importantes para a física resolver: um relacionado à conservação total de energia no decaimento

- e outro relacionado à conservação de momento angular e linear no decaimento do nêutron.

Sem entrarmos em detalhes, o carbono 14, por exemplo, decai em nitrogênio 14 - e nesse processo temos o aumento do número de prótons, a diminuição do número de nêutrons e a emissão de um elétron pelo núcleo. Já era conhecido que um nêutron dava origem a um próton e um elétron, porém, o próton sofria um recuo, enquanto o elétron era deslocado em direção diferente.

Como o nêutron estava parado antes do decaimento, sua quantidade de movimento linear era zero, mas com os novos próton e elétron movendo-se em direções diferentes, a quantidade de movimento passava a ser diferente de zero - e não tínhamos, aparentemente, a conservação do momento linear (quantidade de movimento linear).

O problema do momento angular

A quantidade de movimento angular (relacionada ao spin, inicialmente interpretado como uma propriedade associada ao giro do elétron) também não parecia ser conservada. Na verdade, o spin representa o momento angular intrínseco da partícula ou a rotação da partícula - giro em torno de seu próprio eixo.

O problema com o momento angular pode ser representado da seguinte forma: o nêutron (anterior ao decaimento) possui momento angular de spin

(o sinal pode ser positivo, caso o spin aponte para cima, ou negativo, quando aponta para baixo). Como o próton e o elétron também possuem spin

, as combinações possíveis de spin para as duas partículas resultam em spin total igual a 0, 1 ou -1 (posterior ao decaimento) e jamais

, o que representava uma violação da conservação do momento angular.

Outros estudos mais precisos, na década de 1920, indicavam que a energia total também não permanecia a mesma, violando um dos pilares fundamentais da física: o princípio da conservação de energia, já que parte da energia inicial parecia "sumir" sem explicações.

Somente a conservação de cargas permanecia válida para esse tipo de decaimento. Isso porque o nêutron tem carga nula, enquanto que, após o decaimento, o próton tem carga positiva e o elétron negativa, permanecendo o total nulo.

Essas questões mexeram tanto com os físicos da época que Niels Bohr, dinamarquês, chegou a propor, em 1923, que o princípio da conservação de energia só era válido para fenômenos macroscópicos. Wolfgang Pauli, físico alemão, em 1930, resolveu a questão postulando a existência de uma partícula neutra com massa muito pequena e que, apesar de não ser detectada na época, era emitida junto com o elétron pelo núcleo radioativo.

O neutrino de Fermi

A existência dessa partícula neutra mostrou a necessidade de um novo modelo, apresentando uma nova interação, que ficou conhecida como força fraca. O físico italiano Enrico Fermi, em 1933, foi responsável pelas primeiras idéias acerca dessa teoria sobre a força fraca. Em 1934, ele denominou essa nova partícula como neutrino (

) - hoje chamada neutrino do elétron, em virtude de outros neutrinos terem surgido ao longo dos anos.

A idéia utilizada considerava que o neutrino possuía a energia que faltava, garantindo a conservação de energia - e ele se moveria numa direção específica que garantisse também a conservação do momento linear. O neutrino também teria spin

. Dessa forma, teríamos o nêutron (anterior ao decaimento) com momento angular de spin

e o neutrino (posterior ao decaimento) com seu spin combinado aos do próton e do elétron (com possibilidades de spin total das duas partículas igual a 0, 1 ou -1), resultando nas seguintes possibilidades para spin total, considerando-se as três partículas:

(ou esses mesmos valores com sinais negativos). Ou seja, com o neutrino, passou a existir a possibilidade de conservação do momento angular.

Em suas análises, Fermi notou que os núcleos que decaiam com emissão

apresentavam tempo de vida longo, o que poderia significar uma interação com intensidade muito pequena, exigindo muito tempo para desintegração. Tal fato levou Fermi a chamar essa interação de força fraca. De fato, em comparação com a outra força nuclear (a força forte), essa interação ocorre de forma bem menos intensa.

A constatação de que o neutrino apresenta uma interação muito pequena com a matéria, somada ao fato de que, por ser uma partícula neutra, não é sensível à força eletromagnética, justificam a dificuldade da sua detecção.

A força fraca atua em dimensões muito pequenas também, para distâncias na ordem de 10^-18m.

Para essa nova teoria, Enrico Fermi utilizou uma descrição relativística e quântica. A teoria ainda recebeu a contribuição de nomes como Feynman e Gell-Mann. É uma teoria estritamente quântica, portanto, não apresenta nenhuma referência à física clássica.

A força fraca, responsável pelo decaimento beta, também possui partículas mediadoras da interação, que são: W⁺, W^- e Z⁰, denominadas bósons pesados (todas as partículas podem ser classificadas como bósons ou férmions. Os bósons têm spin, ou momento angular intrínseco, inteiros, e os férmions têm spin semi-inteiros).

Essas partículas foram descobertas em 1983, em choques de alta energia que são obtidos nos aceleradores de partículas. A carga cor é a fonte da força forte, e algumas vezes a denominação carga fraca é utilizada para indicar a fonte da força fraca. A força fraca é "percebida" por partículas com cargas isospin, como o próton, nêutron e o neutrino.

Essa força atrativa é responsável pela emissão radioativa e pela divisão de núcleos de urânio utilizados no princípio de funcionamento da bomba atômica; temos como outro exemplo a combustão solar, onde neutrinos são criados pela desintegração de nêutrons.

Basicamente, em todos os processos onde ocorre a emissão de neutrinos temos a força fraca predominando, fato este que levou ao pensamento de que essa emissão de neutrinos fosse a característica principal das interações fracas.

Porém, existem decaimentos de partículas estranhas em que o neutrino não aparece. Assim, o fator comum a todas as interações fracas é a baixa probabilidade de ocorrência, além do fato de realmente serem bem menos intensas, quando comparadas às outras interações nucleares.

A força fraca é cerca de dez bilhões de vezes menor (10¹⁰) que a força eletromagnética.

Unificação das quatro forças?

Hoje em dia, grande parte dos físicos que trabalha com altas energias e partículas elementares busca uma teoria que unifique as quatro forças. Essa busca foi iniciada com o físico polonês Theodore Kaluza, em 1919, retomada pelo físico sueco Oscar Klein, em 1919 e levada adiante pelo próprio Einstein.

Já existe uma teoria de unificação da força eletromagnética com a força fraca, resultando na força eletrofraca. A Teoria Eletrofraca foi desenvolvida na década de 1960 por nomes como Glashow, Weinberg e Salam, ficando conhecida como Teoria de Glashow-Wenberg-Salam.

Com essa teoria, o número de forças no universo passa a ser três: gravitacional, eletrofraca e forte. Porém, até o momento, não existe uma formulação quântica da força gravitacional, o que a deixa fora da unificação. Segundo o que chamamos de Modelo Padrão, existe a tentativa de unificação da força forte e da força eletrofraca.

Existem também outras tentativas de unificação das quatro forças, chamadas de "teorias unificadas", mas elas ainda não possuem uma formulação precisa.

Tudo isso indica que teremos muitas pesquisas e teorias nos próximos anos, destacando um lado fantástico das ciências, que estão em constante desenvolvimento - como um ser vivo!

Bibliografia

ABDALLA, Maria Cristina Batoni. O discreto charme das partículas elementares. 1ª edição. São Paulo: Editora UNESP, 2006.

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MENEZES, Luiz Carlos. A Matéria - uma aventura do espírito: fundamentos e fronteiras do conhecimento físico. 1ª edição. São Paulo: Editora Livraria da Física, 2005.

NATALE, Adriano A.; VIEIRA, Cássio Leite. O universo sem mistério: uma visão descomplicada da física contemporânea: do Big Bang às partículas. 1ª edição. Rio de Janeiro: Vieira e Lent, 2003.

PIETROCOLA, Maurício P. Projeto para melhoria do Ensino Público - Atualização dos Currículos de Física no Ensino Médio de Escolas Estaduais: A Transposição das Teorias Modernas e Contemporâneas para Sala de Aula: Física de Partículas. Faculdade de Educação da Universidade de São Paulo e FAPESP, 2005.