teorico 4

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Estrutura da Matéria
Material Teórico
Responsável pelo Conteúdo:
Prof. Dr. Francisco de Assis Cavallaro
Revisão Textual:
Prof.ª Dr.ª Luciene Oliveira da Costa Granadeiro
Matéria, Partículas e suas Interações
• Modelo Padrão de Partículas;
• Cronologia das Descobertas das Partículas;
• Classificação Geral das Partículas;
• Atributos da Matéria;
• Forças Fundamentais de Interação 
e as Partículas Mediadoras da Interação;
• Partículas Fundamentais e Famílias.
• Permitir ao discente a aquisição de conhecimentos fundamentais sobre a física de partí-
culas quânticas, sobretudo acerca da composição elementar da matéria e de suas forças 
de interação.
OBJETIVO DE APRENDIZADO
Matéria, Partículas e suas Interações
Orientações de estudo
Para que o conteúdo desta Disciplina seja bem 
aproveitado e haja maior aplicabilidade na sua 
formação acadêmica e atuação profissional, siga 
algumas recomendações básicas: 
Assim:
Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte 
da sua rotina. Por exemplo, você poderá determinar um dia e 
horário fixos como seu “momento do estudo”;
Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma 
alimentação saudável pode proporcionar melhor aproveitamento do estudo;
No material de cada Unidade, há leituras indicadas e, entre elas, artigos científicos, livros, vídeos 
e sites para aprofundar os conhecimentos adquiridos ao longo da Unidade. Além disso, você tam-
bém encontrará sugestões de conteúdo extra no item Material Complementar, que ampliarão sua 
interpretação e auxiliarão no pleno entendimento dos temas abordados;
Após o contato com o conteúdo proposto, participe dos debates mediados em fóruns de discus-
são, pois irão auxiliar a verificar o quanto você absorveu de conhecimento, além de propiciar o 
contato com seus colegas e tutores, o que se apresenta como rico espaço de troca de ideias e 
de aprendizagem.
Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte 
Mantenha o foco! 
Evite se distrair com 
as redes sociais.
Mantenha o foco! 
Evite se distrair com 
as redes sociais.
Determine um 
horário fixo 
para estudar.
Aproveite as 
indicações 
de Material 
Complementar.
Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma 
Não se esqueça 
de se alimentar 
e de se manter 
hidratado.
Aproveite as 
Conserve seu 
material e local de 
estudos sempre 
organizados.
Procure manter 
contato com seus 
colegas e tutores 
para trocar ideias! 
Isso amplia a 
aprendizagem.
Seja original! 
Nunca plagie 
trabalhos.
UNIDADE Matéria, Partículas e suas Interações
Modelo Padrão de Partículas
O Modelo Padrão da Física de partículas (que, na realidade, não se trata de um 
modelo, mas sim de uma teoria) foi desenvolvido na década de 1960 e 1970 e 
descreve, atualmente, 17 partículas fundamentais, que são regidas por suas intera-
ções. É uma teoria que tem como base a teoria quântica de campos e a relatividade 
restrita de Einstein.
É altamente aceito no meio científico que as proposições teóricas das três for-
ças fundamentais que regem a interação entre as partículas foram comprovadas 
em experimentos.
O Modelo Padrão, também conhecido como o modelo das interações fundamen-
tais da matéria, consegue descrever somente três das quatro forças básicas conhe-
cidas, ou seja, a força nuclear fraca, a força nuclear forte e a força eletromagnética, 
mas não consegue incorporar quanticamente a força gravitacional.
Esse modelo pode ser dividido em dois grupos de partículas elementares: os 
férmions e os bósons.
• Férmions: são partículas que constituem a matéria e que possuem o spin semi-
-inteiro (por exemplo: 1/2, 3/2, 5/2...) e obedecem ao princípio de exclusão de 
Pauli, isto é, apenas uma partícula é possível ocupar cada estado;
• Bósons: são partículas mediadoras que promovem a interação entre os fér-
mions. Possuem o spin inteiro (por exemplo: 0, 1, 2,...) e não obedecem ao 
princípio de exclusão de Pauli. Logo, uma quantidade enorme de partículas 
pode ocupar um único estado.
Importante!
O Modelo Padrão da Física de partículas descreve a interação entre três das quatro for-
ças fundamentais: a interação eletromagnética, a interação nuclear fraca e a interação 
nuclear forte.
Em Síntese
As 17 partículas elementares compreendidas pelo modelo padrão da física de 
partículas, e mostradas na Figura 1 a seguir, consistem em:
• 06 quarks: (up, down, charm, strange, top e bottom);
• 06 léptons: (elétron, múon, tau, neutrino do elétron, neutrino do múon e 
neutrino do tau);
• 04 bósons de calibre: (glúon, fóton, bóson Z0 e bósons );
• 01 bóson escalar: (bóson de Higgs).
8
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Modelo padrão de partículas elementares
Três Gerações de Matéria
(férmions)
I II III
Interações/portadores de força
(bósons)
massa
carga
spin
Q
U
A
R
K
S
u
≈2.2 MeV/c²
⅔
½
up
d
≈4.7 MeV/c²
−⅓
½
down
c
≈1.28 GeV/c²
⅔
½
charm
s
≈96 MeV/c²
−⅓
½
strange
t
≈173.1 GeV/c²
⅔
½
top
b
≈4.18 GeV/c²
−⅓
½
bottom
LÉ
PT
O
N
S
e
0.511 MeV/c²
−1
½
elétron
νe
(constituintes internos de hádrons) foram observados em experimentos no SLAC, constituindo a descoberta 
do quark up, quark down e quark strange.
1974 Descoberta do méson J/ψ pelo grupo chefiado por Burton Richter e Samuel Ting, demonstrando a existência do quark charm.
1975 Descoberta do tau por um grupo chefiado por Martin Perl.
1977 Descoberta do méson épsilon no Fermilab, demonstrando a existência do quark bottom (proposta por Kobayashi e 
Maskawa no ano de 1973).
1979 Glúon, observado indiretamente em eventos de jato triplo no DESY.
1983 Descoberta dos bósons W e Z por Carlo Rubbia, Simon van der Meer em uma colaboração do CERN, prevista em 
detalhes por Sheldon Glashow, Mohammad Abdus Salam e Steven Weinberg.
1995 Descoberta do quark top no Fermilab.
1995 Anti-hidrogênio, produzido e medido pelo experimento LEAR no CERN.
2000 Primeira observação direta do neutrino do tau no Fermilab.
2008 Descoberta do bárion ômega bottom (Ω−
b) no Fermilab.
2011 Anti-hélio-4 produzido e medido pelo detector STAR.
2012 Observação de uma partícula que exibe a maioria das características previstas do bóson de Higgs, por pesquisadores 
do CERN.
Fonte: Adaptado de http://bit.ly/31KgJw4
Classificação Geral das Partículas
Na natureza, existe um grande número de partículas. Essas partículas podem ser 
classificadas de duas maneiras: por intermédio do spin e por intermédio da atuação 
de interações fundamentais.
Essa classificação em dois conjuntos é descrita para cada um deles separada-
mente a seguir.
10
11
Classificação pelo Spin
Pelo método de classificação pelo spin, podemos dividir em dois tipos: férmions 
e bósons. Os férmions possuem spin semi-inteiro (1/2ℏ, 3/2 ℏ, ...) e os bósons têm 
spin inteiro (0ℏ, 1ℏ, 2ℏ, ...).
A constante de Planck, representada por ħ, é uma das constantes fundamentais da Física. 
Seu valor é 1,05457266×10–34 J s.Ex
pl
or
Os férmions têm como base teórica a estatística de Fermi-Dirac, obedecendo ao 
Princípio de Exclusão de Pauli.
Os bósons não obedecem ao princípio de exclusão e, portanto, a quantidade de 
partículas que podem ocupar o mesmo estado quântico é ilimitada.
Princípio de Exclusão de Pauli: duas ou mais partículas de spin semi-inteiro idêntico não podem ocu-
par o mesmo estado quântico simultaneamente.
Classificação pelas Interações Fundamentais Atuantes
Outra classificação das partículas baseia-se nas forças de interação entre elas, 
sendo classificadas como léptons e hádrons.
• Léptons: são influenciados pela força nuclear fraca e pela força eletromag-
nética. A palavra “lépton” tem origem grega e significa “leve”, isto é, de 
massa pequena;
• Hádrons: são influenciados por todas as forças. São divididos em Bárions (que 
são férmions) e Mésons (que são bósons). Os bárions possuem massas maiores 
do que os mésons.
A tabela a seguir mostra a classificação através das forças de interação entre 
as partículas:
Tabela 2
Léptons
Quarks
Hádrons
Mésons Bárions
Sp
in
 
se
m
i-i
nt
eir
o
Fé
rm
io
ns
Fraca eletromagnética
Nuclear forte
Nuclear fraca
Eletromagnética
Sp
in
 
in
te
iro
Bó
so
ns
Nuclear forte
Nuclear fraca
Eletromagnética
11
UNIDADE Matéria, Partículas e suas Interações
Atributos da Matéria
Os atributos essenciais da matéria, já muito conhecidos há décadas, são elenca-
dos a seguir:
• Todas as partículas têm massa;
• As partículas eventualmente têm carga elétrica;
• As partículas têm um momento angular intrínseco denominado spin.
A cada um desses atributos da matéria há uma lei de conservação.
Leis de conservação: indicam que as propriedades de uma partícula são invariantes antes e 
após uma reação (desintegração, espalhamento etc.).Ex
pl
or
No estudo das reações entre partículas, outras grandezas novas que se conser-
vam são o número bariônico B, no caso de bárions e o número leptônico L, no 
caso de léptons.
Um novo atributo conservativo da matéria, denominado estranheza S, foi des-
coberto nos anos 1950 em partículas aceleradas em energias de 1GeV.
Spin
Spin é definido como o momento angular intrínseco de uma partícula, não de-
vido ao movimento orbital, estando presente em todas as partículas elementares.
Na física de partículas, existem dois tipos de momento angular: o momento 
angular de spin e o momento angular orbital. O momento angular total de uma 
partícula é a combinação desses dois.
O spin é uma propriedade física intrínseca, como a propriedade de carga elé-
trica e massa. O teorema estatístico de spin, da mecânica quântica, afirma que o 
momento angular de spin só pode assumir determinados valores múltiplos inteiros 
ou semi-inteiros da unidade fundamental do momento angular, ℏ.
Para as partículas elementares, o momento angular de qualquer sistema é ex-
presso pela seguinte equação:
S s s� �� � 1 ,
em que é a constante de Planck dividida por 2 .
O teorema diz que as partículas de spin inteiro são bósons, enquanto partículas 
de spin semi-inteiro são férmions.
12
13
Importante!
Spin é definido como o momento angular (não orbital) intrínseco de uma partícula.
Figura 2 – Composição de spins de algumas partículas compostas
Fonte: Adaptado de AmazonWs
Em Síntese
A Figura 2 acima mostra a composição dos spins de algumas partículas com-
postas. O spin de partículas compostas, como o próton, é constituído pela soma 
dos spins das partículas que os compõe (no caso, os quarks de valência), estando 
sujeitos às mesmas regras de somas de spin das partículas elementares.
Número Bariônico
O número bariônico B é igual a +1 para os bárions, −1 para os antibárions e 0 
para as outras partículas.
Conforme a lei de conservação do número bariônico, o valor total de B deve 
ser o mesmo antes e depois de qualquer decaimento ou reação.
Considere a reação de produção do antipróton abaixo:
p p p p p p� � � � �� �
O número bariônico total antes da reação é:
B = + 1 + 1 = + 2;
Após a reação, o número bariônico é:
B = + 1 + 1 + 1 − 1 = + 2.
Note que, além do antipróton, foi produzido um próton para que a lei de con-
servação do número bariônico fosse respeitada.
Importante!
Regra geral: a produção de um antibárion é sempre acompanhada da produção de um bárion.
Importante!
13
UNIDADE Matéria, Partículas e suas Interações
A lei de conservação do número bariônico exige que o bárion de menor massa, 
o próton, seja estável, mas ainda há muita discussão sobre este aspecto.
De fato, não se conhece nenhuma simetria que justifique esta conservação. Con-
tudo, até o momento, a lei de conservação do número bariônico nunca foi infringida.
Importante!
O número bariônico B tem valor +1 para os bárions, −1 para os antibárions e 0 para as 
outras partículas.
Em Síntese
Números Leptônico
Segundo o modelo padrão de partículas, os neutrinos não possuem massa de 
repouso e o spin está orientado antiparalelamente ao momento linear nos neutri-
nos, enquanto sua antipartícula, os antineutrinos, apresenta o spin com orientação 
paralela ao momento linear (Figura 2).
S
p
S
�
�
p
Figura 3 – Ilustração da orientação do spin do neutrino (v) e do antineutrino (v)
Fonte: Adaptado de TIPLER e LLEWELLYN (2017)
No modelo padrão de partículas, a massa de repouso de uma partícula é re-
sultado da interação da partícula com o bóson de Higgs. Devido a essa interação 
transformar a orientação do spin das partículas, tanto o neutrino quanto o fóton 
indicam que eles não interagem com o bóson de Higgs, ou seja, não possuem 
massa de repouso, indicando, com isso, que o número leptônico é conserva-
do, podendo ser aplicada a lei da conservação separadamente aos três sabores 
de léptons.
Sabor, em física de partículas, refere-se ao conjunto de números quânticos que caracteriza diversos 
tipos de quarks e léptons, permitindo sua distinção, pois suas demais propriedades são similares. Trata-
-se de um tipo de carga, um número quântico de uma partícula fundamental ou comporta, porém, 
diferente das outras cargas, como, por exemplo, da carga elétrica.
14
15
Considere a tabela a seguir, onde são mostradosos números leptônicos de seus 
respectivos léptons e antiléptons:
Tabela 3
Partícula Símbolo
Nº leptônico
Le Lμ Lr
elétron e– 1 0 0
neutrino do elétron ve 1 0 0
pósitron e+ -1 0 0
antineutrino do elétron ve -1 0 0
múon μ– 0 1 0
neutrino do múon vµ 0 1 0
antimúon µ+ 0 -1 0
antineutrino do múon vµ 0 -1 0
tau τ– 0 0 1
neutrino do tau vτ 0 0 1
antitau τ+ 0 0 -1
antineutrino do tau vr 0 0 -1
Para compreender melhor como é aplicada a lei de conservação do número 
leptônico, vamos considerar os seguintes decaimentos:
 p � �� 0+e (1)
 � �
� �� � �e v ve (2)
 n p ve� � ��e � (3)
Na equação (1), há conservação da energia, carga, momento angular e do mo-
mento linear, mas é um decaimento ainda não observado. Nesse decaimento, o 
número bariônico B e o número leptônico Le não são conservados.
Na equação (2), o decaimento do μ+, que é observado na prática, produz um pó-
sitron (ou um antielétron), um neutrino do elétron e um antineutrino do múon. 
O μ+ tem L� � �1 e Le = 0 . 
O valor total desses números leptônicos para os produtos do decaimento tam-
bém é L� � �1 (devido ao vμ) e Le = 0 (devido ao e+ e ao ve, cujos números quânti-
cos são, respectivamente, −1 e 1).
Na equação (3), referente ao decaimento do nêutron, que é observada na práti-
ca, tanto B como Le são conservados.
De acordo com a lei de conservação do número leptônico, o neutrino emitido 
no decaimento beta de um nêutron livre é o antineutrino do elétron.
15
UNIDADE Matéria, Partículas e suas Interações
Estranheza
Considere a reação abaixo:
� �� � ��+p +�
Carga: � � � �1 1 1+1 (é conservada)
Nº bariônico: 0 0 11 → (é conservado)
A reação mostrada acima deveria ocorrer, pois obedece às outras leis de conser-
vação, como de carga e do número bariônico. Contudo, ela nunca foi observada, 
pois provavelmente viola alguma outra regra de conservação.
Por volta da década de 1940, foi dada a essas partículas ∑+ a propriedade de-
nominada estranheza S. Durante os experimentos, foi observada a criação de um 
grupo de novas partículas:
K K K� � � �
, , , , ,
0 0 0� � � �e .
Dentre outras propriedades observadas, essas partículas somente podem ser 
criadas aos pares, sendo chamadas de partículas estranhas. A esse novo atributo 
da matéria, foi dado o nome de estranheza S, que se conserva.
A estranheza deve ser conservada nas interações nuclear forte e eletromagnéti-
ca. Se a estranheza não estiver sendo conservada, é porque deve estar ocorrendo 
uma reação sob domínio da força de interação nuclear fraca. 
Os valores de estranheza possíveis são: +3, +2, +1, 0, –1, –2 e –3.
Forças Fundamentais de Interação 
e as Partículas Mediadoras da Interação
Todas as forças observadas na natureza, desde a mais simples até as explosões 
das supernovas, são descritas com base em quatro forças fundamentais de intera-
ção, cujas partículas elementares estão sujeitas. Em ordem decrescente de intensi-
dade, as forças são:
• Força nuclear forte;
• Força eletromagnética;
• Força nuclear fraca;
• Força gravitacional.
16
17
A tabela abaixo mostra as propriedades das forças de interação relacionadas à 
força eletromagnética de dois quarks up, separados à distância de 10-18 m:
Tabela 4
Propriedade
Interação 
Gravitacional
Força 
Nuclear Fraca
Força 
Eletromagnética
Força 
Nuclear Forte
Ação por intermédio de Massa-Energia Sabor Carga Elétrica Carga de Cor
Partículas de atuação Todas Quarks, Léptons Carregadas eletricamente Quarks, Glúons
Partículas mediadoras Gráviton (ainda não observado) W+, W–, Z0 γ (Fótons) Glúons
Força a distância de 10–18m 10–41 0,8 1 25
Importante!
As quatro interações fundamentais da natureza são: força eletromagnética, força nuclear 
fraca, força nuclear forte e força gravitacional.
Importante!
Nota-se que a força gravitacional é a mais fraca dentre as forças de interação, 
porém, é a de maior alcance, sendo a responsável pela estabilidade dinâmica de 
todo o Universo.
Força Forte
A força forte é descrita pela teoria da Cromodinâmica Quântica (ou da sigla 
inglesa, QCD), conforme o modelo padrão da física de partículas e é dividida em 
dois tipos:
• Força forte fundamental;
• Força forte residual.
A força forte fundamental é uma força de alcance muito curto (menor que cerca 
de 0,8 fm, em que cada fermi representa a distância em metros: 1 10
15fm m� � ), que 
atua diretamente entre os quarks. Essa força mantém os quarks juntos para formar 
prótons, nêutrons e outras partículas (outros hádrons). Ela age em distâncias muito 
curtas, da ordem de 10−18 m e tem um tempo de interação de 10–23 s. A partícula 
mediadora da força forte fundamental é o glúon, que atua entre quarks, antiquarks e 
outros glúons e está associada à carga de cor.
A carga de cor é um número quântico que é análogo à carga eletromagnética, 
sendo que os quarks carregam três tipos de carga de cor (vermelho, verde, azul) 
(Figura 4) e os antiquarks carregam três tipos de anticor (antivermelho, antiverde 
e antiazul).
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UNIDADE Matéria, Partículas e suas Interações
B 
- B 
R 
G B 
B - 
R - 
G - 
G 
B G 
R 
B - 
G - 
R - 
G 
- 
G 
R 
- 
R 
Figura 4 – Ilustração das cargas de cor de acordo com Cromodinâmica Quântica (QCD)
Fonte: Wikimedia Commons
A força forte residual, também conhecida como força nuclear, é uma força de 
curto alcance (cerca de 1 a 3 fm), existindo dentro do espaço de 10–15 m a 10–18 m, 
atuando para manter nêutrons e prótons juntos nos núcleos.
Nos núcleos, essa força atua contrapondo a alta força eletromagnética repulsiva 
dos prótons. O termo residual está associado ao resíduo da interação fundamental 
entre os quarks que compõem os prótons e nêutrons. Essa força residual atua in-
diretamente através dos mésons π e mésons µ virtuais, que transmitem a força 
entre os núcleons que mantém o núcleo unido.
A força forte é dividida em dois tipos: força forte fundamental, mediada pelos glúons, e a 
força forte residual, que atua indiretamente através dos mésons π e mésons ρ virtuais.Ex
pl
or
Nem todas as partículas participam da força nuclear forte; por exemplo, elétrons 
e neutrinos não são afetados por ela. Em geral, todos os léptons não são afetados 
pela força forte.
Força Eletromagnética
A força eletromagnética, sendo uma força de alcance infinito, pode atuar mes-
mo em distâncias muito grandes, mas tem apenas 1/100 da intensidade da força 
forte, podendo ser atrativa ou repulsiva (cargas opostas se atraem e cargas seme-
lhantes se repelem).
É uma força que atua somente nas partículas carregadas eletricamente.
O eletromagnetismo inclui a força eletrostática, que atua entre as partículas car-
regadas em repouso, e o efeito combinado das forças elétricas e magnéticas que 
atuam entre as partículas carregadas movendo-se uma em relação à outra. Essas 
forças elétricas e magnéticas, que ora foram tratadas como forças de natureza 
18
19
 diferentes, foram reunidas em uma só teoria, isto é, foram unificadas em decor-
rência das equações propostas por Maxwell, sendo ela uma força eletromagnética 
essencial para os modelos de estrutura atômica e ligações moleculares, sendo fun-
damental para a formação da vida.
O fóton é uma partícula elementar que é atua como mediador da força eletro-
magnética. Os fótons são bósons de calibre, sem carga elétrica ou massa de 
repouso e de spin 1. Comum a todos os fótons é a velocidade da luz, sendo que, no 
vácuo, o fóton move-se com velocidade c (velocidade da luz (c) = 299 792 458 m/s).
Força Nuclear Fraca
A força de interação fraca envolve a troca dos bósons vetoriais intermediários, 
o W e o Z. Devido à grande massa destes bósons (cerca de 80 GeV), de acordo 
com o princípio da incerteza, o raio de alcance desta força é de cerca de 10-18 m 
(menor que o diâmetro do próton), equivalendo à, aproximadamente, 10-6 da inten-
sidade da força nuclear forte.
Importante!
A força fraca é manifestada principalmente em decaimentos de partículas e interações 
de neutrinos.
Importante!
É uma força responsável por algunsfenômenos nucleares, como o decaimento 
beta (um nêutron se desintegrando em um próton, um elétron e um antineutrino 
do elétron), que pode ser entendido em termos da força fraca que opera nos quarks 
dentro do nêutron.
Um dos dois quarks down transforma-se em um quark up emitindo um bóson 
W– (carrega uma carga elétrica negativa). Esse bóson se decompõe em um elétron 
(e–) (partícula formadora dos raios beta) e em um antineutrino (v), conforme é 
mostrado na Figura 5 a seguir.
Figura 5 – A força fraca atuando em um processo de decaimento beta
Fonte: Adaptado de Nuclear Power
19
UNIDADE Matéria, Partículas e suas Interações
Como pode ser visto na Figura 5, ocorre uma mudança de um sabor de um 
quark para outro, pela interação da força fraca.
A força fraca representa a única interação que pode mudar o sabor de um 
quark para outro quark, ou de um lépton para outro lépton.
Força Gravitacional
Como a força eletromagnética, a força gravitacional pode agir mesmo a distân-
cias infinitamente grandes.
Na teoria clássica da gravitação de Newton, a força da gravidade varia com o 
produto das massas das partículas que interagem e com o inverso do quadrado da 
distância entre elas. Essa força é uma força atrativa que atua entre todas as partí-
culas com massa.
Embora as massas dos núcleons (prótons e nêutrons) sejam muito pequenas, o 
fato de a distância entre os núcleons ser também extremamente pequena torna a 
força gravitacional mais expressiva. Contudo, ela é 10–38 vezes mais fraca que a 
força forte; é 10–36 vezes mais fraca que a eletromagnética e é 10–29 vezes mais 
fraca que a força de interação fraca, sendo, portanto, a força elementar mais fraca 
de todas.
A Teoria Geral da Relatividade é a teoria fundamental que aborda a gravidade, 
descrevendo-a não como uma força, mas como uma consequência da curvatura 
do espaço-tempo causada pela distribuição desigual da massa. 
Na teoria quântica da gravidade, o gráviton é a partícula elementar hipotética 
que se acredita ser o mediador da força da gravidade.
Ondas gravitacionais: o que são, de onde vêm e o que têm de importante?
Disponível em: http://bit.ly/2AMjaCqEx
pl
or
Partículas Fundamentais e Famílias
Os três tipos de partículas são léptons, quarks e partículas transportadoras.
Disponível em: http://bit.ly/2VsG0s8Ex
pl
or
Os quarks, juntamente com os léptons, são partículas elementares e considera-
dos os elementos básicos que constituem a matéria.
20
21
Conforme o link acima, as partículas fundamentais, segundo o modelo padrão, 
podem ser de três tipos: léptons, quarks e partículas mediadoras, sendo dividi-
das em três famílias.
As únicas partículas estáveis estão localizadas na primeira família, cujos mem-
bros também são estáveis.
Léptons
Os léptons, que são férmions, são um tipo de partícula elementar de massa mui-
to pequena que possuem spin semi-inteiro (spin 1 ⁄ 2). Os léptons não participam 
da força forte, mas participam das forças fraca, eletromagnética e gravitacional. 
Existem seis léptons na estrutura atual, as partículas de elétrons, múons e tau, seus 
neutrinos associados e suas antipartículas.
Os léptons não participam da força forte, mas participam das forças fraca, eletromagnética e gravitacional.
A tabela abaixo mostra algumas propriedades dos 6 léptons conhecidos:
Tabela 5
Partícula Símbolo Carga Antipartícula Massa (MeV/c²)
elétron e– –e e+ 0,511
neutrino do elétron ve 0 ve ≈ 0
múon μ– –e µ+ 105,7
neutrino do múon vµ 0 vµ ≈ 0
tau τ– –e τ+ 1777
neutrino do tau vτ 0 vr ≈ 0
Por intermédio da força fraca, quando criados, o múon e o tau decaem rapida-
mente em partículas mais leves.
Quarks
Os quarks são um tipo de partículas elementares que constituem a matéria.
Em 1963, Gell-Mann e Zweig propuseram que nenhum dos hádrons (portanto, 
nem o próton e nem nêutron) é puramente fundamental, mas composto de combi-
nações de dois (mésons) a três quarks (bárions).
Atualmente, a teoria que descreve os quarks é bem aceita, considerando-os 
como partículas verdadeiramente fundamentais.
A Figura 6 a seguir mostra os quarks presentes no próton de um átomo de 
hidrogênio.
21
UNIDADE Matéria, Partículas e suas Interações
Figura 6 – Quarks presentes em um próton
Fonte: Adaptado de Nuclear Power
Os quarks são organizados em duas famílias de partículas, que compartilham as 
mesmas propriedades, com exceção da massa:
• 1ª: up (u), charm (c) e top (t);
• 2ª: down (d), strange (s) e bottom (b).
Todos os quarks se unem em grupos de dois a três quarks, chamados hádrons, 
através da força nuclear forte.
Importante!
A matéria comum consiste em dois tipos de quarks: o quark up (carga elementar, q = + 
2/3) e o quark down (q = −1 / 3).
Importante!
Quarks mais pesados são instáveis e decaem rapidamente para os mais leves 
através da força fraca.
Os hádrons que consistem em dois quarks são chamados de mésons, e aque-
les que consistem em três quarks são chamados de bárions, e são mostrados na 
tabela abaixo:
Tabela 6
Partículas Composição de Quarks Partículas Composição de Quarks
Mésons Bárions
π+ ud p uud
π– ud n udd
π0, mixture
uu
Δ0 udd
dd
η0, mixture
uu
Δ+ uud
dd
K0 d s Δ– ddd
K–0 ds Δ++ uuu
K+ us Λ0 uds
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23
Partículas Composição de Quarks Partículas Composição de Quarks
Mésons Bárions
K– us Σ0 uds
J/ψ cc Σ+ uus
Υ bb Σ– dds
Ξ0 uss
Ξ– dss
Ω– sss
Bárions e Mésons
O bárion é qualquer férmion sujeito a interações fortes, como os prótons e nêu-
trons, que contêm cada um três quarks. Outros bárions são as partículas lambda, 
sigma, xi e ômega.
Além da carga e do spin (1/2 para os bárions), outros dois números quânticos 
são atribuídos a essas partículas: número bariônico (B) e estranheza (S). Os bárions 
possuem um número bariônico B = 1, e suas antipartículas têm o valor B = -1.
Por exemplo, um núcleo de deutério que contém um próton (B=1) e um nêutron (B=1) 
possui um número bariônico total de B=2, conforme a respectiva lei de conservação.
Os mésons são um tipo de hádron composto por um quark e por um antiquark 
de carga de cor oposta.
A Figura 7 a seguir mostra um diagrama com a lista dos bárions e mésons 
conhecidos.
Figura 7 – Lista de bárions e mésons, suas massas e meias-vida
Fonte: Nuclear Power
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UNIDADE Matéria, Partículas e suas Interações
Bósons
Os bósons são partículas mediadoras, ou seja, promovem a interação entre os 
férmions. Os léptons e quarks interagem uns com os outros enviando e receben-
do bósons.
• Duas cargas elétricas atraem-se, por exemplo, por meio do bóson fóton.
• Quarks interagem entre si por meio dos bósons glúons.
• Os bósons W e Z, por sua vez, são mediadores da força fraca, particularmente 
responsável pelo decaimento beta, ou seja, pela emissão de elétrons ou pósi-
trons na desintegração de nêutrons.
• Os grávitons são os supostos mediadores da interação entre massas para a 
força gravitacional.
Os bósons são partículas mediadoras, ou seja, promovem a interação entre os férmions.
O bóson de Higgs é uma partícula especial que, ao interagir com outras partí-
culas, não as dota com força, mas com massa, o que permite explicar o motivo de 
as partículas terem massa.
Em 2012, após uma longa série de coleta e interpretação de dados experimen-
tais fornecidas por intermédio de experimentos no acelerador de partículas LHC 
(Large Hadrons Collider), foi provada a existência do bóson de Higgs, a partícula 
responsável por atribuir massa a todos os férmions.
O que é Bóson de Higgs: https://youtu.be/UPJ4F-bb6_A
Ex
pl
or
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Material Complementar
Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade:
 Vídeos
Saiba mais sobre a Teoria das Cordas
https://youtu.be/sYPkIWeEYtk
O que é Bóson de Higgs?
https://youtu.be/UPJ4F-bb6_A
 Leitura
Artigo sobre a teoria do campo unificado
http://bit.ly/35esLzT
Ondas gravitacionais: o que são, de onde vêm e o que têm de importante?
http://bit.ly/2AMjaCq
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UNIDADE Matéria, Partículas e suas Interações
Referências
CHAVES, A. S. Física: sistemas complexos e outras fronteiras. Riode Janeiro: 
Reichmann & Affonso Editores, 2001.
HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de física: ótica e físi-
ca moderna. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012.
KNIGHT, R. D. Física: uma abordagem estratégica – relatividade e física quântica. 
2. ed. Porto Alegre: Bookman, 2009.
LOPES, J. L. A estrutura quântica da matéria: do átomo pré-socrático às partí-
culas elementares. 3. ed. Rio de Janeiro: Editora UFRJ, 2005.
TIPLER, Paul A.; LLEWELLYN, Ralph A. Física Moderna. 6. ed. Rio de Janeiro: 
LTC, 2017.
TIPLER, P. A.; MOSCA, G. Física para cientistas e engenheiros – Física moder-
na: mecânica quântica, relatividade e a estrutura da matéria. 6. ed. Rio de Janeiro: 
LTC, 2009.
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