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De onde vem a carga elétrica?

Oi, gente, tudo bem? Queria saber de onde é que surge a carga elementar (e). Muitas vezes fazem menção ao fato de prótons, elétrons e nêutrons serem compostos por quarks de diferentes sabores. Mas e a carga dos quarks? Surge da onde? Ou a ideia mesmo é focar na relação entre a carga e as interações que ela gera?

Respondido por: Prof. Magno V. T. Machado - IF-UFRGS

A pergunta sobre qual a origem da carga elementar não tem uma resposta bem estabelecida, talvez seja um tópico para análise metafísica. É um fato observacional que todas as cargas de partícula são múltiplos inteiros da carga eletrônica. Esta última é a carga mínima que uma partícula isolada pode ter. No modelo de quarks de Gell-Mann, estes têm carga fracionária relativa à eletrônica mas nunca são observados isolados na natureza. Apenas os seus estados ligados denominados de hádrons (mésons e bárions), devido a propriedade de confinamento, são observados. Entretanto, podemos sondar esta estrutura interna carregada utilizando uma prova eletromagnética como fótons, por exemplo no espalhamento inelástico profundo elétron-próton.

Em linha com o último ponto, podemos pensar carga elétrica como uma medida da intensidade da interação de uma partícula (sejam léptons ou quarks) com o campo eletromanético (EM), ou seja, com os fótons. Afirmar que uma partícula tem uma dada carga é   equivalente  a dizer que ela interage com o campo EM com uma certa intensidade. O sinal e a escala da carga elementar é uma convenção, mas uma vez que ela seja fixada as cargas de outras partículas são fixas por comparação das suas intensidades relativas com o campo EM.  No contexto da teoria quântica de campos, o campo do elétron por exemplo interage como campo EM e desta interação pode ser derivado que as excitações do campo do elétron tem carga elétrica, momento de dipolo magnético e demais propriedades físicas.

Ainda teriamos que discutir por que a carga elétrica é quantizada em múltiplos da eletrônica.  Paul Dirac [“Quantised Singularities in the Electromagnetic Field”. Proc. Roy. Soc. (London) A 133, 60 (1931).] demonstrou que a existência de monopolos magnéticos (https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_monopole) requer que as cargas elétricas sejam quantizadas (condição de quantização de Dirac). Entretanto, até o momento não há evidência experimental confirmada da existência de monopolos. Há em andamento um experimento de precisão na busca por monopolos no Large Hadron Collider (LHC), no CERN. O experimento MoEDAL (Monopole and Exotics Detector at the LHC, https://moedal.web.cern.ch/) mede a seção de choque de produção de monopolos através dos processos Drell-Yan e espalhamento fóton-fóton [1]. Outros experimentos do LHC, como CMS e ATLAS também contêm análises de busca por monopolos.

[1] B. Acharya et al. [MoEDAL], Magnetic Monopole Search with the Full MoEDAL Trapping Detector in 13 TeV pp Collisions Interpreted in Photon-Fusion and Drell-Yan Production, Phys. Rev. Lett. 123, no.2, 021802 (2019); doi:10.1103/PhysRevLett.123.021802; [arXiv:1903.08491 [hep-ex]].


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