Modelo Padrão Fisica de Particulas 1

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O Modelo Padrão da 
Física de Partículas 
 
(STANDARD MODEL OF PARTICLE PHYSICS) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Sumário 
 
 
 
 
PARTICULAS ELEMENTARES pag. 3 
O MODELO PADRÃO pag. 4 
O BÓSON DE HIGGS pag. 6 
AS INTERAÇÕES FUNDAMENTAS (4FORÇAS) pag. 7 
CONCLUSÃO pag. 15 
REFERÊNCIAS pag. 16 
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PARTÍCULAS ELEMENTARES 
 
 Todas as partículas podem ser classificadas em Bósons e Férmions. Bósons 
possuem spin inteiro (... -2; -1; 0; 1; 2; ...), isto faz com que não obedeçam o Princípio 
de Exclusão de Pauli, já os Férmions são partículas com spin semi-inteiro (...-3/2; -1/2 
; 1/2; 3/2; ...) e que por isso obedecem o Princípio de Exclusão de Pauli. As partículas 
elementares, aquelas que até o momento parecem ser indivisíveis, podem ser 
divididas em duas classes, as partículas constituintes, que são os blocos básicos de 
constituição da matéria, e as partículas mediadoras, que transmitem as interações 
entre as partículas constituintes. Uma das características que permite diferenciar estas 
classes de partículas é justamente o spin. As partículas constituintes são férmions e as 
partículas mediadoras são bósons. 
Um panorama da classificação das partículas elementares, mediante a Física de 
Partículas, pode ser observado na (Fig.1), em que são apresentadas as relações mais 
importantes para compreender como a Física de partículas explica a constituição do 
átomo. 
 
Fig.1 - Panorama sobre classificação das partículas elementares. 
 
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O MODELO PADRÃO 
O Modelo Padrão de Partículas elementares é uma teoria compreensiva que identifica 
partículas básicas e como elas interagem, tudo que ocorre no mundo que conhecemos 
(exceto os efeitos gravitacionais) resulta das interações das partículas do modelo 
padrão de acordo com suas regras e equações. 
 De acordo com o Modelo Padrão de Física de Partículas, léptons e quarks são 
partículas elementares que não possuem estrutura interna. Partículas que tem 
estrutura interna são denominadas hádrons. E as partículas mediadoras denominadas 
bósons são os (o fóton, o gráviton, os glúons e a particulas W e o Z) ,juntas elas dão 
origem à matéria e a todos os tipos de interações existentes no Universo. 
 Cada grupo (leptons e quarks) consiste em seis partículas, que são relacionadas em 
pares ou “gerações”. As partículas mais leves e estáveis compõem a primeira geração, 
enquanto as partículas mais pesadas e menos estáveis pertencem à segunda e à 
terceira gerações. Toda matéria estável no universo é feita de partículas que 
pertencem à primeira geração; quaisquer partículas mais pesadas decaem 
rapidamente para outras mais estáveis. 
 Os seis léptons são organizados em três gerações - o "elétron" e o "neutrino-
elétron", o "múon" e o "neutrino do múon", e o "tau" e o "neutrino do tau" como segue 
na (Fig. 2). O elétron, o múon e o tau têm carga elétrica e massa considerável, 
enquanto os neutrinos são eletricamente neutros e têm muito pouca massa. Léptons 
não tem carga cor, possuem carga elétrica inteira e podem existir livremente. 
 Já os seis quarks estão emparelhados da mesma forma em três gerações - o “quark 
up” e o “quark down” formam a primeira geração, seguidos pelo “quark charme” e 
“quark estranho”, depois o “bottom quark” e o “quark top”) como segue na (Fig. 2). 
Quarks tem carga cor (cor3), isto é, sentem a interação forte, tem carga elétrica 
fracional (-1/3; -2/3 ; +1/3 ; +2/3 ) e só existem confinadas dentro de outras partículas, 
os hádrons. Como os quarks possuem uma propriedade denominada cor3 e podem, 
cada um, apresentar três cores (Vermelho, verde e azul), constituindo 18 quarks. 
No entanto cabe lembrar que, como a cada partícula há uma anti-partícula Fig. 2, 
existem um no total 12 Léptons e 36 Quarks (como são cor3). 
 
Os hádrons dividem-se em dois grupos: bárions e mésons como na Fig. 1. São 
compostos da união de quarks e/ou antiquarks. 
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 Hádrons são combinações de quarks que permanecem juntos por causa da interação 
forte (troca de glúons). Em princípio podemos imaginar qualquer combinação de 
quarks, mas, até hoje, nenhuma partícula livre com carga fracional foi observada, e 
este fato experimental levou os cientistas a concluir que somente duas formas de 
combinar quarks são válidas. Combinando um quark com um anti-quark se obtêm 
mésons. Como a soma dos spins de um quark e um anti-quark pode resultar em -1; 0; 
ou +1, os mésons também são bósons. 
 Combinando dois quarks de carga +2/3 com um quark de carga -1/3 se obtêm um 
bárion de carga positiva, como exemplo podemos citar o próton. A combinação de dois 
quarks de carga -1/3 com um quark de carga +2/3 resulta em um bárion neutro, como 
exemplo podemos citar o nêutron. Como a soma dos spins de três quarks vai resultar 
em -5/2 ; -3/2 ; -1/2 ; +1/2 ; +3/2 ou +5/2 os bárions também são férmions. 
 Nêutrons e Prótons interagem pela força forte, intermediando glúons, para formar os 
núcleos atômicos, os quais interagem com os elétrons através da força 
eletromagnética, trocando fótons virtuais. Da interação entre o núcleo atômico e os 
elétrons surgem os átomos que constituem a matéria macroscópica. 
 
 
Fig.2 – Quarks e leptons e suas respectivas anti-partícula (Antiquarks e Antileptons) 
 
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O Bóson de Higgs 
 
O bóson de Higgs é um elemento fundamental no Modelo Padrão, foi descoberto por 
experimentos ATLAS e CMS no Large Hadron Collider (LHC) em 2012. 
O bóson de Higgs, que tem uma massa ≈ 125 GeV, difere de todas as outras 
partículas do Modelo Padrão. Ao contrário, os férmions fundamentais e os bósons de 
calibre, que são respectivamente partículas de spin1/2 e spin 1, o Bóson Higgs é uma 
partícula escalar spin 0, tal como idealizado no Modelo Padrão. 
O bóson de Higgs desempenha um papel especial no Modelo Padrão, os bósons de 
Higgs induzem a quebra espontânea de simetria dos grupos de calibre e são 
responsáveis pela existência da massa inercial. 
Sem ele o Universo seria muito diferente, todas as partículas seriam sem massa e 
iriam se propagar à velocidade da luz. No QFT (Teoria Quântica de Campos), o bóson 
de Higgs pode ser considerado como uma excitação do campo de Higgs. Ao contrário 
dos campos associados aos férmions fundamentais e bósons, que têm valores de 
expectativa zero no vácuo, o campo Higgs acredita-se que tem um valor de 
expectativa de vácuo diferente de zero. 
É a interação de partículas inicialmente sem massa com este campo não-zero de 
Higgs que lhes fornece suas massas. A descoberta de uma partícula do tipo Higgs no 
LHC representou uma notável validação das ideias teóricas que constituem o Modelo 
Padrão. As massas dos bósons W±, Z e H são todas da ordem de 100 GeV, que é 
conhecido como a escala eletromagnética. Isso não acontece por acaso; no Modelo 
Padrão, as massas dos bósons de calibre fraco estão intimamente ligadas ao 
mecanismo de Higgs. 
 
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AS INTERAÇÕES FUNDAMENTAS (4 FORÇAS) 
 
 Na natureza temos quatro tipos de interações fundamentais: forte e fraca, 
gravitacional, eletromagnética. Cada uma delas e devida a uma propriedade 
fundamental da matéria: para a massa (interação gravitacional), para carga elétrica 
(interação eletromagnética), para cor (interação forte) e para carga fraca (interação 
fraca). 
Assim sendo, tambémtemos quatro forças fundamentais na natureza: força 
gravitacional, força eletromagnética, força cor(forte) e forca fraca, como na Fig.4. 
Todas as outras forças que conhecemos por exemplo (elástica) são casos particulares 
ou resultantes dessas quatro forças fundamentais. 
Mas de que modo ocorre essa interação? Quem transmite a "mensagem" da forca 
entre as partículas interagentes? Isso nos leva as partículas mediadoras ou partículas 
de forca ou, ainda, partículas virtuais. 
As interações fundamentais ocorrem como se as partículas interagentes, trocassem 
outras partículas entre si. Na interação eletromagnética essas partículas mediadoras 
seriam os fótons, na interação forte os glúons, as partículas (bósons) W e Z na 
interação fraca e os grávitons (ainda não detectados) na interação gravitacional como 
na Fig.4. 
Partindo desse pressuposto partículas eletricamente carregadas interagiriam trocando 
fótons, partículas com carga cor interagiriam trocando glúons, partículas com carga 
fraca trocariam partículas W e Z enquanto partículas com massa trocariam grávitons. 
 As partículas mediadoras podem não ter massa, mas tem energia, ou seja, são pulsos 
de energia, sendo denominadas partículas virtuais. Dos quatro tipos de partículas 
mediadoras, as do tipo W e Z possuem massa, mas e comum chama-las todas de 
partículas virtuais. 
Podemos afirmar que as partículas de matéria ou partículas reais (leptons, quarks e 
hadrons) interagem trocando partículas virtuais (fótons, glúons, W e Z, e grávitons). No 
entanto, é preciso levar em conta que as partículas de matéria podem ter mais de uma 
carga, de modo que experimentariam várias interações e forças, mas o âmbito da 
interação pode variar muito, a tal modo que em um determinado domínio uma certa 
interação seja irrelevante. 
Embora existam quatro interações fundamentais, quatro cargas e quatro forças isso 
não quer dizer que todas as partículas tenham as quatro cargas e experimentem as 
quatro interações. 
 Sabemos que, na gravitação de Newton, um corpo com massa cria em torno de si um 
campo gravitacional, um campo de foca que exerce uma forca sobre outro corpo 
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massivo e vice-versa. Do mesmo modo, um corpo carregado eletricamente, cria um 
campo eletromagnético (se estiver em repouso, percebe-se apenas seu componente 
elétrico, se estiver em movimento manifesta-se também o componente magnético) e 
exerce uma forca eletromagnética sobre outro corpo eletrizado e vice-versa. 
Da mesma forma, há o campo da forca forte e o campo da forca fraca. Ou seja, há 
quatro campos fundamentais :o eletromagnético, o forte, o fraco e o gravitacional. As 
partículas mediadoras são os quanta dos campos correspondentes: os fótons são os 
quanta do campo eletromagnético, os glúons são os quanta do campo forte, as 
partículas W e Z do campo fraco e os grávitons seriam os quanta do campo 
eletromagnético, desta forma os quatro campos fundamentais são o campo de fótons 
(eletromagnético), o de glúons (forte), o de partículas W e Z (fraco) e o de grávitons 
(gravitacional). 
Mas tem um problema nesta simetria que envolve quatro cargas, quatro interações, 
quatro forças, quatro tipos de partículas mediadoras e quatro campos, é que nenhum 
gráviton foi ainda detectado e a gravidade, em si, ainda não se encaixa bem na teoria 
do Modelo Padrão. 
 
Fig. 4 – Esquema simplificado modelo padrão. 
 
Nesse esquema da Fig. 4 não e feito alusão às antipartículas, não se considera 
que os quarks tem a propriedade cor que se apresenta em três variedades (de 
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modo que seria 18 o número de quarks) e que a interação forte pode se 
apresentar como fundamental ou residual (que seria mediada por mesons). 
Além disso, sugere que a interação gravitacional está perfeitamente integrada ao 
Modelo Padrão, o que ainda não ocorreu e talvez nem venha a ocorrer. Sugere 
também que as partículas W e Z são, de fato, virtuais, mas elas podem ser também 
reais, o esquema da Fig. 4 é uma visão simplificada buscando destacar a simetria da 
teoria, um grande sonho dos físicos e ter uma teoria unificada, que explica todos os 
fenômenos em termos de uma única interação fundamental. 
 
 Na física de partículas, cada força é descrita por uma Teoria Quântica Campos 
(QFT), que caso do eletromagnetismo esta é a teoria da Eletrodinâmica Quântica 
(QED) onde as interações entre partículas carregadas são mediadas pela troca de 
fótons virtuais e na caso da força forte e a teoria da Cromodinâmica Quântica(QCD) 
onde interações são mediadas pela troca de glúons. 
 
Força forte 
As propriedades fundamentais e o alcance limitado da força nuclear forte são 
explicados pela teoria da Cromodinâmica Quântica, teoria esta que trata a interação 
forte entre os quarks, como sendo a troca de oito glúons. Apesar destes glúons não 
possuírem carga elétrica, eles possuem uma carga de cor. Existem oito cores para os 
oito glúons e oito anticores para os oito antiglúons. Em uma interação, um quark pode 
mudar de cor, desde que esta seja acompanhada por uma emissão de um glúon. A 
força nuclear forte é então vista como o sistema de interações necessárias para que 
todos os hadrons permaneçam brancos (ou seja, que a combinação das cores em um 
hadron seja tal que o resultado seja branco, quer pela mistura de três cores primárias, 
quer pela mistura de uma cor e uma anticor), apesar das cores estarem se movendo 
entre os quarks. 
Observações diretas da existência dos glúons vêm da observação de experiências de 
colisões entre partículas. Nas colisões energéticas, um par de quark-antiquark pode 
ser criado. 
Quando um quark e um antiquark são criados, movem-se em direções opostas, a força 
de cor entre eles cresce até que seja suficiente para criar um novo par de quark-
antiquark. No final do processo, o que se observa, são dois jatos de partículas em 
direções opostas, cada jato proveniente de um dos quarks originais. Este processo é 
chamado de "vestir" os quarks. Em experiências usando a colisão de elétrons e 
pósitrons, observaram processos onde três jatos de partículas emergiam. Nestas 
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experiências, a única explicação para a origem dos três jatos, requer que o quark ou o 
antiquark tenha emitido um glúon. 
Outra evidência da existência dos glúons, foi observada quando se mediu o momento 
total carregado pelos quarks dentro de um núcleo. Descobriu-se então, que os quarks 
carregam apenas metade do momento do núcleo e, que a outra metade é carregada 
pelos glúons. Ficou evidente também, que os glúons não foram detectados dentro de 
núcleos, anteriormente, somente porque estes são neutros, não interagindo com o 
fóton em experiências de espalhamento Coulombiano. 
A força forte é tão intensa que é capaz de ligar os quarks, formando partículas 
(hádrons). Os quarks têm a peculiaridade de não existirem sozinhos, sempre 
aparecem em grupos, formando partículas maiores (estados ligados de quarks). 
A teoria QCD considera que é impossível obtermos quarks livres. Acredita-se que a 
interação forte entre os quarks seja atrativa e aumente com a distância. Podemos 
notar que isto é uma característica peculiar desta interação e completamente diferente 
das outras três. Portanto, quanto mais tentamos separar um quark do outro, mais 
energia será necessária para separar os dois quarks. Isto é conhecido como a 
propriedade de confinamento dos quarks. A força forte não pode se estender por 
distâncias muito longas devido exatamente ao fato de sua intensidade aumentar com a 
distância. Se separarmos dois quarks, estamos fornecendo energia ao sistema na 
forma de energia potencial que, quando se torna muito grande, cria pares quarks-
antiquarks. 
Por outro lado, quando as distâncias entre os quarks são muito pequenas, eles se 
comportam como se estivessem livres, sem interagir entre si. Chamamos este 
comportamento de liberdade assintótica. 
Há fortes evidências experimentaisque sustentam tal hipótese. Por exemplo, elétrons 
de altas energias colidindo com prótons são muito pouco desviados quando passam 
pelo interior do próton. Além disso, alguns elétrons são espalhados em ângulos 
grandes, fazendo-nos lembrar do experimento de Rutherford. Essas são evidências de 
que os quarks são pontuais e quase livres quando no interior dos hádrons. 
Até o momento, todos os quarks foram observados em sistemas ligados formando 
hádrons e, portanto, esta é mais uma confirmação da hipótese do confinamento. 
 
 
 
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Força fraca 
 A força fraca é intermediada pelas partículas W+, W- e Z, mas estas partículas são 
mésons, formados por pares de quark e antiquark. Hoje os Físicos consideram que as 
interações básicas são três, forte, gravitacional e eletrofraca. Mesmo que seja possível 
reunir as interações eletromagnética e fraca em uma única interação, isto não reduz a 
importância da interação fraca pois a quebra de simetria, como por exemplo, um 
próton, formado por quarks, pode gerar léptons durante o decaimento beta. As 
interações forte e eletromagnética só conseguem explicar a formação e decaimento de 
partículas mediante a formação de pares e o aniquilamento de pares. 
A eletrodinâmica de Maxwell descreve muito bem o comportamento de partículas 
eletricamente carregadas se as distâncias entre as partículas são maiores que 10-11 cm, 
para distâncias menores que este valor é preciso aplicar a teoria eletrodinâmica 
quântica. Como o raio atômico é aproximadamente 100 vezes maior que este valor, os 
físicos do início do século XX tiveram êxito em explicar a estrutura do átomo de 
hidrogênio, mas a teoria eletromagnética clássica não pode ser aplicada para 
descrever as forças de interação eletromagnética entre os prótons do núcleo atômico. 
Neste caso é preciso recorrer a emissão de e absorção de fótons virtuais para obter 
resultados mais precisos. 
A força fraca também é de curto alcance e está associada à transformação de 
partículas de um tipo em outro, como no decaimento beta. A força fraca é sentida tanto 
por quarks quanto por léptons e tem uma intensidade muito menor que a força forte. 
Por exemplo, sabemos que um nêutron livre decai em um próton através do 
decaimento beta. Se compararmos a vida média do nêutron, que é de cerca de 
900segundos , com a vida média de processos envolvendo a interação forte, como o 
decaimento do bárion ∆ , em que tipicamente o tempo de decaimento é da ordem de 
10-23 segundos , podemos afirmar que o nêutron é praticamente estável. 
Vou apresentar de um modo simplificado a visão moderna de força. Hoje entende-se 
que as forças que ligam os constituintes da matéria surgem de campos de força que 
estão associados à troca (emissão-absorção) de partículas, que são as mediadoras da 
interação como já foi citado anteriormente. Tais partículas não são observadas e são 
chamadas de virtuais. No modelo padrão, como vemos na Fig. 3, os mediadores são 
chamados de bósons de calibre. O fóton no eletromagnetismo é um desses bósons, 
Yukawa imaginou o méson como sendo o mediador da força nuclear. Uma 
representação gráfica que é muito utilizada na descrição dos processos que ocorrem 
na física de partículas e que é chamado de diagrama de Feynman. Um exemplo deste 
diagrama é dado na Fig 5. Ao movimento livre das partículas, com um dado momento 
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relativo, associamos linhas retas; e à interação entre as partículas, associamos 
vértices, simbolizando que a partícula que se move livremente emite uma partícula 
virtual, que será trocada e será responsável pela interação entre elas. O diagrama da 
Fig. 5 corresponde ao espalhamento(colisão) de dois elétrons. A interação entre os 
elétrons(férmions) se dá através da troca de fótons(bósons) que não têm carga. 
 
 
 
 (Partícula Virtual): O conceito de partícula virtual é algo complexo e fundamental no 
entendimento das interações da natureza. Considerando a colisão de um par elétron-
pósitron com velocidades iguais e opostas. Primeiro temos o aniquilamento do par e- 
e+ com a emissão de um fóton virtual e o posterior reaparecimento do par e- e+. O 
momento do fóton tem que ser nulo devido à conservação do momento na colisão e, 
portanto, o fóton não pode ser um fóton ordinário, pois sua energia também seria nula. 
Ele tem que ser virtual ou, como muitos gostam de chamar, “fora da camada de 
massa”. Podemos atribuir massa ao fóton virtual que foi criado. Note que isto não deve 
ser considerado um grande problema, pois partículas virtuais nunca são observadas. 
Uma maneira alternativa de visualizar o que ocorre na criação de uma partícula virtual 
é invocar o princípio de incerteza tempo-energia,∆E ∆t≅ ћ . Esta relação nos diz que, 
dentro de um intervalo de tempo ∆t , não podemos especificar a energia com uma 
precisão maior do que ∆E . Assim, podemos explicar a criação de partículas virtuais, 
violando a conservação da energia por intervalos de tempo bem curtos. 
Os bósons de calibre que são os mediadores da interação entre os quarks são 
chamados de gluons. Consistem em oito partículas, têm spin 1, não têm carga elétrica, 
mas têm carga de cor. De acordo com a teoria (QCD ), a carga de cor é a fonte da 
força forte entre os quarks e, conseqüentemente, entre os hádrons. Os gluons também 
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têm carga de cor e, diferentemente do fóton, podem exercer força uns nos outros. Em 
cada processo de emissão ou absorção de um gluon, a cor do quark pode se alterar, 
dependendo da cor e anti-cor carregada pelo gluon. Existem seis gluons que mudam 
as cores ( Grb,Grg ,Gbr, Gbg, Ggb, Ggr ) além de duas combinações neutras G0 , G0′ , e a 
barra sobre o símbolo indica anti-cor. Citando um exemplo de um quark u azul pode se 
transformar em um quark u vermelho ( ub → ur+ Gbr ). No entanto os gluons nunca 
alteram a cor dos quarks nos processos que envolvem a força forte. Na Fig. 6 
mostramos um exemplo de interação entre quarks (férmions) mediada por gluons 
(bósons), e na Fig. 7 representamos o decaimento da partícula ∆ . 
 
 
As partículas mediadoras da interação fraca são os bósons massivos W+ e W-, que 
carregam carga elétrica e o neutro Z0 . Os mediadores da interação fraca podem 
alterar a cor, isto é, transformar um quark de uma cor em outro. Por exemplo, no 
decaimento beta, que é um processo devido à interação fraca, o nêutron (udd ) se 
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transforma no próton (uud ). Na Fig. 8 representamos o processo de decaimento beta 
no contexto do modelo padrão: 
 
n → p + e- ve (decaimento beta) 
 
 
 
 
 Para os Físicos o vácuo sempre representou a ausência de matéria, para os Físicos 
de partículas o vácuo é uma estrutura muito complexa, onde pares de partícula e anti-
partícula são incessantemente criados e aniquilados. Neste vácuo o elétron é uma 
carga negativa, que atrai os pósitrons a sua volta, polarizando o vácuo, assim para 
estes a aparência do elétron é a de uma nuvem de polarização do vácuo. 
 
O modelo padrão prevê a existência do gráviton, mas as interações gravitacionais 
entre as partículas elementares são de pouca intensidade e pouco afetam o 
comportamento das partículas elementares, porem a detecção do gráviton seria uma 
forte corroboração do modelo padrão. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Conclusão 
 
Do ponto de vista da Fisica de Partículas, foram abordadas quais são as partículas 
fundamentais, a partir dos quais é formada toda a matéria do universo. Foram 
abordados os elementos do modelo padrão, que é a teoria oficial das partículas 
elementares, a qual é obtida através da combinação da Cromodinâmica Quântica com 
a teoria eletro-fraca, isto é, das teorias da interação forte com a das interações 
eletromagnética e fraca. Mostramos que, de acordo com este modelo, as partículas 
elementares são: 6 quarks, 6 antiquarks, 6 léptons, 6 anti-léptons, 8 gluons, 3 bósonsmassivos ( Z0 , W+ e W- ) e o fóton. O conceito de interação foi discutido do ponto de 
vista da troca de partículas virtuais. A ideia de grandeza conservada bem como do seu 
uso na Física de partículas foram exploradas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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REFERÊNCIAS 
 
Abdalla, M.C.B. O Discreto Charme das Partículas Elementares (Editora da Unesp, 
São Paulo, no prelo, previsto para outubro de 2005). 
 
Ostermann, F. Um Pôster para Ensinar Física da Partículas na Escola. Física na 
Escola, 2(1), 13-18 (2001). 
 
Moreira, M.A. Partículas e Interações, Física na Escola 5(2), 10-14, (2004). 
 
http://nead.uesc.br/arquivos/Fisica/fisica-nuclear/topicos-fisica-nuclear-livro-texto.pdf