A matéria que forma estrelas, planetas e corpos humanos representa apenas uma pequena fração do Universo

Tudo o que existiu, o que existe e o que existirá é constituído por quarks ou matéria bariónica, mas estas partículas subatómicas representam apenas uma pequena fração do Universo.

Dependendo da combinação, os quarks formam, entre outras partículas, os neutrões e os protões, que constituem a base do núcleo atómico.

Recentemente, ficámos a saber que os quarks representam o nível mais fundamental da matéria conhecida (bariónica). Estas partículas não têm estrutura interna e, de acordo com o Modelo Padrão, existem 6 sabores distintos, organizados em 3 gerações, que determinam as propriedades subatómicas de tudo.

Uma das suas características mais notáveis é que a sua carga elétrica é fracionária e que possuem uma propriedade adicional chamada "carga de cor", que, por incrível que pareça, não está relacionada com a cor visual, mas sim com a interação que rege a força nuclear forte, a mais intensa das forças fundamentais conhecidas.

Esta força é mediada por partículas chamadas gluões, que são responsáveis pela troca de carga de cor entre os quarks. Basicamente, atua como uma cola e garante que os quarks permaneçam ligados mesmo em condições de energia extrema.

Este comportamento conduz ao fenómeno conhecido como confinamento, que pode ser observado quando se tenta separar dois quarks. A energia do campo aumenta tanto que se criam novos pares de quark-antiquark, impedindo que existam de forma isolada.

Graças a este mecanismo, os quarks não aparecem livremente, mas sim formando estruturas estáveis; estas combinações dão origem a partículas compostas, como protões e neutrões, que constituem a base física dos núcleos atómicos e, em última instância, de toda a matéria visível no Universo.

A arquitetura nuclear

Basicamente, a matéria bariónica é constituída por partículas formadas pela combinação de 3 quarks, pelo que constituem o núcleo da matéria estável. Por exemplo, o protão é composto por dois quarks up e um down, enquanto o neutrão contém dois quarks down e um up.

No Modelo Padrão das partículas elementares, os quarks constituem um subgrupo da matéria bariónica.

Embora pareça uma descrição simples, a massa dos bariões encerra uma das ideias mais profundas da física moderna. Os quarks up e down contribuem com apenas uma fração mínima da massa total medida experimentalmente em protões e neutrões.

A maior parte da massa bariónica provém da energia associada ao movimento relativista dos quarks e também ao intenso campo de gluões que os mantém confinados. Ou seja, trata-se de uma manifestação direta da equivalência entre massa e energia descrita pela famosa equação de Einstein.

Esta dinâmica interna explica por que razão a matéria comum é como é em grande escala; a verdade é que a estabilidade do protão e o equilíbrio energético alcançado no interior do núcleo permitem a existência prolongada de átomos, moléculas, estrelas e estruturas complexas em grandes escalas de tempo.

Uma fração verdadeiramente pequena

Se pudéssemos observar o Universo na sua totalidade, o papel dos bariões pareceria surpreendentemente insignificante. Além disso, se tivermos em conta que toda a matéria composta por protões e neutrões, incluindo galáxias, planetas e seres vivos, representa cerca de 5% do conteúdo total do cosmos.

Como já referimos anteriormente, a maior parte do Universo é constituída por componentes invisíveis. A (mal denominada) matéria escura, que constitui cerca de um quarto do total, não interage com a luz, mas revela a sua presença através da sua influência gravitacional sobre as galáxias e os aglomerados galácticos.

A força desconhecida que provoca a aceleração do Universo é designada por "Energia Negra". Crédito: NASA.

E a energia escura, ainda mais desconcertante, responsável por aproximadamente dois terços do conteúdo total do Universo, com um efeito que se manifesta como uma expansão acelerada de todo o espaço-tempo, contrariando a atração gravitacional de toda a matéria conhecida.

Este panorama redefine a nossa perspetiva cósmica e, embora a física dos quarks e dos bariões explique tudo o que podemos tocar e observar diretamente, o destino e a estrutura em grande escala do Universo são dominados por componentes cuja natureza continua a ser desconhecida.

Evidência experimental e fronteiras

O mais incrível é que nós próprios podemos aceder a conhecimentos detalhados sobre quarks, gluões e bariões através de compilações experimentais rigorosas, como as do Particle Data Group, que reúne resultados de experiências realizadas nos principais aceleradores de partículas do mundo.

No âmbito cosmológico, missões espaciais como a Planck e a WMAP permitiram medir, com grande precisão as frações tanto da matéria bariónica, como da matéria escura e da energia escura do Universo e, de facto, continuam a fazê-lo.

Ao combinar os dados experimentais com modelos teóricos cosmológicos, é possível estabelecer uma ligação entre a física das partículas e a evolução do cosmos, desde os primeiros instantes após o Big Bang até à formação das galáxias, das estruturas em grande escala e, porque não, dos olhos da pessoa amada.