A terceira categoria chama-se força nuclear fraca e é responsável pela radioactividade, agindo sobre todas as partículas de matéria de spin 1/2 mas não sobre partículas de spin 0, 1 ou 2, como os fotões ou os gravitões. A força nuclear fraca não foi bem compreendida antes de 1967, quando Abdus Salam, no Imperial College de Londres, e Steven Weinberg, em Harvard, propuseram teorias que unificavam esta interacção com a força electromagnética, tal como Maxwell tinha unificado a electricidade e o magnetismo cerca de cem anos antes. Sugeriram que, para além do fotão, havia outras três partículas de spin 1, conhecidas colectivamente por bosões vectoriais maciços que transmitiam a força fraca. Foram chamados W+ (pronuncia-se W mais), W- (pronuncia-se W menos) e Z0 (pronuncia-se Z zero), e cada um tinha uma massa de cerca de 100 GeV (GeV significa giga-electrão-volt, ou mil milhões de electrões-volt). A teoria de Weinberg e Salam exibe uma propriedade conhecida por quebra espontânea de simetria. Significa que aquilo que parece ser um número de partículas completamente diferentes a baixas energias não passa do mesmo tipo de partícula, mas em estados diferentes. A altas energias todas estas partículas se comportam de modo semelhante. O efeito é muito parecido com o de uma bolinha de roleta a girar. A altas energias (quando a roleta gira rapidamente), a bolinha tem o mesmo comportamento: não pára de girar. Mas, quando a roleta vai abrandando, a energia da bolinha diminui e acaba por fazê-la cair numa das trinta e sete depressões da roleta. Por outras palavras, a energias baixas há trinta e sete estados diferentes em que a bolinha pode existir. Se, por qualquer razão, só pudéssemos observar a bolinha a baixas :, energias, pensaríamos que havia trinta e sete tipos diferentes de bolinhas!
Na teoria de Weinberg e Salam, a energias muito maiores que 100 GeV, as três novas partículas e o fotão comportar-se-iam todos da mesma maneira. Mas às energias mais baixas que ocorrem na maioria das situações normais, esta simetria entre as partículas seria desfeita. W+, W- e Z0 ficariam com grandes massas, fazendo com que as forças que transportam tivessem um alcance muito curto. Na altura em que Weinberg e Salam propuseram a sua teoria, poucas pessoas acreditaram neles, e os aceleradores de partículas não eram suficientemente potentes para alcançar energias de 100 GeV necessárias para produzir partículas W+, W- ou Z0 reais. Contudo, durante os dez anos seguintes, mais ou menos, as outras predições da teoria a energias mais baixas coincidiam de tal maneira com as experiências que, em 1979, Weinberg e Salam receberam o prémio Nobel da Física, juntamente com Sheldon Glashow, de Harvard, que tinha sugerido teorias unificadas semelhantes para as forças electromagnética e nuclear fraca. A comissão Nobel foi poupada a um erro embaraçoso com a descoberta, em 1983, no CERN (Centro Europeu de Pesquisa Nuclear) dos três parceiros maciços do fotão, com massas e outras propriedades correctamente preditas. Carlo Rubbia, que dirigiu a equipa de várias centenas de físicos que fizeram a descoberta, recebeu o prémio Nobel em 1984, juntamente com Simon Van der Meer, o engenheiro do CERN que tinha desenvolvido o sistema utilizado para armazenar antimatéria. (É muito difícil hoje em dia marcar pontos em física experimental, a não ser que já se esteja no topo!)
A quarta categoria é a força nuclear forte, que mantém os quarks unidos no protão e no neutrão, e mantém os protões e os neutrões juntos no núcleo de um átomo. Crê-se que esta força é transmitida por uma outra partícula de :, spin 1, chamada gluão, que interactua só consigo própria e com os quarks. A força nuclear forte tem uma propriedade curiosa chamada confinamento que mantém as partículas sempre unidas em combinações sem cor. Não se pode ter um quark isolado, porque teria cor (vermelho, verde ou azul). Em vez disso, um quark vermelho tem de estar junto a um verde e a um azul por uma "corda" de gluões (vermelho + verde + azul = branco). Este tripleto constitui um protão ou um neutrão. Outra possibilidade e um par formado por um quark e um antiquark (vermelho + antivermelho, ou verde + antiverde, ou azul + anti-azul = branco). Estas combinações constituem as partículas conhecidas por mesões, que são instáveis porque um quark e um antiquark podem aniquilar-se originando electrões ou outras partículas. Do mesmo modo, o confinamento evita que se tenha um único gluão, porque os gluões também têm cor. Em vez disso, é preciso ter um conjunto de gluões, cujas cores juntas produzam o branco. Esse conjunto forma uma partícula instável ehamada *glueball (10).
(10) Bola de grude (*N. do T.*).
O facto de o confinamento não permitir que se observe um quark ou um gluão isolados podia fazer crer que os quarks e os gluões são partículas um tanto metafísicas. No entanto, há outra propriedade da força nuclear forte, chamada liberdade assimptótica, que torna o conceito de quark e gluão bem definido. A energias normais, a força nuclear forte é realmente forte e mantém os quarks unidos. Contudo, experiências com grandes aceleradores de partículas indicam que a energias elevadas a força forte se torna muito mais fraca, e os quarks e os gluões comportam-se quase como partículas livres. A Fig. 5.2 mostra uma fotografia de uma colisão entre um protão e um antiprotão a alta energia. Foram produzidos vários :, quarks quase livres que deram origem aos "jactos" de trajectórias vistos na fotografia.
Fig. 5.2. Um protão e um antiprotão colidem com energia elevada e produzem um par de *quarks* quase livres
O êxito da unificação das forças electromagnética e nuclear fraca levou a várias tentativas para combinar estas duas forças com a força nuclear forte naquilo a que se chamou teoria da grande unificação ou GUT (11). Este título é um tanto exagerado: as teorias resultantes não são assim tão grandes, nem completamente unificadas, porque não incluem a gravidade. Nem são teorias realmente completas, porque contêm um número de parâmetros cujos valores não podem ser preditos a partir da teoria, mas têm de ser escolhidos para se harmonizarem com as experiências. Apesar disso, podem ser um passo no sentido de uma teoria completa, totalmente unificada.
(11) *Grand Unification Theories* (*N. do T.*).
A ideia fundamental das :, GUTs é a seguinte: como já foi mencionado, a força nuclear forte torna-se mais fraca a altas energias. Por outro lado, as forças electromagnéticas e nuclear fraca, que não são assimptoticamente livres, tornam-se mais fortes a energias altas. A determinada energia muito alta, chamada a energia da grande unificação, essas três forças teriam todas a mesma intensidade e poderiam, portanto, ser apenas diferentes aspectos de uma única força. As GUTs predizem também que, a essa energia, as diferentes partículas de matéria de spin 1/2, como os quarks e os electrões, seriam essencialmente as mesmas, obtendo-se assim outra unificação.