partículas Elementares, Notas de aula de Inglês

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partículas

Elementares

a (des)construção da matéria pelo homem

uma das características do homem é sua constante curio- sidade sobre tudo o que nos cerca. Desde as cavernas, tentamos entender a natureza e a razão de nossa própria existência a partir de perguntas aparentemente simples – por quê, como, para quê, etc. –, mas ex tremamente penetrantes. um dos primeiros questionamentos foi “De que as coisas são feitas?” a res pos ta tem evoluído ao longo do tempo, segundo nossos conhe ci- mentos acumula dos e passados de geração em geração. aqui, apresentamos nosso entendimento atua l sobre os blocos cons- tituintes da matéria e as forças que regem os fenômenos da natureza. será uma visão definitiva? certamente, não. a cada dia, temos a lgo no - vo a acrescentar a esse quadro. quem sa be, você, leitor, não nos ajudará a encontrar o lugar de uma peça neste imenso quebra-ca beça que é a natureza?

32. | a n at ur E Z a da s coi s a s | teR R a, fogo, água e aR | o não Di v isível

33. | fr aG m E n ta n do o i n di V i s í V E l | atom ismo | m isteR iosa R aDi ação

34. | V i aG E m ao cE n tr o do Á tomo | gR anDe vazio | RetR ato Do átomo quanDo jovem

35. | cr i s E E a n t i m atÉ r i a | o sagR aDo e a heResi a | sen hoR as e sen hoRes R aDioati vos | a anti matéR i a 3 8. | o s m És on s E m cE n a | foRça foRte | quem encomenDou isso? | fi nalmente, o Píon 4 0. | um ZÔo suB atÔmico | PaRtícu las estR anhas | m u lta De 10 mi l

36. | V olta À s i m p l i c i da dE | si m Ples e elegante | sem PRe con fi naDos | aceitação De u m moDelo

37. | modE l o pa dr ã o | listagem com Pleta | PRecisão e sensibiliDaDe | un i ficanDo fenômenos | as quatRo foRças | bReve cenáR io bR asi lei Ro

38. | o f uturo | os limites Do moDelo | o que falta DescobR iR | volta às oR igens

EDITORES CIENTÍFICOS | João dos Anjos (Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas/MCT) | Adriano Antônio Natale (Instituto de Física Teórica/Universidade Estadual Paulista)

os antigos chineses e indianos, madeira, metal e espaço tam- bém seriam constituintes básicos da matéria.

o não diVisíVEl

Por volta do século 5 a.C, os filósofos gregos leucipo (480-420 a.C.) e demócrito (460-370 a.C.) propuseram que a matéria era formada por corpúsculos diminutos, invisíveis, dotados de movimento veloz. essas entidades foram deno- minadas átomos, cujo significado é “não” (a) “divisível”(tomo). As idéias da escola atomista sobreviveram no poemade re- rum natura (sobre a natureza das coisas), do romano lucré- cio (99-55 a.C.).

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FOTO MICHAL LEIMANN

FOTO ALEX MARTIN

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f u t u r o fraGmEntando

o indiVisíVEl

atomismo no século 17, o físico e matemático inglês isaac newton (

• 1727. retomou a concepção de que a matéria – inclusive a luz – era formada de corpúsculos. Mas a idéia se popularizou a partir de 1802, quando o químico John dalton (1766-1844), seu conterrâneo, formalizou que tudo era feito de átomos. no final do século 19, em parte por influência desses dois cien- tistas, a realidade dos átomos se tornou um importante tema de debate, principalmente na inglaterra.

mistEriosa radiação naquela época, as pesquisas sobre a eletricidade desper- tavam grande interesse entre os físicos. Vários se dedica- vam, por exemplo, a decifrar a natureza de uma misteriosa radiação que brotava do pólo negativo (cátodo) de ampolas de vidro em cujo interior havia gases rarefeitos – aperfeiçoa- dos, esses equipamentos deram ori- gem aos tubos de tV. experimentos desse tipo levaram o físico inglês Joseph thomson (1856-1940) à con- clusão de que os raios catódicos eram partícu las subatômicas de car- ga negativa: os elétrons. o átomo havia sido fragmentado. e, para thomson, ele se assemelhava a um pudim cuja massa (positiva) era re- cheada de ameixas (elétrons).

THE FRANKLIN INSTITUTE/ THE CASE FILES

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f u t u r o^ crisE E

antimatÉria

o saGrado E a hErEsia Pouco antes da descoberta do nêutron, uma crise entrou em cena. motivo: o decaimento beta, processo em que um nêutron se transforma num próton e “cospe” um elé- tron do núcleo. mas algo intrigava os físicos. as contas do balanço energético dessa forma de radioatividade não fechavam. faltava um resquício – desprezível, é verdade

- de energia que não era observado nos experimentos. Para explicar essa diferença, o físico dinamarquês niels bohr (1885-1962) chegou a propor uma heresia: a conser- vação de energia – popularmente conhecida como “nada se cria, tudo se transforma”, um princípio sagrado para os físicos – não valeria para esse fenômeno. era um ato de desespero.

sEnhoras E sEnhorEs radioatiVos

em 1930, uma carta do físico austríaco Wolfgang Pauli (1900-1958) começava com “senhoras e senhores Radioa- tivos”. nela, ele se desculpava por sua ausência num congresso e propunha a solução para o mistério: uma partícula sem carga, de massa possivelmente nula, res- ponderia pela energia que faltava. a aceitação do neu- trino – como foi batizado pelo físico italiano enrico fermi (1901-1954), que a empregou para dar a primeira teoria satisfatória do decaimento beta – foi surpreendente. teóricos passaram a empregar essa par tícula-fantas - ma com entusiasmo, mesmo que ela só tenha sido de- tectada em 1956.

a antimatÉria

em 1928, as equações nas quais o físico inglês Paul Dirac (1902-1984) trabalhava revelaram o inusitado: a existên- cia de partículas de carga positiva com massa igual à do elétron. era a primeira evidência de algo que os físicos hoje aceitam com naturalidade: a antimatéria. esse elé- tron positivo – batizado pósitron – foi recebido com des- confiança. mas, em 1932, ele foi detectado pelo norte- americano carl anderson (1905-1991). Pouco depois, percebeu-se que todas as partículas teriam sua corres- pondente antipartícula. Duas décadas depois, foram capturados o antipróton e o antinêutron. a antimatéria é parte da natureza, apesar de rara no universo atual.

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acelerador de partículas da universidade da ca lifórnia, UNIVERSITY OF CALIFORNIA/BERKELEY em berkeley (estados unidos)

finalmEntE, o píon o méson de Yukawa – hoje, conhecido como méson pi (ou píon) – só foi detectado em 1947, na observação de raios cós- micos por uma equipe da universidade de Bristol (inglaterra), liderada pelo inglês Cecil Powell (1903-1969) e com partici- pação determinante do físico brasileiro César lattes (1924- 2005). no ano seguinte, lattes e o norte-americano eugene Gardner (1913-1950) detectaram píons produzidos artificial- mente no acelerador de partículas da universidade da Cali- fórnia, em Berkeley (estados unidos). essa descoberta mos- trou que a produção e a detecção de partículas podiam ser feitas de modo mais controlado com o desenvolvimento de aceleradores mais potentes e detectores mais precisos.

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f u t u r o um ZÔo

suBatÔmico

partículas Estranhas não bastasse o múon ser tratado comopersona non grata no clube das partículas elementares, vieram outras surpresas inexplicáveis: começaram a ser detectadas partículas que se formavam em pares e que “viviam” muito mais tempo que o previsto. As “partículas estra nhas” – mais tarde, reconheci - das como mésons K (ou káons) – eram apenas o prenúncio de uma torrente inesperada de novidades.

multa dE 10 mil A partir da década da 1950, com o advento dos grandes ace- leradores, formou-se um verdadeiro zoológico de novas partí- culas. Cada uma ganhou uma letra grega. eram tantas que, nas palavras de um físico, temeu-se que o alfabeto grego não fosse suficiente. em 1955, o físico norte-americano Willis lamb Jr. descreveu o espanto de seus colegas: “[...] o descobridor de uma nova partícula elementar costumava ser agraciado com o prêmio nobel, mas agora deveria ser punido com uma mul- ta de $10 mil [dólares]”. Abaixo, vê-se como o cardápio de partículas se avolumou na época.

cronologia das partículas elementares

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acEitação dE um modElo Mais uma peculiaridade dos quarks: eles têm cargas elé- tricas que são uma fração da carga do elétron ou do próton (+2/3 ou –1/3), pois só assim é possível explicar a carga elé- trica dos bárions e dos mésons. Por exemplo, um próton é for- mado por dois quarks up (+2/3) e um down (-1/3). A soma total das cargas elétricas (2/3 + 2/3 - 1/3) é igual a 1. Por con- ta do confi namento e das cargas fracionárias, o modelo dos quarks foi recebido com ceticismo. no final da década de 1960, experimentos no acelerador de stanford (estados uni- dos) – e conceitualmente similares ao experimento de ruther- ford – deram fortes evidências de que prótons e nêutrons continham su bestruturas. e o modelo de quarks – inicial- mente encarado apenas como um artifício matemático – for- neceu uma boa interpretação desses re sultados, trazendo de volta simplicidade e certa ele- gância ao mundo das partículas elementares. Curio sidade: Gell- Mann tirou o nome quark de uma passagem – “three quarks for Muster Mark” (três quarks para o senhor Mark) – do roma n - ceFinnegans Wake, do irlandês James Joyce (1882-1941).

modElo padrão

listaGEm complEta

em meados da década de 1970, os físicos já tinham uma listagem completa das partículas elementares da natureza, mesmo que muitas ainda estivessem por ser detectadas, pois precisavam ser criadas em colisões que reproduzissem os níveis de energia dos momentos iniciais do universo. esse esquema teórico ganhou o nome de “modelo padrão de partí- culas e interações (ou forças) fundamentais”. A tabela da página 45 mostra o atual quadro de partículas elementares.

prEcisão E sEnsiBilidadE

À medida que os aceleradores foram aumentando seu poder de acelerar partículas – bem como a precisão e a sensibi lida de de detectores gigantes foram aprimoradas –, come çaram a surgir os integrantes previstos pelo modelo padrão ou indicações indiretas da existência deles. Por exemplo: o quark charm (1974); o tau (1975), um primo mais pesado do elétron e do múon; o bottom (1977); os glúons (1979); as partículas W+, W - e Z^0 (1983), “carrega doras” da força fraca nuclear. e, fi nalmente, em 1995, o “último dos moica nos”: o quark top. uma lista das principais partí- culas conhecidas hoje pela física pode ser encontrada em www.cbpf.br/Publicacoes.

unificando fEnÔmEnos

A história da física pode ser contada pelo viés da unificação dos fenômenos. no século 17, newton mostrou que a gra- vidade terrestre e a cósmica eram uma só. no século seguin-

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BrEVE cEnÁrio BrasilEiro

desde a dete cção do píon por lattes em Bristol e Berkeley, o Brasil tem mantido uma longa tradição na área de físi- ca de partículas. nas últimas décadas, o país vem partici- pando dos principais projetos nos grandes aceleradores, como o Fermilab (estados unidos) e o Cern (suíça). Físicos brasileiros, além de terem proposto a existência de novas partícu las, como o Z^0 , participaram de experimentos em que muitas delas – por exemplo, o méson sigma e o quark top – foram detectadas.

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tabela de partículas elementares

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f u t u r o o futuro

os limitEs do modElo Até hoje, o modelo padrão – teoria na qual estão reuni- das as forças eletromagnética, fraca e forte – passou com louvor nos testes a que foi submetido. Porém, ele tem limita- ções. não indica, por exemplo, por que há três famílias (ou gerações) de léptons e quarks. nem é capaz de explicar por que alguns léptons e quarks são tão mais pesados que seus companheiros. experimentos recentes mostraram que os neutrinos têm massa, e isso cria para o modelo dificuldades que os físicos tentam agora driblar. Há muita expectativa em relação à detecção do chamado bóson de Higgs, uma partícula que seria a responsável pela geração das massas de todas as partículas, o que resolveria parte das limita- ções do modelo. espera-se que isso ocorra com os ex pe- rimentos no acelerador lHC (sigla, em inglês, para Grande Colisor de Hádrons), que entrou em funcionamento em 2008 no Cern.

o QuE falta dEscoBrir um século depois de a física incorrer no escândalo filológico de fraturar o átomo – na síntese perspicaz atribuída ao escritor argentino Jorge luis Borges (1899-1986) –, unificar as quatro forças é ainda um sonho. o melhor candidato para isso é a chamada teoria de supercordas, que trata as partículas ele- mentares não como pontos sem dimensão, mas como cordas diminutas. Cada modo de vibração dessas entidades representaria uma partícula elementar, assim como cada fre- qüência de vibração de uma corda de violino está associada a uma nota musical. o problema é que a teoria de supercordas

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