Nº.61 UNIVERSO Dez 2016 | Jan 2017

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Por Victória Flório
28/12/16

Às unidades fundamentais e indivisíveis, de constituição desconhecida e cuja combinação gera estruturas maiores e mais complexas chamamos partículas elementares. Mas o que elas têm a ver com uma das questões mais fundamentais e antigas que o homem já se fez: “do que é feita a matéria?” À luz da ciência, pensamos a matéria constituída por átomos – palavra grega que significa indivisível e designa a menor partícula capaz de identificar um elemento químico -, mas há pouco mais de 100 anos, quando o físico britânico J.J. Thomson (1856-1940) encontrou o elétron (1897), começamos a destrinchar o átomo em partículas cada vez menores. 

Quando fazia experimentos usando filamentos aquecidos, Thomson percebeu que alguns raios catódicos emitidos pelos filamentos podiam ser defletidos. Portanto, eram sensíveis à carga elétrica. Ele havia detectado um elétron.

Nossas respostas ficaram mais intrincadas conforme teorias e experimentos feitos pelos cientistas previam e confirmavam novas partículas. O átomo, por exemplo, tem, além do elétron, prótons e nêutrons, partículas cuja existência foi identificada na chamada era clássica da física de partículas (1897 – 1932). Em escalas ainda menores estão os fótons (1900-1924), mésons (1934 – 1947), antipartículas (1930 – 1956), neutrinos (1930-1962) e, por fim, os próprios componentes de nêutrons e prótons, os quarks (o modelo de quarks é de 1964). 

Uma molécula de água (H2O), por exemplo, é a união entre dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio. Mas, na verdade, um átomo de hidrogênio é a junção de um próton e um elétron, enquanto que em escala ainda menor, um próton é formado por três quarks.

O conhecimento das partículas permite ampliar a fronteira do muito pequeno e também são um meio de estudar os astros, revelando o processo de nascimento e morte de uma estrela e, de forma mais ampla, conhecer mais sobre o universo e do que ele é feito. “Por exemplo, os neutrinos produzidos no interior do Sol podem ser observados aqui na Terra cerca de cinco mil anos antes que o fóton produzido próximo a esse neutrino nos atinja”, explica Bruno Miguez, físico de neutrinos da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). Outra aplicação mais próxima do nosso cotidiano são o efeito da radioatividade no corpo humano, pesquisa que teve início a partir de um estudo de emissões das partículas radioativas.

Elementar, minha cara partícula

As partículas elementares dividem-se em quatro grupos: quarks, bósons, léptons e o bóson de Higgs. Os quarks são os constituintes da família dos hádrons e, dependendo da quantidade de quarks em um hádron, ele se distingue em bárions ou mésons. Os bárions (três quarks) são partículas como os prótons e nêutrons do átomo, já os mésons (dois quarks) são partículas como o méson-pi, cuja existência foi estabelecida em 1947. Um dos autores da pesquisa que identificou o méson-pi e que rendeu o Prêmio Nobel de Física de 1949 a Hideki Yukawa (físico que postulou a existência dos mésons-pi em 1935), foi o brasileiro César Lattes, fundador do Departamento de Raios Cósmicos da Unicamp.

 

A tabela das partículas elementares previstas pelo modelo padrão. Cada uma dessas partículas pode ou não ter uma cor, sabor e uma antipartícula associadas. Das partículas que constituem o átomo, as chamadas partículas subatômicas, próton, elétron e nêutron, apenas o elétron é uma partícula elementar. Crédito da imagem: Wikipedia.

Já os elétrons do átomo são léptons enquanto que os chamados bósons de Gauge são atualmente compreendidos como manifestações de forças. Um elétron é indistinguível do outro, ou seja, seria impossível marcar um elétron com um número de identificação, “se você viu um, você já viu todos”, explica o físico estadunidense David Griffiths. Segundo ele, essa característica de indistinguibilidade, que não existe no mundo macroscópico, simplifica o trabalho dos físicos, já que não existem elétrons grandes, ou pequenos, velhos ou novos. Por isso, essas partículas se chamam elementares, ou seja, funcionam de modo simples. É importante salientar que as partículas elementares são muito pequenas, e, portanto, as leis que regem suas interações são descritas pela mecânica quântica.

Partículas fantasmas

Mesmo se existisse uma lupa de aumento que nos permitisse ver essas partículas fundamentais que formam tudo o que existe na natureza, não seria possível observá-las diretamente. Além de serem incomensuravelmente pequenas e rápidas (tem um tempo de vida curto) para a nossa percepção, os físicos não imaginam essas partículas como “pedaços” da matéria, com forma e volume definidos. Encontrar uma partícula elementar é um processo indireto, mediado por detectores que medem alguma propriedade associada a elas durante um experimento. Então, se você quer deixar um físico sem resposta pergunte a ele como é um próton, um elétron ou um quark. Ele vai te falar sobre as propriedades e características dessas partículas, como ou quando interagem, mas não como são. De acordo com o físico da Unicamp, quase nenhum experimento em física envolve a observação direta: “quando enxergamos algo, na verdade, nossos olhos estão detectando a luz que foi produzida ou refletida por ele, que codificamos e interpretamos como uma imagem”. Atualmente, com a tecnologia e uso de computadores, convertemos quase todas as medições e detecções em sinais elétricos, inclusive a luz. 

As partículas elementares são tão pequenas que foi preciso adaptar as unidades de medida de energia, como ergs e joules, para uma escala mais conveniente. Os físicos introduziram o elétron-volt, a energia adquirida por um elétron quando acelerado à uma diferença de potencial de 1 Volt: 1 e V = 1,6 Joules. As energias típicas em física de partículas são da ordem de MeV (10^6 eV), GeV (10^9 eV) e até TeV (10^12 e V).

Nem todas as partículas elementares previstas pelo chamado Modelo Padrão (que descreve as interações entre as partículas elementares) foram detectadas. Uma das últimas foi o bóson de Higgs, cuja previsão teórica rendeu o Prêmio Nobel de Física de 2013 ao britânico Peter Higgs e ao belga François Englert. “No caso de neutrinos (que são léptons), por exemplo, ainda não sabemos se há realmente uma antipartícula associada ou se ela é o próprio neutrino, e alguns experimentos estão sendo feitos para verificar isso”, conta Miguez. Segundo ele, “muita confusão surge do fato do Modelo Padrão ser uma teoria que lembra uma colcha de retalhos incompleta”. Teorias alternativas são necessárias para explicar aspectos da natureza não tratados por esse modelo, como a supersimetria, que prevê a existência de várias partículas que ainda não foram detectadas.

Produzindo partículas

Elétrons e prótons são fáceis de produzir porque são os constituintes da chamada matéria ordinária. Para obter elétrons basta aquecer um pedaço de metal, enquanto que para os prótons ioniza-se o hidrogênio (retira-se o elétron do átomo de hidrogênio, que contém apenas um elétron e um próton).

Outras partículas são geradas a partir de três fontes: raios cósmicos, reatores nucleares e aceleradores de partículas. Os raios cósmicos, que bombardeiam a Terra continuamente, são partículas de alta energia vindas do espaço, principalmente prótons. Quando se chocam com átomos na alta atmosfera produzem chuveiros de partículas (na maioria múons). “Os raios cósmicos são uma boa fonte de partículas porque não tem custo e a energia das partículas geradas é muito grande, difícil de se produzir em laboratório”, explicou Miguez.

The Large Hadron Collider, simulação de uma colisão de partículas. 

Já nos reatores nucleares, quando um núcleo radioativo se desintegra, ocorre a emissão de uma grande quantidade de partículas: nêutrons, neutrinos, elétrons, pósitrons e também fótons. Nos aceleradores de partículas, prótons e elétrons são submetidos à alta energias o que acelera sua velocidade de movimentação, para depois esmagá-los contra um alvo de modo a separar os detritos conforme as espécies de partículas que se quer estudar. O maior acelerador de partículas do mundo é o LHC (do inglês Large Hadron Collider), da Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear (Cern), localizado na fronteira entre França e Suíça. O anel de aceleração, onde prótons em colisão chegam a 99% da velocidade da luz, tem 27 km de circunferência, a temperatura dos magnetos de aceleração de feixes pode chegar a -271 graus Celsius.

 

Referências:

LHC. The Large Hadron Collider.

David Griffithis, Introdução a Partículas Elementares. Wiley-VCH, 2004.

César Lattes e os 50 anos do méson-pi. Do Grupo de História, Teoria e Ensino de Ciências.