Dos atomistas Gregos ao Bóson de Higgs
João da Mata Costa
I – Explorando o átomo
Os atomistas gregos propuseram no século VI - V a. C. que a
matéria do universo era composta por partículas mínimas e
indivisíveis chamadas átomos. Para Leucipo e Demócrito, na
natureza não existem senão átomos formando o ser e o vazio, não
ser. O conceito de átomo seria retomado por John Dalton no
século XVIII. O modelo do átomo com um núcleo composto de
prótons e nêutrons orbitado por elétrons foi aperfeiçoado no
século XX com os trabalhos de J. J. Thonson, Ernest Rutherford e
Niels Bohr.
Em 1968, uma experiência realizada no Stanford Linear
Accelerator Center (Acelerador linear central de Stanford)
revelaram que os prótons e nêutrons são divisíveis em partículas
menores chamadas quarks. Nome poético em homenagem a uma
passagem do Finnegans Wake de James Joyce, de 1939. Dez anos
antes de ser publicado o Finnegans Wake nasceu o físico
americano Murray Gell-Mann, ganhador do premio Nobel de
Física pela descoberta do quark. Experiências também mostraram
que um próton consiste de dois quarks; um up e um down. Um
nêutron consiste de um quarks up e dois down.
Esses estudos só foram possíveis com mega aceleradores
construídos na segunda metade do século passado, quando foi
possível acelerar partículas com velocidades próximas à da luz.
Quarks e glúons foram identificados. Os taus- análogo ao elétron
e ao múon - foram identificados, em conjunto com seus
respectivos neutrinos. Foram detectadas as partículas
responsáveis pela força fraca, o W+ , W- e o Zo . Ao todo existem
seis tipos de quarks: "up", "down", "charm", "strange", "top" e
"bottom". Esses quarks são partes do “tijolo fundamental” da
matéria, junto com os elétrons, o múon, o tau e três tipos de
neutrinos. A existência de uma 4ª partícula fundamental da
matéria - o neutrino -, prevista por Wolfgang Pauli na década de
30, foi comprovada por Frederick Reines e Clyde Cowan, em
meados da década de 50 do século passado.
Choques entre raios cósmicos contra átomos da atmosfera
terrestre permitiram que os físicos descobrissem outras
partículas e anti-partículas. O físico brasileiro Cesar Lattes
desempenhou um papel importante na descoberta do méson-pi.
O neutrino é extremamente difícil de ser detectado. No Sol são
produzidos mais neutrinos do que detectamos. O múon é uma
partícula semelhante ao elétron, com massa duzentas vezes maior.
Estas doze partículas interagem entre elas, por intermédio de
mensageiros, chamados bósons. Um deles é o fóton, que
transporta a radiação eletromagnética, e outro é o glúon, que
proporciona a coesão dos núcleos atômicos.
O fóton, que viaja à velocidade da luz (aproximadamente 300.000
km/s), não tem massa. No entanto, nossa experiência nos faz
sentir a presença da matéria, composta por átomos e, portanto,
também quarks e elétrons.
De onde vem essa massa? Os cientistas explicam que não provém
propriamente das partículas. Em 1964, por dedução, o físico
escocês Peter Higgs postulou que existia o bóson que hoje leva
seu nome e que devia dar sua massa a outras partículas.
Após anos de espera, a comunidade científica mundial e os
físicos do LEP ( sigla inglesa para Grande Colisor de Elétrons e
Prótons ) do CERN ( laboratório multinacional) , estão ansiosos
pela confirmação da descoberta do famoso bóson de Higgs. Os
cientistas buscam há 40 anos o bóson de Higgs, um elementochave da estrutura interna da matéria.
Caso isso seja confirmado, será o coroamento do Modelo Padrão teoria desenvolvida na segunda metade do século passado - que
descreve adequadamente as interações fortes, eletromagnéticas e
fracas. Essa teoria é dividida em dois setores:
1) QCD – sigla de cromodinâmica quântica. Que descreve as
interações fortes. O nome vem do fato das partículas que
interagem através da força forte terem uma propriedade
denominada cor. Podendo-se fazer uma analogia com a
carga elétrica da força elétrica.
2) Teoria das interações eletrofracas, que unifica as interações
eletromagnéticas e fracas.
O bóson de Higgs, denominado popularmente "Partícula de
Deus", é uma partícula transmissora de força responsável pela
interação de um campo que permeia todo o Universo e que geraria
a massa de todas as partículas. Sua denominação é atribuída ao
prêmio Nobel de Física, Leon Lederman, depois que seu editor
alterou o termo “damn” para “ God”. Ficando "The God Particle",
em vez de "The Goddamn Particle" ("a partícula maldita").
Maldita porque altamente instável e difícil de encontrar. A ideia é
que as partículas ao se chocarem com os bósons de Higgs freiam,
permitindo auferir sua massa.
II – Famílias de partículas que compõem o modelo padrão
As partículas elementares podem ser divididas em três grupos ou
famílias. Cada família contém dois quarks, um elétron ou um dos
seus primos, e um exemplar da espécie dos neutrinos. Nas tabelas
abaixo são resumidas as principais características de cada uma
dessas famílias. As propriedades listadas aqui, juntamente com o
nome da partícula, são: carga, a massa eléctrica, carga forte e ga,
a carga fraca. A massa de uma partícula determina como ele
responde à gravidade, a carga elétrica determina a sua resposta ao
eletromagnetismo, a sua forte carga determina sua resposta para a
força forte, e sua carga fraca determina a sua resposta à força
forte. Na família 1 estão as partículas de massa, nas famílias 2 e 3
estão as partículas produzidas logo após o Big Bang. Hoje elas
são produzidas em aceleradores ou pela interação dos raios
cósmicos com átomos da atmosfera terrestre.
Família 1
Partícula
Massa
Carga
Elétrica
Forte carga
Carga
fraca
Elétron
0,0054
-1
0
-1 / 2
Neutrino do
elétron
<10 -8
0
0
1/2
Quark up
0,0047
2/3
vermelho, verde,
azul
1/2
Quark down
0,0074
-1/ 3
vermelho, verde,
azul
-1/ 2
Partícula
Massa
Carga
Elétrica
Forte carga
Carga
fraca
Muon
0,11
-1
0
-1 / 2
0
0
1/2
Família 2
Neutrino do
<0,0003
múon
Quark charm
1,6
2/3
vermelho, verde,
azul
1/2
Quark strange
0,16
-1 / 3
vermelho, verde,
azul
-1 / 2
Família 3
Partícula
Massa
Carga
Elétrica
Forte carga
Carga
fraca
Tau
1,9
-1
0
-1 / 2
0
0
1/2
Neutrino do
<0,033
tau
Quark Top
189
2/3
vermelho, verde,
azul
1/2
Quark bottom
5,2
-1 / 3
vermelho, verde,
azul
-1 / 2
III – Interações básicas da natureza
São quatro as interações básicas da natureza. A cada interação
está associada uma partícula mensageira. Uma unidade mínima
em que a força pode existir. O fóton é a unidade mínima do
campo eletromagnético. Para a força nuclear essa partícula é o
bóson e para a força forte o glúon. Esse termo é derivado do
inglês glue: cola, que mantem o núcleo coeso. De todas as
interações básicas da natureza menos o gráviton associado à força
gravitacional foi encontrado. A força gravitacional é a mais fraca
das quatro e assume papel importante para grandes massas. Ela é
regida pela Lei da Gravitação Universal de Isaac Newton e é
responsável pela arquitetura do universo, e por manter o planeta
Terra em órbita eliptica em torno do Sol. A força eletromagnética
ocorre entre prótons, ou entre prótons elétrons. É responsável pela
energia ilumina nossas casas e alimenta os nossos aparelhos
domésticos. Na tabela abaixo são mostradas as partículas de
forças que transmitem as interações fundamentais da natureza. O
gráviton continua sendo buscado.
As forças nucleares fortes e fracas atuam a distancias atômicas e
são responsáveis pela geração de energia no interior das estrelas
tipo o Sol (nuclear fraca) e pela fissão nuclear (bomba atômica).
A força nuclear fraca surge da emissão de partículas pelo núcleo
atômico transformando-o em outro elemento químico. A força
nuclear forte mantém coeso o núcleo atômico constituído de
prótons e nêutrons. A ideia de unificar essas quatro interações
numa única força tem sido o Santo Graal da Física. Einstein
tentou nos seus últimos trinta anos de vida e não conseguiu.
Força
Partícula
Massa
Força Gravitacional
Gráviton
0
Força Eletromagnética
Fóton
0
Força Nuclear Fraca Bósons da força fraca 86 e 97
Força Nuclear Forte
Glúon
0
A força nuclear forte é aproximadamente mil vez mais forte que a
força eletromagnética e a força nuclear fraca é um milionésimo
desta. Uma teoria de campo que unifica essas duas forças foi
proposta por Weinberg, em 1967. E, independentemente, pelo
físico paquistanês Abdus Salam, em 1968. Essa teoria foi
confirmada experimentalmente em 1973.
Continua a procura por uma teoria que unifique as quatro
interações básicas da natureza. Caso seja confirmado a descoberta
do bóson de Higgs terá sido dado um passo gigantesco nessa
teoria de tudo. O gráviton não foi encontrado e a teoria da
gravidade ainda não pode ser incluída com sucesso em uma teoria
unificadora. Tentativas existem de combinar as duas principais
teorias físicas do século XX: a Relatividade Geral e a Mecânica
quântica.
Continua o desafio para os físicos e cosmólogos. 95 % da energia
e massa do cosmo é formada de matéria e energia escura. O
restante é formado por matéria bariônica, radiação cósmica de
fundo (detectada em 1965) e neutrinos. A matéria escura é não
relativística e sem pressão. A matéria escura é relativística e tem
pressão negativa.