Dezembro 2012 www.sclam.com.br
SCIENTIFIC
AMERICAN
BR\SIL
ANO 11 In' 127 I R$11,90 I Po.wg&l
e 4.90
CLIMA
Como a retroalimentaçlo
pode elevar o aquecimento
BIOLOGIA
Cultivando os próprios
olhos em laboratório
NEUROCIÊNCIA
Como se espalham os
genes do autismo?
Tabela de Mendeleiev
inspira físicos a procurar
por componentes de
partículas fonnadoras de
,
....
protons e neutrons
E MAIS: ISON, O COMETA QUE PODE
FfS ICA DE PART fCUlAS
E se os menores bits da mat6ria
abrigam, na verdade, um mundo
ainda não descoberto d<' partículas?
Por Don Lincoln
Oon Uncoln.que,. ""'""'pelosubelwwo dos <!U"ksellp-
""""'década!.
é frsbH<riorelo-~ Ele drôdo seu tm1p>
de pesquisa ertre o ferm&b eo~ e. no ocasiooal tempo Me.
&arrtém estre.'l: &.'fQ5 e artigos $IJbfe ffsira de panic~.lla$ patit o
plbr.:o. Ele""" no S<Jbtlrlio de (l;c,gooom '"' fomllo e""
9)1.0 perti~laf'ti"'CtliC hi'5ul4
I
OUNIVERSO EUM LUGAR
COMPLEXO EINTRINCADO.
Podemos nos mover facilmente através do ar, mas não através de uma parede. O Sol transmuta
um ele mento em outro, banhando a Terra com calor e luz. Ondas de rádio trouxeram a voz de
um homem da Lua para a Terra, enquanto raios gama podem causar danos fatais em nosso
DNA. Aparentemente, esses fenômenos díspares não têm relação um com o outro, mas os físicos
descobriram um conjunto de princípios que se fundem em uma teoria de sublime simplicidade
que explica tudo isso e muito mais. Essa teoria é chamada de o Modelo Pad rão da física de partícu las, c incorpora as forças eletromagnéticas que fazem uma parede ser sólida, as forças
nucleares governarem a usina de energia do Sol, e as diversas famílias ele ondas luminosas que
tanto tornam as comun icações modernas possíveis como ameaçam nosso bem-estar.
senvolvida. f::m essência. postula que existem duas d::tSSCs de partio.•lns de 11\tll.C:ria 1ndMsí\'Cis: Qllllrks c t<:,>tons. Quarks de v:~rtos tJpui: t'Ompôcm prótons e nêutrons. e o &êptotl mais oonhecido ê o
eK1n)ft A oom1)Í ftà(~' correto\ de qu~trks c lép4:ons pcx.le fonn.ar
qualquer átomo e, por e.-..:tens.'io, qualquer um dos dif'erentes tipos
ele matC:fi.atlO Universo. Esses OOtlStiLuintes da ma.LC'I'ia estilo uni·
dos por cWiltro fon;as- duns bem filnlmarcs.. o grd\!)(fnde c o c.lct.rO·
cotlhccidfl$ OOttlO bósons medeia ao:; t~ @i m.M IOtws., tnas tod~
as tcntaliv.l.Sdc tratar a gravidade no domínio do miem falhar.ml.
O Modelo Pnddio tmnl)(!.n d®tPCfl;:Uilt<l'3 sem I"CSJ)(X5tn, oomo:
por que existem quatro rorças. c não algum outro número? E por
que h(I doiStiPOS de parlfculas rundamcn~"liS CIU VC/'. dC Cti)Ctla$ Ulll
único tipo que tratari<t de tudo?
E...~ss~oproblcma.~ intrigantes. Nocntani.O,já ht\ um lonn> pc.
ríodo de tempo um enigma dífc:..-rente Cltpturou minhn atc•.çfw:> e 3
magncti.\1ll0, c duas ainda pouco conhecidas do público em gemi,
nS (or~;~.S nuck'W'CS rorte e rrttCiL A tro('a dt! Ullm OU 1'11:.\is ]Xtrtfculu.s
de muitos outros tlsicos, O Modelo P.ldr~lo vê <tuarks c léj>tons <.'0010
indivisfveis. SurprccndenlctnCJJlé. 110 entrultO. V"..i.ria•.~ plstns irnpli·
O Modelo Rtdr.lo é
u !llá das
teorias ll)('l.íS hcm-surcdklas j.1 de-
Em 1869, Omiri MendeleeY criou a l(l~
bela periódica OOs elementoS qui'l'licos
"' perceber que os p«>P'dos
clementos se ~m an um p.1<ho
de nopctiçào. que os fisicos mak t.nle
ex~m Q.'lCTlO <X>OSeqtJência d;) es·
trutura at&lic&.lkna histéria semelhan·
" pode ""'..,..,....,00 "' ffsi<a de
partiáJia5. """amcflle hc;c.
As 12 p~rtiaAn ~ conlled:lm
30 &':icntific Amel'iC'.m IJrM~il t DC'mnbru 2012
lbn-p<ópiospocl-óesde~.,.
'l"nioque<lasMoslo1\nl;nt'(fltais. mas, N ~ ~
ponbJb<"""""'q"'"
f&icosdw..,-de[rions.
bobs-
Outra evidência arJ}l11nema (XIf(fil e!6ll
posol>ldode. o Grande (d;,o, de
~­
<~= (llf0 do CERN, ju"""""le """
vá.U opciYncnlOs mooos conluidos.
pode
f•-""*"" •queslllo.
() M ( U>t:H.O f'AOUÀ()
cam ~J I IC eles sejam constituídos pOrCOmJ»n<mtcs ainda meJlOI'CS. Se quaJts e léptons
ll:'IO solO rulldomcntois rliinrll, e col~'lS ll'IC.I'IC)resdc ratoe:\istcm,sua presença.forçará revi·
$ÕeS ~lCI'IS(lS d C IIOOSA.S teorias. A.ss:im OOIUO
a energia nucle-.tr era inconcebiveJ ;_mtes de
Emesl RuLherford dcsoobrir a ~·tru lUra do
átomo em t9ll desvendar outrn camada da
*'reiXIIa" suh.-.tõmica ce11amente re\'Clará fenômenoo que aindn néJll im:lginõlmoo.
Re.'iOivcr esse problema exih'e que cicntis-
As partículas
Todos as panlcufas da fisiea """""'"se <m uma "-'0113 oonh<dda
amo o ~lo Padrão,que estabelece as panSaJias funcl:5mentais
que.,...,,. Naw,_ben, como as b"çasque as regemO M>deloPacrãonüduas fammas-~departkutas: iérmions,
que lnduem todos os <Xlr'IStitUfr"(es da matéria, e b6sons, ~ I~
duem todas as partkUas carrogadoras de fc<Qis""' se CDnheoem
~lons v&n em três geroç(les de m""" prog"""lvomente molor.
UtS oolidam ptut ículas a energias extrema·
mente e1evada.<t Desde a obsen'ação dos
quw·ks na década de 70 não disporuos das
feJT'.mlent.'lS necessárias para observar dco·
trodclcs. Mos n!l(lrn o CrnndcCo&ordc Há·
drons (UIC, na sif,rla em inglês), no CERN,
J)Cl'LO de Gcncbm - a me-;m:t má<1uina que
recentemente etlOOnlloo evidências do bóson de lliggs.. a llltima J}c1rtk:ula •tâo <klcumcntada do Modelo l-adrão- est.·\ ganhando
vcloc:idade c I)O()elia estar à altura d.1 tai'CÍ<t
CCI:-II' U TO HE W~ llA('Õm;
(); p1imclrossinais de estruturo ll06<.Jll3f'ks e
léptons surgiram de pesquisas em outJ'o -
aiJ){l.'\ sem soh~ - problema, n::laci<Mlado
oom o número de diferentes tipos de quarks
e
MptOJt') <1ue fOn\m descobertos.
l~tons
e
nêutrons consistem em dois tipos de qua~
(:h.'uurtdos de <Jtmrks
UI)
c <.Ju:Lrks tltr.on.
,,ro-
Quarks up têm 2/3 da caro"' elêtrit-n do
to 11. e quru·ks down têm ·1/3 da cat'ga do pl'ó·
ton. Apesar de apenas esses dois tipas de
qua.l'ks, mais os elêtJ'OnS, sctem suficientes
JlíUõL oompor toda a matéria do Universo, ouu-m qu;u·ks foram observados. O CJUark cstnz,.
n/10 tem a mesnlll em~' <IOO o quw·k down,
mal~
1"-""lSado. O quark (Jott()m é uma
versão ainda. mais pesada. Da mesma fonua.
o quark chann é um primo mais P?sado do
ma.,.; é
quar k up, <:om o qu.a.rk U>t> snpcrpcsado T()fl·
dando u fhmilia do quark up. Os fisioos de
p;-l rtíCl.•la.~ oh:~rvnmm rodos c:iSC'S (lll~
mas os quatro mais pesados dccaem1 em rrn.
c,ílc$ de segu,ldo. nostk,is •na.is lcv($.
O elétron também tem p1imos ma.i.s pesados e instáveis.
como o mútm e o ainda mais pesado léptOr'll()tJ, Lendo ambos a
mesma <..'árgn do elétron. l~ o oonjunto conhecido de partículas
inclui ainda três cópias de neutrinos. todos supcrleves c elcu;.
crunénle llêutros.
F~ conjunLO de pa.rlfcul~ n:atUI'almente. lt>vOU oo ll:~i(.'(l<i a
i_ questiomu'l!m: le\r..tndo em oonla. <IUC os <u~.;ul.s UI'- down e o eléS tron ba.'itam pal'a a construção do Universo. po1·que eles têm tantos
~ primos? A 'lu(·sWo pode ser sintc..'tit.a da pela JX!I'Spie<ll. obSt.,'\'Cl('áo
!
fi
~
do \'ellccdor do Prêmio Nobc~ o fisko I. l. RablJ quando soube da
d('A'iJCOberta do móon: "'Quem JXXIIu i~?".
Um modo que os cientistas usamm ptua. lidar com o mistério
• das POPulosas t1mRias de p;u1.fculas foi a consu·uç;1o de uma tabela
...
.
para delinear as cam<..1eristicas de todas as p.utí<:ulas elementares
(X)f1hec;idM (uer qut1tlro acima), âJl.c1lo1(a à tabela pc:•iódica dos elementos químicos. A ta.OOla J:-cri6dica ofcf(.'('.Cu aos físicos os
primeii"'S ~inais de que~ clemcmos qu(micos poclerilml não ser
fundamentais. que <*i JXt<.lrf)l);S sisteanátioos na éSlruwra intenm 00
átomo poderiam explitaJ• as proptiedades similares de elementos
em deti.!nninadas linh~\S u oo1uuas.
A tabela de quarks e léptons tem três colunas chamadas ~m·
(Y}es (é J)(lf isso que o mistério da multiplícldnde de 1)3rtículas é
agom refe1ido l"'mo o pmblema de geração). Ageração l, no lado
mais à esquerda, inclui os quarks up e down, <L~im <:omo o <:16lron e o neutrino do elétron - tudo o necessArio para e.xplicar o
uni\1f i'SQquc llO."ié familiar. Ageraç;1o li contl!.1n versões um PQU·
co mais massh~s d<tS mesmas p;\rtículas; a GerA.çfio llllnclui os
mais massivos de todos.
O Modelo Pndni.o Lrataosquarkse l(:pco.-~ OOil\0 pil.t t1'í.tdns pontuais sem qualquer cstrutum intema. Mas os JXKirõcsdcmro da ta-
bela. :~shn como nn Utbcla J);rló(Liea dos elementos <1ufmk:os, 1(:
vantam a poss.ibilic.L.1de de que as direrenças nas ger..u,:ões de1i vrun
da <.'Onftgurat.iiOdC tWlos ainda •ncnores l)alà a oon.struç;lo da n~a4
téria dentro dequarkse léptons.
Outro precedente histórico, pc•·to do ah:orecer do século 20, que
pcx1e ter relevândn na bttsctl. por un ~t ('Strutura stlbjtu:cnte nos
4
quark.\ foi a descoberta do dt.'Climcmo r.wlioativo. Pl>l' meio de um
proce..~
não COIOJ)rOOIIdido na éJXl<'<l. mn elemento J)(XJe be tr.:ul.S-
mutar el'n outro. A$»ra sabemos <1ue altcl(lndo o ni'in\C.fO de pr6
tons e nêutrons no núcleo é possivel atingir a meta dos alquimistas
mcdicvnis e COIWerter o chtunbo em ouro. A ~una de tnlfl.'~lhula·
Çt)es possfvcis é.Unda maior, dado que a alquimiiL nuclear pode até
nt4.'SIHO COilVCI1Cr um n\:ul.ron c.m um am."'ton (ou o "'"'e•-oo), Altc
rando a identidade dos seu.otquarks constituintes. Essa.ll'ôUtSfonn.a·
çt\o ocorre J)(}r meio da ro1~1 nttclC"'.;t.l' f"racét.. que ~uu bém J}()I.!C tt';.l.nS
mut..1r lêptons. embora quarl\s não poss.'\m ser alterndos em lêptons~ ou vice-\'ersa.. Da mesma forma que a oonvct"S..'fo de um
(..-lcmenw em out:ru retle~c o fundonnmcnto interno oompk-xo do
á.tomo, a nlCt.amorrosede quarks c Jl:ptons: pode foC'nccer uma dK:a
dedeudltes ;úndu nlai.s fino; c.lentrudaquelas JXUtk:ulas.
4
4
4
Os físicos têm proposto diversos conceitos para préons • partículas que podem COI'J1X)r
quarics e outras panfculas demei'Ure$. Um modelo t'IOtâvel (abdiXQ) foi propostO em 1979
por Haim 1-karari, na época no Stardord UM« Aocelerator Ccntor. e Michacl A. Shupe.en·
ttio na Unlversltyof lllinols em Urbana Champaion. O esquema propõe dois t ipo$ c1e prê-ons e umo vcrs3o de <Jntimatéria dc C'41da. que induiritl <lS pl)rtícubs de m:.térla. ou fér·
mions (painel superior). e as particulas de força. ou bósons (painel inferior).
PA RT E E l' t\lt'I' (CU L,\
Muitos constituintes hipotéticos dos quaJ'ks
e lêi,.OllS surginlm, cad:• çom um nome dirc
rente, mas o tem1o ..préon.. se tixou como
um descritor gcn(:rioo lXtnl t•Xklf; eles. Na
maioria dos c::tsos, o nxsmo nome se aplica
aos <..'OOlJ)()OC.ttlCS da.s prutfeu1a-; que caJ'n;.1;101 as forças que ::tttrnnl sobre esses 1x.'da
ços de matéria.
Como ilustnwão~ considere um modelo
simples JWOPOSt.o independentemente c.n
l97JJ J)Or Httim HW1tri. na époct~ nn Stanford
J.•m·ticu la s de mat l-riu (fêrmions)
üneru· Accelerator Center. e iMichael A. Shu·
pc, tt:.t Uuivtrsity ol 1Jlb10i~ em Urbana
l' lt tO NS 1' ,\R A r s r C IA N'I' ES
Um receituário das partí.culas
4
4
4
4
Os dois préons neste ltlCideto podem ser representados pot +e O. O + tem carga de 1/3,e o Ot.em ca~ga
:r:etO. Cada 1.rt 1em umhomólogo de aAiitna'!6'iil comcarga oposta: • ( 1/3) e õ {~. Ho modelo ele Harari
t Shupt",os <jUI.rb c léptons slo compostos por três próofls.
4
CARGA
OOtll'lOOoOEPRW!<s
PARTfOJlA
+I
+++
Pósicroo
+213
++O
Ouarl< up
+1/3
+00
Anliqt.~ark. ~
o
00 0
Neuuino do elélron
o
-1/3
000
-00
-213
--0
AI\.....,..,doell!fron
Quilll< down
Cbam~1ign. e subscquentemente estendido
Cn'119Si l)C)r l·lartui e seu aluno Na1h1:m Scl
bcrg. ambos então no Instituto de Ciênci.1.
\Velt.tnnrm, em Re llO\'CJI.,. lsnd (t't'r qtw<lrtJ
il esquerdtl). Eles propuscmm que dois tipos
de J>l'éons existem. um com carga eléllica de
113 e um com ca.rga igunl a zero e. ulêm dis
.so. cada um deJes teria um companheiro de
4
4
::Ul tinmtélia ('Om éarg;t OJ){l)lô.c -1/3 c zero,
~pccti ,11mcntc. F...~:;e; proons são fé11nion..~
- rxuti<...'l.tlas dt: rnatéria - e ca(ht quark c lép
toll CQnlém uma mistut'U única do.c; U'ês p l'éons.. L>ois prOOns de carwt 1/3 e wn CXHn <:ar
ga zero. por exemplo, fomwn um quari\ UJ>.
cnqua.lto o quaJ'k up de antlmatéria oon·
tém dois préons de cargn. 1/3 c um com
»:ro. Os 1l6sons e<tl"l'CJ!Il(k.lr<:s d:<~ foo'Çlos, cnlretantoJ coJtsistem em combinações únicas
de seis próc)n$. O Moon \V. ettn'elCado posíti
\':.Unente, por exemplo, que transporta a for
ça lhtdcar fraca que age em a1nbos.. quArk'5 c
léptO~ tem tn.'\s préons de cargn 1/3 e t.rês
de c.uga 1.cro.
Usando umn série de. .&t.I)(.IS'Í\'Ões mw.1
4
4
•I
Arnlquookup
Elé<,.n
4
1'urú t·ulü.<i d e fi)r\'1'1 (l"J.son.~)
EmtJ'UPOS dedoise seiS;. os mesmos ptéons tarrnbém po6em descrevet os bó.son5.wja trilt'IS~ncia
mcdcia as lorÇI$ subat&nicas.: de~ {lótons), a força nuclear forte (g!Uon) e a força nutle~W
fraca (b6sons W+. W· c l), Os detalhes para os glõons, as p;artkuLn sOOatamicas que ma~ os quatlts
unidos no illErior do nllc:leo atOmico. sao 001 pouco mais complicados e ser3o omilidos aql.i.
CARGA
+I
OOtmÚDODE PRWNS
PARTfCUlA
+++000
BóSOfl wposlNo
-I
--- 000
8óson W nega<MI
+ ++---
++- -00
B&..on Z""3110 """""')
+-
F<loon
+- 0000
o
4
4
\'eis, Harari e Shupe po.~tula.ram o rontcúdo
de prt~nsde todas as pa.rü'culM da primeira
OOOÕÕÕ
o
4
geração. Os mesmos bb:os de construção
ro.mbém oonl1ibuem J>{tm osglúoos, a.s par
tíctlla.s subatõmicas que medeiam a for('~1
nuclear forte que mnntêm os quarlt.s: unidoo
4
no interior de prótons e nêutrons. bem rumo
para outi'OS l)ÓOOns..
32 S.:il;f'llifu: Amt'fk::UI Ura!Oil l
D.l~oeo~nbro '2012
O truque na formutaçrl() de (lualqucr CSlrt•Uuá Stlbja<:ente dos
bem conhecidos quarks. léptons e bõsons está em representar a
nlir!ade de lnt.crn«ics ck."'SSlt$ partículas e força..;;. Com dCitc.~ pré·
ons podem fornecer uma lillb'1Hsgem sensfvcl pam descrever pro(~'i(lS$U~liÔmÍC4):i. Consi<lcrc. porc.xeml)lo.a.oollsãodc um qunrk
up oom um qu:uk down de ;.mUmatéria. p1'0duzindo um bõson W
de carg;.1 positi\'l.l <1ue decai cu1utn ei(.-Lron de antim::.t,Tia. ou 1>ósiU1>n. e um neutrino do elétron. No modelo desetwolvido por l-larn·
ri e Shupe, os quarl\s de entl-ada, com seus u'ês pl'\':ons cada, se
oomhimun na colisiio pnra gcr:'r um Mson W, contendo ngom tl}das as t.rês<:at"gl:L'S +1/3 c toda'Ç ~1s tJ\'!s Cl.lgas7.cro. Em seguida. o \V
búsón decai, ttielando urna conflh"Ur.l\'ft.O diferente dQ; 111('-SJTKls
seis préons: um. pôsitt'On {com as três caqças. l/3). e um neuu·ino do
elêtron(oom as três cargas zero).
Até aqui, discutimos o que podeli.a ser chamado numerologia
de (Juarks e léplôns. Esse ê apenas um jogo de oont'IJ,.rcJn, comolxlhmcear as ecwaç&.•s químicas ou matem:.\tic:.~ embora sério c
vi~ ~L l:trun ser l:>e1n·suocdido um modck> dt PI'Í'OilS deve explicar
os quarks e lél>tonsoom um pequeno nlunerode blocos deconslru·
ção c a)gumtL;; POucas t'cgr.L<;.. Afinal a t'Spcranç-..t. é encontrar urn~t
ordem subjacetlle que unifica IXtrticulas superficialmente diferen·
tcs. e 1\5{) um sistema de deftniç()es ad hoc que responda fXll' suns
propriedades caso a caso. Uma explko~~te."âo ('COlO essa foi ó\lingida
oom ptt'OtlS. l.ilnt.O no modelo de Hm-ar1-Shupe oorno 1100 seus OOI'loorrt:nlcs bem·suée\Jkkls.
Você pode ter notado, no entanto. que a dist"llSS<\o até~ inchtiu apcn::IS a J>riml.!ira ger~ de quarks e lél>lons. AS oolsns fl.
Qlfll
Assim como o
poder nuclear era
inconcebível antes
da descoberta da
estrutura atômica,
o descobrimento
de uma nova
camada da matéria
revelaria
fenômenos que não
podemos imaginar
truno.s intcrcssc"l(lOS crn préons
poroutm rnz."í.o.. Se existirem, eles
poderiam Ler ~d.go profundo a dizer sobre. outro e>.relcntc misf.é.
1io dtt tr.sicu d\'l l)<lltf<...·ulas. O Me~
delo Padrão postula que o campo
de l li.ggs ~ia a fonte de •nassa
pa.ra as particulas fundamentais.
l>;wticulas 11\olSSi\'<l.S sentem uma
cst>C:cic de om1sto oont'onnc se
movem ;Hmvl:s desse campo oni·
Jn~nte. cnqtWilO partículas
sem nlilSS<'l.. oomo o fôlon, desli·
zatn através dele SC...'tU serem n»
lesta.das. Se os préons que com·
põem as segund't c terceira ~m­
c;ik's são os mesnlOS <tu<: o:Jmpôem " prinwirn, presumivelmente
odgn sobre o pr(:ons permite que as IXU1iculas <lcgc.i~c\ç;lo maicw in·
teraj~un mais oom o campo de Higgs que as da primeir.t geração.
ô<lJ'l(k). POrtamo. às scraçõcs mai$ a.llcl$ sua maior m<l5S:a. Emborn
o mecanismo de Higgs possa explicar as mass..1S das partículas. ele
não pode pw.·t--las.
Até que uma teorin mais profunda st:ja dceicm'Ohida. a massa
diL$ 1XU1k:uli\s subatlMnica.<; só l)(XIC ~· delcnniml(hl medindo·as
uma oor un\tt. Pf'0\-11\'t'hnente. <:<>mproomlendo a. cstmtunt d<IS
quarks e lêptons e oomo as gerações diferem. aprenderemos muito
mais sobre o méenni.smode Him.
muito mais sombrias quando voltrunos n~a atenção para a
:;cgun<1ac te11.-cira gcni('ÕCS., Dentro do mcxk:lo proposto JX>r Ht\rarí
c Shupc, as gerações mais altas hipoteticamente são estados excita~
do.o; das di fcrenlCS oonfigun~(,'Õl'S dOJ'lri meha gcmção. Assf m <.'Cm1o
os ck'trons saltam de um nrvel de energia para uuu·o nus átomos.
algum mecanismo desconhecido é respon..~vel por l igar os prOOns
em oorUunto de uma íomm qtte pcnnita miiltiplas gera<.,'ÕeS de ~r·
tfcula.~ a partir dos mesmos 1ngred ientes.
Se CSSá c>;pliCt\«,;fi.o l:t..'lrcce pouco rigoros;L,ela é. MuilOS dcta·
lhes n;1o fcmun trabalhado.~ Os cs1udos tc(u1oos que primeiro
pl'opuscram á ideia dequnrks tinham um nfvel similar de sofis~i ·
C'.ação. Foi apena.-; mais tat'de que a força fot·te, que liga quarf(s em
prótons e nêutnms. foi descrita matenmtic..'lmenle. Mesmo assim. o problema da geração continua conspicuamente inexplicâ·
vcl, c dê7.CI't<L~ de fto;kos Jlropnscnun modelos a1tcl"''l.ativos, hlcluindo um em Q\IC um dos préons carrega o número da gcmção,
bem oonK.> t nn~1 ll<)\'l\ Cl\ l'gl\ chOJnndo hipcreor, q11Clig.n os JW('Ons
dentro dos quarkse lêptons.
AtX!StU' de: ~u ler dest.:lito uma única toorb de pr(:Ot'IS, ntaosc cn·
gnne ao pensar q_ue ê a (mica teoria !X)r ai. Meus colegas teóricos sfw
muito íntcligcntcs e criàli\'QS. Utcr:almetltc <.:etncna.'5 de :utigos fonlm c.'SCtít.OS propOI'l(lO outros modelos d<: pr{:ons, embore CS..~'$
modelos sdam h"Cl".tlmente variações de um pequeno n6merode tc.m:LS b5sioos. Alguns têm l) l'éonS oom ~usa V6 em VC'I. ele l/3 <..'Omo
no modelo de Hamri c Shupc. OulJOS têm cin<r' préons na; quarks
e léptons em vez de ll'ês. Outroo ainda propõem uma nllsluru de
préons de fénnions e de bósons ou conteúdos diferentes de prOOns
J):;'lrá os i'JOOoi\Sdô<lliC06l>rcvistos no quadro inferior n::1 1}ágiml ao
lado. As possibilidadess.io realmente muito ricas.. Nós físicos preci.samos de mais dàdos paro <tjlK.IAr a eliminar a<; altct•n.uivas..
Além do fascínio inerente à noç:_lodeque a menor ~'ü <..'Onhecida de mat(:ria possa ter parte5 ainda meno1'CS, muitos de nós es-
DURACOS E OF.S\'I OS O F. ROTA
Devo obse.r\·ar que a teoria da; préons trunbém tem seus problemas. Pftm corn<x,'flr, todos os c.sfon,.-oo ('Xfléli mentals J}lU11 ('lbscrvfl0 fillharJJn. Esse fracas.c;o é da.'cpdonantc.. mas poderla decon-er
simplesmente de tcnnos equipamento inadequado.QufStôes expe.
rimentaisdc lado, algumas preocupações são intrínsecas à prósnia.
teoria É uma caractelistica natm-al das '"teorias de confinamento':
assim ch:unadn.s nessct.'ônte,.1o porqtte os prêons estão confinados
dentro dos quarks c l{'j)tons. que ns massa.~ relevantes sejam inVl~ l'•
samente J>roporcionais ao tmnanho de t'Onfimunento. Ftlnwc
qui.\rks e léplon'5 solo muito menores elo que pn}LOtlS,. esln_regra im·
plic'a que um qmut feito de 1J'J'OOns confinados seria muito mais
massivo do que u111 próton, que é, em s.i, feito de quarks. O oot\iunto
próton Súril'l mc1l~ do que a soma de sua.<; pa11cs • mcs1os, nA \'Cr·
dl,,dc. do que as parte-S i ndi\'iduais em si.
f.mbor;:t esse problema J)OSSil i).1J'CCCr tnsupcnlvcl, l'ísi<:O$ OOil~~J i·
nun contoriW' um problema similar com relaçJ.o a bósons. Um
Qu:trk c um oulliqu~lr~ J}(M' cx<...,nplo, podem fonnar um hóson chamado méson pi. em que o dilema do confinamento também pare-da I'CJ>I'CSCIHa.rmn J)I'()blcma. U').'t.ndo uma ideia csboça(La em 1961
por Jetfn..."Y Gold~Oil(', então no CJmN, no <.'1lt..'\ntO. U':i 1(:órioos h~
muito perceberam que simetrias na leoriasubja(:ente pocle.ri:mtsu·
pemr es._.:;a dHk."ltldadc. A-isirn. a levt~at do 11téoon pi não C1U
realmente uma su1·pre;a lnfeli1..mcnte. essa alx)l'(:lagem se ;.tpliC"J.
apenas aos bósons. não aos f~nnion.s. (:omo os quarks. No entanto.
em 1979. Gcrard't Hooll, da Universidade de Utrecht, na Holanda,
claboi'(Jt.l uma obôl'(l.tlgeml'Clacion.ida íJUOfunciona p ill(l fé.nnions..
Ainda não está claro se o ooncei1o de ' t llooft está ronfinnndo pam
p.1ttfc:nl<L.:: rro.is, mot<: sua.<; tclcias têm mostrado que, (>l."''O lllCllOS. o
blcxweio do teórico ptU'a n nutSSa dos <tuarks não é lii.o fonnidável
oomo pri mciramcntc P<l.J.'CCClL
Dando um
zoom
Se préons existem. eles são quase
lnirnagl~nte ~nos. Eles
teriam de caber dentro do qual1<.
awaln'ICI'ua mMOrJXIrtkut~ ~
nhecida da matéria que. porrua
,.,_,.,. ~osur.c;.,..,
para Ci!Jberdentro do próton. N a
~<odasosexperiêndas <lté
agem sãoc:onsistenu:s com o quark
possUndo tamanho"""' o qve lm·
pediria quai(J.U" estnJWra intetna.
Mas experimentos futufQ5 inlo am·
pli.lr o olhar. Um tamanho di&nnle
de zero para o quari< daria à hipótese dos~ ~m g,.nde mpulso.
PnX!ns não Si)O n única rota que os fi.~i cos ~m explorando na cs·
J)erúnÇa de rC:SOh'Cr v problémn d<~S ~"Cm(.'Ões. Umtt altcnK•Liva
pi'Oeminenteê a ideia de supen:ordas. em que os den·adeii'OS blocos de: conslro<f"d.O dn llll:•t.:ria não são pa•1ictilas subatômicas,
mas minúsculas cordas em vibração. Me-taforicamente, c..1.da
uma das J)ilrtículas do MOOdo Padrl:io pode ser J:ler)sada c-omo
cord:lS tocando umn nota diferente e toda a realidade como uma
orc.JUCsLm de sualer"OOrdM em unul gnll)(le siuroniu cósmk"<\.
Felizmente, préons esupen:orrlas podem ooe:dstir amigavelmen·
te porque a escala de tamanho das supcrcordas é muito menor
que a dos <1uarks e léptons. Se supel'oordas existem, elas poderiam multo bem fonnar não quarks e léptons, mas préons ou
mesmo pré-prOOns ou pré-pré-pr("(ms, dependendo de <Juantns
camadas desconhecidas de matéria C.\istcm.
OuLra opt;fi.O JXlra a idcia t.1c préons oomo pwtíadas ('Ornuns.
emhom d(S;Onhecidas. surgiu em 2005, quan<k, Sundanc:c Ril..:;on·nlompson, da Univcrsi~' of Adelaidc, na Ausllália do & ti. det;en'''olveu uma manelrn de desc.'m-er préons como tranças torcidas de
CSJlaÇO.Lcmpo. I::SSC .noc:lc&o ainda está em sua if'lfàncl~ ma.o:; os ft'$1cos est:lo C.\l>lorando .!mas hnplicn<,~ até )Xlf(JUC ele oft·n•ce um
~f\'CI caminho J)(lli\ '' lnwgr:.tç.io de umn tão ~nh3cln teoria.
qufintk".t dagm.vidade ao Modelo l~rtio.
1'110\.A.S UO O l'U OI ~I U.t ; l 'ltÍ; O NS
A física l:, em (lltima an;Uisc-, unla ciênda C\1)Crimental. Nilo imPOrt:J o quanto hucligente é tl teofia. se não oonconlar ((»ll os ~f)Cri·
mcn t~,
está ctTad-<L F.ntão, o que os cxpctimentais podem fazer
J)ltnl JU"OYnr ou rcrutar {I existêucia de préons? O Modelo ~lthão
descre\'ecom su..:es.50 os quar~ ll:ptons e b6sonsdo Uni\<'CI'SO sem
irr.•ocnr l)l'éôns, de modo <ll•c os f'asi005 de\o'Cm procunu· desvios su·
tis das previsões do J!.lodelo Padrão- pequen.:\S rachaduras noediff·
cio da física mcxltl1la. Ot•áS racctasdo modelo, em 1~rücular, p..'l.reccm. área.<; atrativas para serem c.\-plomdns mais de peno.
O pri mciro l! o t.ama11ho. O McxlclQ Pnclrtio t nua os <lll..1rk.o; c I~
tons wmo pontuais. ou sej:t., particulas com tmmmho zero e semes-
lml.ura intcn1a. Ent'(>llll'iU' uml<'U'Jlanho difcn.~ntc de 1.cro p.1.1-a c.v
3·1 S.iettlifu:: Amol'rit:ut lk-"il l
O~l'U)brU 2012
Molécula de ~a
2.8 xm·IO m
Átomo de
1-ld<Of/lróo
1,h:10-f>m
sa.o; p;u1Jculas seria uma cvl<lêncln pcx10J'fl&1 pam prOOn~. Medições
tên'l nlOS~rado que os J">róton.s e nt:uLrons t.(;rn um raio c.lc c.:tre<1 de
I<ri!~ metro. t!.xperimentos nos principais acelerad01-e;de pa1tfcuJas
do mundo, no JXISSádoç no presente. têml)l(léUl<itdo pOr C\idên<;ias
que os qual'k.s ou lêJ>tons t.."Unbêm tenham um tamanho mensurá·
vcl. Até ngorn. todos os dados SãO pcrfeitamCJllé oonsl~tentcs com
ran...mho 1.cro ou direrente de 1.cro <.'Oiu um umumho tio pequeno
quuntcHCrta de 0_.000'2 a 0.001 vez o t<uHtUíhO de um prúton. Pnm
distinguir entre estas duas possibmdadcs(tamanho 1.ero ou muito.
muito pequeno), é pl'eciso ra1.cr medi<,:Õt.~ mais pl'ecisa.~ O u IC f!
mna n\t'\Quina de des<."'bertas. e espemmos aprender mais sobre o
tarnanho dM quark.~ e Jéptons da enorme quantidade de- d~ es·
pemda de suns t'Oiisõcs ~'tuais c de uma atualiZn(.'iO ~n'Vi:,1a na
enc1gia do ACClt1raclor.
Ou1ro m<XIó de demonstrar (L existência de subestmtura de
particutas - ao menos para léptons - é investigar a fm'le relação
entre os c.:onceitos de spin e momenlo magnêtico. Com alguma li·
cença poética, um elétron pode ser pensado como uma bola em
rotação, c os físicos QUiltUillc.1nl essa pn:.1)ricdn<lc com um nlimcro quàntico de spin. Como todos os fénnions, o elétr on tem spin
J.S. Porque os cl ~tro n~ são clctric:uncntc (:(lrTCgados. a oomblnaç..io de rotaç.ão c catga conre1-e um momento magnêtico, o que é
apctías u rna ntaocir.t ctlr;,\~<Ultc de illzcr que isso transforma o
elétron em um ímã comum. com um polo norte e um polo sul
Adll'lilindQque um IC:J>L(H\ é uma partfcuh\ pclnluaJ com spín ~.
cledé\'C ter um (aniooe específlc.:o momento magnético. J-\Ssim, se
umo.1 me<lic;olo de um elétron ou múon mootrar um momento
magnélioo direrent.e da r,r('tlk.iio. esse J~ultado l)ugerir~ forte-
mente que a.') P<utfcu h~ não são pontuais e, J>Ol'Uulto. poderiam
ser oomp(JISU\S tx:n- l'réons.
Os físicosjâsabiam que os momentos magnéticos do elétron e
do ml10n dh'CI'gelllum pouco dos <le uma. p._;rticula llOntuaLEssa
pequena diferença, no entanto, não tem qualque1· rehu;ào com
pr(:ons, c pode l'calmcntc Sf:!l' c~:pl icad..-. dentro do Modelo Padrl[o.
Cada lépton está rode..•tdo por uma.nu\'elll evanescente de parti·
c u i a.~ virtuais, que cintilam p;u·a dentro e p."'ra rora de c.\iStência.
au..t
Pré<xo(te<lrioo)
menor do qoo 10"18 m
Pelo fiU.O de essa nuvem ter um po11c.:, ela altera o momento mag·
11.:tioodo lépton li!.reinuueutC- - J)Orccrca.de unNt pa 11~t e1 n 1.000.
Os efeitos dos préons seriam ainda lne.Jtoa·es. mas podetiam ser
dét<.:etá,rcís. Novas m<.."<l~ no horimnlé, noexpedmcnw m(lon
g-2 do Fermilab, serão mais que um thtor quatro mais precisos do
que os otC: à&"'nl alcan\'ádOS.
Físicos também vasculharam profundamente os dados do
colisor l~tra procumr por c1ecuimcauos de IXIrtfculas <JUCseriaun
espemdos se os préons existissem c se as gcm~fics mais eleva~
das de partfcul M fossem simplesmente estados excitados das
partículas da primeint. Um dcsst>..s pro<..'E.'Ssos é o decaimento de
um mOon em um elêtron e um fóton. Esse decaimento ainda
nfw foi observado e. se de fatn isso acontl.-ee, ooorrc mtnos de
uma vez em 100 hilh&>s.
Cac.la mcdiç::1o di rccu Ceita atê ngom é consistente c.xnn a hipótese
de que os qua1'ks c l('l)lOt\."ô &i<>, de faLO, pontuais, com s.pin ~. Pill'a
aqueles de nós que acreditmn que as gernçõesobservadas das txuticulassubatõmicassugerem uma tentadora e desconhecid.1. fisica. as
tlltltl\ll.,_d&-.adas t~lll sidO rn1Sll'tllllCS. Mas agom tC:I\lOSQportunlda~
dcs reais para CJ<,.l)lorar um novo território.
F.m 20110 J..HC oolkliu fdxcs de l)níton.ll a um~l t'llCrgia de 7tri·
lhões de cléllt.m·voiLs (7 "ICV), a.,.:l \'Cll"S o recorde mundial anterior
(n'1t.mlklo t>elo 'ft:V(dJ'Oil, do Fcnnilab, pOr 1\lilis de um ' lt•:ut o de S\....._
culo). Naquele ano. o LHC entnogou mais da metade da quantidade
de dados de colisões qoc o 1bvatron C'llti'Cg\)u ao longo de seus 28
anos de OpCrn(ftO. Em 2012, OCERN :lum<.-ntOu ;_l çncrgia do LHC
para S 1CV. oom a c:.:pect.ativa de quadmplicar o recolhimento de
dodos t'llltes de: iniciar um tle:;Ugnmento 1Cill1JoOr{uio de um ano e
meio para filZCI' t'CJXU'OS c melhorias. O LHCdcvcrâ. então. retomru·
as operações uo fi.nàl de 2014 ou iníc..ío d~ 2015, wlídindo feíx.es de
próton..-; a t3 ou L•~ ThV e em um ritmo muito mais 1'âpido.
O aumento mcxtt'Sto da energh.tcrn 2012 pode pal\.'t'Cr um ajuste
menor, mas significará. muito J>-:'U'a as JX"squiw sobre os preons. A
pcquetl•t mudanc:a n:-1 cncrgi.a do feixe <1ulntuplicará o número de
ooJiSOOs registradas em eoel'gias mais altas, que sondwn os menores tamanhos e que s;to exat.·uncnte os tipos de C'\'entosdc qué 1>•-c--
Pr6ln (teórico) pontual. ou compostO por
oonstilu!ntes: menores
cis.ul'k)) ~vml vcl'it\cilr se há pi'OOns.. As :-)_1Uallz,1~ de 2014 c 2015
propOt'Cio•mrlo \11 n aumento nas c:apacldadt'S de Li lllr o f(~ego..
Alêm do LHC. o progi'<Ulla de J)t'SQuisa do Fennilab está passan..
do por uma rceslmt.ur:.ção fttndumcntal,<ltzc im;lulrá wna n0\'3 e:t·
pacidade para. buscar C\lidências diretas de pn'!ons. Uma vez que o
Tcvftlr(Hl roi dCSiltivado em 2011, OS (l(.'CICnldOr('S do F<:nníl:'tb n.ã()
cheJÇ:Lm mais à fronteira da energia da ffsica de partkulns. Em \'C'/.
dis...l:(). o f'ennilab estli indo p:lnt n fronteira de intensidade, C~1>1c>­
rJ.ndo fenc)me:no~ r.u'OS t"'m uma preci~-\o sem prc<:edentcs. Duas
das e.\"j)eliên<:i.l.') ntai.s t'flt"VaJllCS )Xlra a busca de p1't."ofiS mcdil':"to o
monwnto magnético do múon e procurarão por múons confonne
dec:.'K'm em um elétron e um fóton.
O futuro d~l toa~~~. pe:la estrutura dos qti:Ui'i.S e léi>tOns é mais bri·
lllilntc do que. tem sido há um longo tcm1>c>. Enquanto você! 1'4! este
arlil:,'O, cu e ntetiS colegas estan)!)) vascullltutdo a enorme <tuantidadc de dados <tuc o Ili Cjá eompilou. EStamos em busca de prova.-;
que os quarts e lêptons têm um uunanho diferente de zt-'fO. Esta·
mos procurando por uma quarta geraç..io de quarks e léptons e por
alguma ~teia de que n.~ partfeula..~ condutoms <k> fal~tl la.nbl!m
têm gernções - que os bósons w c Zt que mt'<lcianl a fon:,·a nuc-lear
(r-Jf.'n. têm primos mnls IX."WU:los.
Os próximos anos irJ.o man:ar o início de uma nova incurs1o no
reino S'IJbatômioo, 1nna viagem do ti1)C) t.IUC os cieutist~L~ CllCOJ\lr::t·
ram pe-Ja OJtima \1ez há 25 anos. qu;.utdoo •Jev.ttron t'Omeçou a operar. Como hltrépide)S a:VC1Hurciros do po.')sado, os fi.sicos estnoaml·
(,"'l;mdo c abrin<lo él.lrninho poro a f'ronteinl <1uâJ1li<:a
e
PA.RA CONHECER M.AtS
The quantum &ootier. the W!l• ..,...., c.ISde<. Oon UA:dn. Jdons Hopl<ins
U.v.riyJmt.2009.
Preons: models of leptOI'6, quarks and gauoe bosoni·as CIOtllposite objects. lan A
O'Souz.J eealvin S. Kalman. World Sciertik Publshillg, 1992.
Asdtematic modet cl quarks and leptons. Haim Hêlrari. em ~ tertm B. ..Q, 86.
n' l plg<.83a 86, 10deseo"nboode 1919.
A <4mpOiàe modet olleptoooo anel "'""" Midlacl A. SI>Jpe. em l'hysks !e<ters 8,
""-86. n' l p!<p. 87. 92, tO d e - de 1m