César Lattes e os Mésons
Hunind Ander Lima Lopes1, Sergio Luiz Garavelli1
1
Curso de Física – Universidade Católica de Brasília
Este artigo trata dos principais trabalhos realizados por César Lattes com os mésons, e
como os conceitos de uma descoberta de uma nova partícula foram tão valiosos para a
compreensão das teorias sobre as interações nucleares. Mostra também a evolução do
pensamento dos cientistas envolvidos com os mésons até chegar a uma compreensão melhor
dessas partículas, no caso os píons, fundamentais para a se entender a estabilidade do núcleo.
Palavras–chave: César Lattes, Mésons, Força nuclear.
This paper shows the main works done by César Lattes about méson and how a
discovery of a new particle was so important to the comprehension of the nuclear force
interaction theory and the evolution of the scientists thinking about the mesons.
Keywords: César Lattes, Mésons, nuclear force.
1.
Introdução
Cesare Mansueto Giulio Lattes, mais conhecido como César Lattes,
nasceu em Curitiba, dia 11 de julho de 1924, filho de italianos, Lattes se
graduou em 1943, aos 19 anos, nos cursos de física e de matemática pela
Universidade de São Paulo.
Além de sua contribuição para a física e de ter sido o único cientista
brasileiro a ser indicado ao Nobel, teve uma importância muito grande para a
física no Brasil. Aqui, ajudou a fundar o Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas
(CBPF), em 1949, e também o Conselho Nacional de Desenvolvimento
Científico e Tecnológico (CNPq), em 1951, além de também estar envolvido na
criação do Conselho Nacional de Energia Nuclear (CNEN), o que mostrava que
apesar de todo o reconhecimento internacional ele também se preocupava com
a ciência brasileira,
Sua ajuda nos trabalhos realizados com mésons foi de suma importância
para a compreensão da física moderna, dando suporte para as teorias de força
forte e fraca, bem como incentivou muito a criação de aceleradores de
partículas para estudos mais aprofundados das estruturas nucleares e da física
de partículas.
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Lattes foi, sem dúvida, o físico brasileiro com maior reconhecimento no
exterior, mas, no entanto, aqui no Brasil, sua fama e importância não é tão
divulgada, sendo, por esta razão, um dos objetivos desse trabalho mostrar a
importância da sua contribuição para a física.
2.
Análise dos Trabalhos do César Lattes
2.1 O Começo
No Brasil, Lattes e outros cientistas construíram e trabalharam com uma
Câmara de Wilson, pesquisando os mistérios dos raios cósmicos. Essa
câmara, também chamada câmara de nuvens, consiste de um método de
identificação de partículas subatômicas, cujo interior se encontra saturado de
vapor d'água e, ao se bombardear o interior com partículas provenientes de um
feixe de raios X ou uma fonte de raios gama, ionizam o gás presente na
câmara. Esses íons gasosos funcionam como núcleos de condensação do
vapor, portanto, ao se notar condensação, é verificada a existência das
partículas.
Em
outras
palavras,
essas
partículas
deixam
rastros
de
condensação ao passarem por esses íons.
Raios cósmicos
são
partículas
oriundas do espaço, altamente
energéticas, que ao entrarem na atmosfera terrestre produzem reações
nucleares em cadeia, chamada de chuveiro cósmico. A Figura 1 mostra um
exemplo esquemático de um chuveiro cósmico.
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Figura 1: Chuveiro de Raios Cósmicos. A partícula primária, proveniente do espaço e altamente
energética, colide com núcleos da atmosfera gerando partículas como o méson–π e alguns desses
interagem novamente com outras partículas da atmosfera gerando outras desfragmentações. Fonte:
Barata, G.; Natércia F. A escalada de César Lattes. Scientific American Brasil. ano 3, 35, 2005.
Lattes mandou para Occhialini, que estava em Bristol, fotografias das
pesquisas realizadas com a câmara de nuvens e recebeu de volta fotografias
feitas através de emulsões contendo a trajetória de prótons e partículas alfa.
Impressionado com as fotografias, em 1946 ele conseguiu um bolsa na
Universidade de Bristol e foi para Inglaterra passar uma temporada de 2 anos
no laboratório H.H. Wills, onde uma equipe de físicos, liderada por Cecil Powell
juntamente com Occhialini, estava pesquisando raios cósmicos e física nuclear
através de uma técnica de emulsão nuclear. A idéia era usar chapas metálicas
especiais para fotografar fragmentos de matéria e identificar, assim, a trajetória
de partículas de alta energia. Essa identificação depende do comprimento, do
número e da distribuição dos grãos nas fotos, ou pequenos pontos espalhados
em um traço, cujos parâmetros possibilitam estimar a carga, massa e
velocidade da partícula.
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2.2 PRIMEIRO TRABALHO
Quando chegou ao laboratório, Lattes ficou incumbido de achar a
relação alcance–energia e o nível de decaimento de partículas alfa nessas
emulsões.
O método consistia em determinar a relação entre o alcance do traço e a
energia nas emulsões, de partículas alfa derivadas de desintegrações de
elementos naturais e de prótons de reações já conhecidas, utilizando raios
homogêneos de deutérios de velocidade conhecida. Através da medida dos
traços alcançada nas emulsões e contando o número de grãos compostas por
esse, era possível calcular essa relação para vários grupos de partículas,
produzidas por várias reações onde se conhecia a massa do núcleo de reação.
Essas emulsões eram chapas de filmes especiais feitas pelo Laboratório
de pesquisa da Ilfor Ltda. e eram descritas como Nuclear Research Emulsion, a
visibilidade e a precisão obtidas com essas chapas eram muito maiores dos
que as que se tinha com as chamadas half–tone plates, chapas usadas em
trabalhos anteriores para detecção de partículas. As emulsões Ilford eram
classificadas segundo o tamanho dos grãos (A, B, C, D e E) e cada uma delas
subdivide–se em três níveis de sensibilidade (1, 2 e 3).
Os resultados eram representados pelo valor de frenagem da emulsão,
que é definido como a razão entre a distância percorrida por essas partículas
no ar pela distância percorrida por elas na emulsão. Esse fator é importante
para os experimentos, pois o cálculo era feito a partir das distâncias medidas
nas chapas, e dependendo do tipo das chapas o poder de frenagem era
diferente e por isso também deveria ser levado em conta na hora do cálculo.
Os experimentos foram feitos nas chapas do tipo B1, no entanto após
comparar os resultados com os obtidos por outros cientistas que trabalhavam
com outras chapas, concluíram que, como a composição química das outras
era tão parecidas com esta os resultados poderiam ser aproximados sem erros
muito grandes, tirando as chapas do tipo A1 que tinham um poder de frenagem
um pouco maior que as outras.
No final, Lattes e a equipe de Bristol observaram dois fatos importantes:
(i) com o poder de resolução dos filmes a precisão com que a energia do
próton pode ser determinada, não depende do comprimento dos rastros que
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são produzidos na emulsão e sim é limitado apenas pela separação entre os
primeiro e último grãos do traço; (ii) o poder de diferenciação que as emulsões
do tipo B1 proporcionavam, apesar de serem inferiores as do tipo C1 e E1, era
suficiente para distinguir os rastros de prótons dos de partículas alfa de mesmo
alcance.
2.2.1 DETERMINANDO A RELAÇÃO ALCANCE ENERGIA
Após alguns estudos, a equipe começou a fazer essas relações que
seriam de suma importância para o estudo de partículas através de
microfotografias, quais sejam, relação alcance–energia, poder solvente da
energia e poder de diferenciação.
A relação alcance–energia diz respeito à relação do tamanho do traço na
chapa com a energia calculada da partícula através das reações, sendo que se
sabe a energia do feixe de partículas incidente. O poder solvente de energia diz
respeito ao poder do método de distinguir grupos homogêneos de partículas de
diferentes energias. O poder de diferenciação é a capacidade da chapa de
distinguir traços das diferentes partículas com o mesmo tamanho observando o
número de grãos presentes.
Para achar a relação alcance–energia, foram usados elementos leves
bombardeados com deutérios de 900 KeV, que emitiam partículas alfa e
prótons. A energia de repouso desses elementos já é estabelecida com
bastante precisão, seguindo daí que a energia que corresponde a cada
partícula pode ser determinada pela energia do deutério primário e da direção
da emissão do raio primário. Comparando os comprimentos dos traços
produzidos pelos grupos de próton e partículas alfa, com seus correspondentes
valores de energia era possível deduzir essa relação.
Para achar o poder solvente de energia, foi feito uma escala de energia
com a distribuição dos alcances adquiridos anteriormente. Comparando a
largura dos picos com as leituras óticas era possível fazer uma distinção entre
grupos homogêneos de partículas similares.
O terceiro objetivo se refere ao poder de distinguir partículas diferentes
com o mesmo alcance, pela diferença no número de grãos por unidade de
comprimento, nas chapas do tipo B1, o tamanho médio dos grãos era de 0,4µ,
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através da simples observação era possível saber com uma precisão de 90%
se os traços eram feitos por prótons ou partículas alfa.
O aparato experimental em que foi baseada essa pesquisa segue na
Figura 2, onde o raio primário de deutérios rápidos sai de um gerador, passa
por uma decomposição magnética, para remover íons moleculares, e cai em
chapas de Molibdênio com uma abertura de 3 mm de diâmetro, que infligi sobre
um bloco de metal móvel, que podia ser girado, com 3 camadas diferentes
compostas por Berílio, Boro e Óxido de Lítio, cada uma, onde havia o choque e
a desintegração das partículas.
Figura 2: Esquema do aparato experimental. O feixe primário passa pela chapa de molibdênio se
choca em uma das camadas do bloco, passa pela fenda e incide na emulsão. Fonte: Lattes, C.M.G.;
Fowler, R.H.; Cuer, R. A Study of the Nuclear Transmutations of Light Elements by the Photographic
Method. Proc. Phys. Soc., Londres, 59, 883–900, 1947.
O ângulo de aproximação cujas partículas desintegradas que emergiam
pela fenda e chocavam com as emulsões poderia variar, e foi achado um valor
apropriado de 4°. Esse valor foi o melhor, pois com ele a proporção de
partículas que chegavam nas chapas que eram refletidas da sua trajetória
inicial sofria um espalhamento, cuja extensão deste na face da emulsão era
muito pequeno. Se a partícula saísse das chapas não era possível determinar
seus comprimento. Além disso, com esse pequeno ângulo de aproximação
apenas poucas partículas atravessaram por completo a espessura da emulsão
(que era de 40 µm).
Para determinar o alcance dos traços foi medido o comprimento entre as
extremidades do primeiro e do último grão, reconhecido como sendo da
partícula, a partir da projeção da trajetória desta no plano da face da emulsão.
O erro associado ao ângulo de aprofundamento nas chapas era muito
pequeno, e por isso foi desconsiderado.
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Na figura 3 são mostrados os resultados obtidos pela emulsão
bombardeada com o Óxido de Lítio.
Figura 3: Chapa de Óxido de Lítio. Nessa Chapa mostra–se alguns exemplos dos traços
deixados por partículas alfa e prótons. Fonte: Lattes, C.M.G.; Fowler, R.H.; Cuer, R. A Study of the
Nuclear Transmutations of Light Elements by the Photographic Method. Proc. Phys. Soc., Londres, 59,
883–900, 1947.
A seguir, é mostrado na Figura 4, uma escala de energia em que a
largura dos picos energéticos determinam que partícula está sendo observada.
Onde o pico (I) corresponde a uma distribuição de partículas alfa provenientes
da reação 7Li3 + 2H1→24He2 + 1n0 e o pico (II) que foi atribuído a uma reação
alternativa 7Li3 + 2H1→5He2 + 4He2 onde o núcleo instável de 5He2 gerava
desintegrações em partículas alfa e nêutrons. O pico (III) era de prótons
originários da reação
16
O8 + 2H1 →
17
O8 + 1H1. O pico (IV) é de partículas alfa
da reação 6Li3 + 2H1→4He4 + 4He2 o pico (V) era produzido por prótons que
poderiam ser derivados tanto da reação 2H1 + 2H1 → 3H1 + 1H1 quanto da 12C6 +
2
H1 →
13
C6 + 1H1. E finalmente os picos (VI) e (VII) eram prótons produzidos
pela reação 6Li3 + 2H1→7Li3 + 1H1. Esses gráficos eram importantes para se
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determinar os alcances das partículas e a proporção em que elas ocorriam nas
reações.
Figura 4: Gráfico de escala de energia. A largura dos picos indica o grupo de partículas
estudadas. Fonte: Lattes, C.M.G.; Fowler, R.H.; Cuer, R. A Study of the Nuclear Transmutations of Light
Elements by the Photographic Method. Proc. Phys. Soc., Londres, 59, 883–900, 1947.
A tabela1 mostra os resultados obtidos para o óxido de lítio, onde Q é a
energia de repouso, E é a energia das partículas, R o comprimento delas nas
emulsões, e d o erro provável.
Q (MeV)
E (MeV)
R (µm)
d (µm)
-
-
-
-
12,7 (13,43)
7,3 (7,76)
39,5
0,10
O8 + H1
1,95 ± 0,06
2,59 ± 0,06
59,6
0,3
4
22,20 ± 0,04
11,32 ± 0,02
70,8
0,2
3,98 ± 0,02
3,20 ± 0,02
C6 + H1
2,71 ± 0,05
3,23 ± 0,05
83,9
0,1
4,58 ± 0,12
4,51 ± 0,12
147
0,2
5,35 ± 0,12
4,96 ± 0,12
170
0,2
(1,12)
(1,81)
27,9
-
Reação
7
7
2
1
Li3 + H1→2 He2 + n0
2
5
4
Li3 + H1→ He2 + He2
16
6
4
2
17
O8 + H1 →
2
1
4
Li3 + H1→ He4 + He2
2
3
1
2
13
H1 + H1 → H1 + H1
12
C6 + H1 →
6
6
16
2
1
2
7
1
2
7
1
Li3 + H1→ Li3 + H1
Li3 + H1→ Li3 + H1
2
O8 + H1 →
17
1
O8 + H1
Tabela 1: Resultados obtidos através dos cálculos do gráfico de escalas de energia representado
na Figura 4. Fonte: Lattes, C.M.G.; Fowler, R.H.; Cuer, R. A Study of the Nuclear Transmutations of Light
Elements by the Photographic Method. Proc. Phys. Soc., Londres, 59, 883–900, 1947.
Foram feitos os mesmos procedimentos para achar o gráfico de
distribuição do número de traços x tamanho dos traços e também uma tabela
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com os resultados obtidos tanto para o Berílio quanto para o Boro, para assim
poderem estimar os parâmetros desejados (poder solvente de energia, poder
de distinção e relação alcance–energia) das partículas alfa e dos prótons em
chapas com diferentes as reações.
Com o Berílio as condições para fazer as medidas foram melhores, pois
esse tinha uma chapa mais fina e resistente à corrosão devido ao impacto dos
raios. A Figura 5 mostra uma micrografia desse exemplo.
Figura 5: Chapa com Berílio. Nessa Chapa é possível distinguir os traços de próton, partículas
alfa e de trítio. Fonte: Lattes, C.M.G.; Fowler, R.H.; Cuer, R. A Study of the Nuclear Transmutations of
Light Elements by the Photographic Method. Proc. Phys. Soc., Londres, 59, 883–900, 1947.
As exposições feitas com Boro não foram tão satisfatórias, pois esta era
coberta com uma camada de gelatina, que tinha o objetivo de prevenir marcas
na superfície devido à pressão ou fricção da luz. A grande dificuldade era que o
começo dos traços não eram bem definidos, o que acarretava uma perda na
precisão nas medidas do comprimento, sem contar com as medidas com
nêutron, pois em alguns casos, não era possível saber quando a partícula saía
da emulsão, o que com certeza gera um grande erro pra esse tipo de
experimento.
Com esses dados era possível determinar a energia e detectar
partículas alfa e prótons, através do seu alcance na chapa, e da diferenciação
dessas pelos seus traços.
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2.3 PIC–DU–MIDI
Após ter detalhado todos esses parâmetros para essas emulsões, em
1946, Lattes pediu para seu amigo Occhialini, que estava de férias na França,
que expusesse emulsões do tipo B1, normais e carregadas com Boro, no
observatório astronômico no Pic–du–Midi, a 2.800 metros de altitude.
O objetivo era estudar elétrons provenientes dos raios cósmicos que se
chocavam com as moléculas da atmosfera e eram criadas outras partículas.
Para surpresa dos pesquisadores, foram encontradas partículas, que pelas
características, tinha uma massa intermediária entre um próton e um elétron,
os chamados mésons. E, além disso, o fato de as emulsões carregadas com
Boro terem apresentado maiores quantidade de eventos e um desvanecimento,
ou desaparecimento dos grãos ao longo do traço, menor também os
surpreendeu.
Com o conhecimento do alcance–energia para a chapa de emulsão e a
densidade de grãos era possível medir a quantidade de energia perdida para a
produção do traço desses mésons. Com essas relações era possível fazer uma
medida da massa da partícula. As chapas antes eram reveladas logo após a
exposição aos raios, isso diminuía muito o erro pelo desvanecimento dos
grãos, mas nesse as placas eram expostas aos raios cósmicos durante várias
semanas antes de serem reveladas e apresentavam esse desvanecimento,
que causa um erro considerável na hora das medições. Após analises de
várias chapas os observadores ficaram experientes e conseguiam reconhecer
um traço de um méson rapidamente.
Nesse experimento foram analisados 65 traços de mésons, desses, 40
não mostravam evidências de produção de uma partícula secundária, os outros
25 apresentavam desintegrações em outras partículas, das quais 15 emitiam 2
ou mais partículas pesadas, e as 10 restantes produziam apenas uma outra
partícula, das quais 4 eram hidrogênio, 4 núcleos pesados e 2 outros mésons.
As Figuras 6 e 7 mostram os traços de dois méson produzindo outras
partículas com características de mésons também, na segunda amostra o traço
da partícula secundária sai da chapa. Levando em consideração o
desvanecimento, a densidade de grãos e a relação alcance–energia das
partículas, foi encontrada as massas de 350 ± 80 e 330 ± 50 me (massas de
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elétron, medida normalmente usada para medir massas de partículas atômicas)
respectivamente para as partículas primárias. A partícula secundária da
primeira amostra não deve ter uma diferença com mais de 100 me, já a da
segunda não foi possível achar com precisão, visto que a partícula sai da
emulsão. Nesse experimento não era conhecido as cargas dos mésons.
Figura 6: Méson Produzindo outra Partícula. Nessa chapa é possível observar um méson e no
final do seu traço outra partícula sendo produzida. Fonte: Lattes, C.M.G.; Muirhead, H.; Occhialini, G.P.S.;
Powell, C.F. Processes Involving Charged Mesons. Nature, 159, 694–7, 1947.
Figura 7: Méson Produzindo outra Partícula. Nessa chapa é possível observar um méson e no
final do seu traço outra partícula sendo produzida, mas esta não encerra seu traço na chapa. Fonte:
Lattes, C.M.G.; Muirhead, H.; Occhialini, G.P.S.; Powell, C.F. Processes Involving Charged Mesons.
Nature, 159, 694–7, 1947.
A teoria sobre mésons que era discutida na época dizia que estes no
final do traço caiam na órbita K, no caso de núcleos pesados, e depois
desintegrava em partículas pesadas. Esse orbital é o primeiro carregado em
um átomo, composto de no máximo dois elétrons.
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Nos núcleos leves sofriam um decaimento β antes de ser capturado pelo
átomo, nesse tipo de decaimento, um núcleo instável libera uma partícula β
para se estabilizar, essa partícula pode ser um elétron ou um pósitron. Essas
teorias levavam a conclusões de que as forças nucleares eram menores em
magnitude do que as que eram assumidas até então. E após essa pesquisa
observou–se um novo método de decaimento de mésons.
Na Figura 8 é mostrado o traço de uma reação onde de um núcleo foram
ejetadas várias partículas. Esse tipo de figura ficou sendo chamada de traço
com estrela. Na Figura o ‘s’ indica que a partícula passou da chapa, o ‘g’ que
ela entrou no vidro, e o ‘e’ que ela acaba na emulsão.
Figura 8: Méson Produzindo outras Partículas 3. Nessa chapa é possível observar um méson e
no final do seu traço uma “estrela” onde são ejetadas cinco partículas, as indicadas pelo S não encerram
seus traços na chapa, o G entrou no vidro (nível de profundidade na chapa muito alto) e o E o traço
começa e encerram na chapa. Fonte: Lattes, C.M.G.; Muirhead, H.; Occhialini, G.P.S.; Powell, C.F.
Processes Involving Charged Mesons. Nature, 159, 694–7, 1947.
Foram observados vários casos onde haviam a desintegração em
estrelas, onde em cada uma delas pelo menos 3 partículas eram ejetadas, e
em apenas dois casos foi possível observar traços correspondentes com um
méson. Mas apesar de tudo, eles estavam confiantes que a desintegração
gerando outros mésons não era tão rara quanto esses fatos sugeriam, por que
as observações levavam a crer que há produção de mésons nessas
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desintegrações ocasionadas pelo choque de partículas de altas energias, mas,
devido ao fato das velocidades das partículas ejetas serem extremamente
baixas, a identificação desses eventos era mais difícil. Mas outros exemplos de
desintegrações de méson, feitas pelo mesmo processo, há a fragmentação do
núcleo onde parte desses não são detectáveis pelo fato de ocorrerem numa
profundidade maior do que as chapas convencionais.
A observação dessas desintegrações levou–os a um método para
determinar a massa dessas partículas baseado nas observações da energia
liberada por essas. A grande dificuldade era saber qual o núcleo que sofria a
desintegração e também a liberação de nêutrons que não apareciam nas
emulsões, mas observando a conservação de momento da desintegração era
possível determinar a energia mínima da qual deveria ser atribuída aos
nêutrons emitidos.
2.3.1 DETERMINANDO A ENERGIA E O MOMENTO
Nas pesquisas feitas utilizando raios cósmicos, foram concluídas que
algumas reações nucleares eram produzidas por nêutrons rápidos. Utilizando o
método usual, ou seja a determinação através dos gráficos de escala de
energia, era difícil determinar a energia desses nêutrons, nessa ocasião foi
utilizado as reações nucleares entre o Boro e esses nêutrons.
Inicialmente fizeram exposições de chapas carregadas com Boro, num
gerador em Cambridge, onde foi determinado a direção do fluxo de nêutrons,
com isso conseguiu–se determinar a energia desses nêutrons.
A
Figura
9
(a)
mostra
uma
microfotografia
de
uma
reação
10
B5 + 1n0→4He2 + 4He2 + 3H1. Essa reação nos diz exatamente o processo,
uma chapa carregada com Boro (10B5) é incidida por um fluxo de nêutrons (1n0),
liberando duas partículas alfa (4He2) e uma de trítio (3H1). Pelo poder de
diferenciação das chapas era possível apenas olhando visualizar a emissão
tanto das partículas alfa como da partícula pesada. Observando os
comprimentos dos traços e as relações de alcance–energia, foi possível
determinar a energia de cada partícula, considerando que os traços eram
praticamente co–planares, o que dava um erro pela profundidade muito
pequeno.
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Figura 9: Diagrama de Vetores dos Momentos. Na primeira parte foram pegos os traços das
partículas (duas partículas alfa e uma de trítio) e colocadas uma no final da outra para poder se
determinar o vetor soma. Lado ‘a’ feito em laboratório, lado ‘b’ tirado das chapas expostas aos raios
cósmicos. Na segunda parte a disposição já nos mostra como fica o arranjo dos vetores, juntamente com
o vetor soma
OP e OR .
Lado ‘a’ feito em laboratório, lado ‘b’ tirado das chapas expostas aos raios
cósmicos. Fonte: Lattes, C.M.G.; Occhialini, G.P.S. Determination of the Energy and Momentum of Fast
Neutrons in Cosmic Rays. Nature, 159, 331–2, 1947.
Alem disso foi possível usar um vetor soma dos momentos das
partículas, para assim descobrir a energia inicial do nêutron que se chocava
para fazer essa reação. A Figura 10 (a) mostra a soma dos vetores, onde os
vetores OP e OR são os vetores momentos do feixe inicial de nêutrons. Onde
os erros na determinação da energia e do momento se dão principalmente
devido a incerteza da energia das partículas alfa com comprimento pequeno,
esse seria menor se os traços dessas fossem aproximadamente iguais.
Após essas análises feitas em laboratórios, foram utilizadas as chapas
carregadas com Boro, no Pic–du–Midi. Com os resultados era possível
comparar os traços e identificar melhor as partículas envolvidas nas reações,
bem como determinar seus momento e energia. Nas Figuras 9 e 10, os
parâmetros representados pela letra b são os correspondentes aos dessas
chapas.
Com
esses
resultados,
confirmou–se
a
teoria
de
que
essas
desintegrações eram feitas por nêutrons, não por prótons resultantes da
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desintegração do núcleo de Boro, ou seja, utilizando essas chapas com Boro
era possível determinar a energia, e o momento de núcleos rápidos.
Nesses experimentos foram usados chapas do tipo B1 e C2, pois as
outras geram um erro muito grande devido ao desvanecimento dos traços.
Outros elementos também podem ser usados para fazer esses experimentos, e
talvez o Berílio e o Lítio sejam um pouco melhores devido a simplicidade das
reações, o que facilita os cálculos.
Os resultados mostram que esse método é muito útil para determinar a
energia e o momento de partículas carregadas, e muito eficiente para estudar,
individualmente, partículas que surgem da desintegração, principalmente
quando mais de duas partículas são emitidas.
2.4 CHACALTAYA
Vendo a importância dos resultados obtidos no Pic–du–Midi, a equipe de
Lattes voltou–se para o estudo de raios cósmicos, e como esses eventos têm
uma maior probabilidade de ocorrer em maiores altitudes, foram para os Andes
Bolivianos, a 5.500 metros de altitude, num monte chamado Chacaltaya, onde
foram analisados 193 traços de mésons, somados aos 451 que já possuíam,
tinham um total de 644 evidências dessas partículas.
As primeiras análises e medidas, utilizando chapas das novas
amostragens (exemplo da Figuras 11 e 12), já foi possível aferir duas
conclusões importantes.
Figura 10: Decaimento–µ. Nessa Chapa é mostrado um méson–π decaindo em um méson–µ, o traço
do múon é dado em duas partes, sendo o ponto ‘A’ onde se dá a junção dos traços. Fonte: Lattes, C.M.G.;
Occhialini, G.P.S.; Powell, C.F. Observation on the Tracks of Slow Mesons in Photographic Emulsions. Nature,
160, 453–6 e 486–92, 1947.
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Figura 11: Decaimento–µ. Nessa Chapa é mostrado um méson–π decaindo em um mιson–µ, o
traço do múon é dado em duas partes, sendo o ponto ‘A’ onde se dá a junção dos traços. Fonte: Lattes,
C.M.G.; Occhialini, G.P.S.; Powell, C.F. Observation on the Tracks of Slow Mesons in Photographic
Emulsions. Nature, 160, 453–6 e 486–92, 1947.
A primeira diz que a direção do méson ejetado da reação é aleatória e
que apesar disso era possível calcular a probabilidade, quando o traço ejetado
era retilíneo, das partículas permanecerem nas chapas, ou seja, terem suas
trajetórias iniciadas e concluídas na chapa. Com as análises, observaram que a
produção desse segundo méson era um decaimento comum para esse tipo de
reação.
A segunda conclusão foi que as relação entre as distâncias e os
espalhamentos dos grãos ao longo das trajetórias dos mésons secundários em
todas as chapas, são muito parecidas, o que leva a crer que todos os mésons
secundários possuem a mesma massa e a mesma energia cinética.
Essas conclusões são muito importantes, pois evidenciam que o
decaimento dos mésons não é um caso que acontece dependendo do núcleo
da reação, mas que é um decaimento fundamental, ou seja, sempre irá ocorrer,
e sempre terá as mesmas características. A partir dessas conclusões
começaram a chamar os mésons primários de méson–π (píon) e os
secundários de méson–µ (múons) e o processo de decaimento chamado de
decaimento–µ. Apesar destas conclusões, nada foi observado a respeito das
cargas dessas partículas.
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Para calcular a razão das massas, no decaimento–µ o erro era menor do
que nas outras observações, pois se o decaimento ocorre num espaço de
tempo muito pequeno, diminui a diferença do desvanecimento dos traços a
quase zero.
Com os resultados em mãos, supuseram que decaimento–µ é um
decaimento espontâneo do píon, em que o momento do múon é igual e oposto
com a emissão de um fóton, e com essas relações era possível estimar a
energia e a massa dos mésons ou que para balancear o momento do
decaimento havia a emissão de uma partícula neutra com massa igual a do
múon.
2.4.1 ORIGEM DO MÉSON–σ
Analisando as microfotografias, perceberam uma outra partícula muito
semelhante ao píon, e pelas especulações deles deveria ser a mesma
partícula, mas com uma carga negativa, chamaram–na pra efeito de estudo de
méson–σ.
Nas discussões sobre as observações dos mésons, é importante
salientar a razão da produção dos diferentes tipos e dos traços que pelo
desvanecimento, ou por não terem seus traços completos dentro das chapas
não dão uma gama de resultados totalmente confiáveis para serem
caracterizados como mésons, ou seja, uma parte dos traços observados não
são contados para os estudos. Mas mesmo assim é possível distinguir os
diferentes traços produzidos pelos méson, por exemplo, os traços feitos por
méson–σ são facilmente distinguíveis pois sempre resultam de uma ejeção de
uma partícula secundária, normalmente uma partícula pesada, como um próton
que é mostrado na Figura 12. Nos méson–π a reação origina um outro méson,
chamado de méson–µ.
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Figura 12: Méson–σ. Na chapa um méson–σ produz ao final do seu traço um próton. Fonte:
Lattes, C.M.G.; Occhialini, G.P.S.; Powell, C.F. Observation on the Tracks of Slow Mesons in
Photographic Emulsions. Nature, 160, 453–6 e 486–92, 1947..
A Figura 13 mostra uma desintegração de um núcleo ‘P’, gerando um
méson–σ, que após colidir com outro núcleo gera uma nova desintegração ‘S’
liberando outras partículas.
Pela complexidade do evento e
pelas dificuldades geradas pelas faltas de
evidências necessárias, devido ao ângulo
de aprofundamento das partículas, ou
pelo fato delas não pararem por completo
nas chapas, muitas hipóteses ainda não
puderam ser comprovadas, mas com as
analises pôde–se elaborar outras.
Os primários são mésons–π com
carga positiva e os méson–σ com carga
negativa, que interagem de maneira forte
com o núcleo e são produzidos pela
desintegração do núcleo. Os mésons–π
sofrem
decaimento–µ,
e
geram
um
méson–µ, com massa menor. E os
méson–σ são capturados pelo núcleo
desintegrando–o e liberando partículas
pesadas.
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2.5 PRODUÇÃO ARTIFICIAL.
Já em 1948, as pesquisas envolvendo os mésons eram uma realidade
ostensiva, e muitos aceleradores de partículas foram construídos para esse
fim. Na primeira oportunidade Lattes, Eugene Gardner e John Burfening,
começaram a fazer os estudos preliminares dos mésons de carga negativa,
estudando os méson–σ.
Nesse primeiro passo, para conseguir separar os méson–σ foi utilizado
um cíclotron como o que é apresentado esquematicamente na Figura 14.
Figura 14: Cíclotron produzindo méson. Aqui mostra um feixe de partículas alfa produzindo um
méson de carga negativa. Fonte: Gardner, E.; Lattes, C.M.G. Production of Mesons by the 184–Inch
Berkeley Cyclotron. Science, 107, 270–1, 1948.
Há um feixe de partículas alfa de 380 MeV circulando no aparato, passa
por uma fina chapa de carbono, onde era produzido mésons e outras
partículas. Utilizando um campo magnético foi possível separar os mésons
negativos e fazer com que eles se chocassem preferencialmente em uma área
da emulsão do tipo C2. Foram encontrados 50 traços de mésons e 10 vezes
mais traços de partículas pesadas na mesma área. Os traços dos mésons
eram distinguidos pela formação das “estrelas”, como mostrado na Figura 15.
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Figura 15: Méson–σ produzindo desintegração em estrela. Na chapa um méson–σ colide com
um núcleo, no final do seu trajeto, ejetando outras partículas. Fonte: Gardner, E.; Lattes, C.M.G.
Production of Mesons by the 184–Inch Berkeley Cyclotron. Science, 107, 270–1, 1948.
A determinação da massa foi feita usando a deflexão do méson no
campo magnético do acelerador, medindo o ponto e o ângulo de incidência dos
traços o raio de curvatura era conseguido, e foi medido como 313 ± 16 me. E a
maior fonte de erro era o espalhamento dos grão ao longo do traço. Essa
massa indicava que para a produção dessa partícula deveria ter ocorrido numa
única colisão núcleo–núcleo onde foi gasta uma energia de 160 Mev.
Após algumas análises o método foi aprimorado e então começaram–se
a estudar os mésons–π também. Desenvolveram então dois métodos para a
detecção, o primeiro era muito parecido com o anterior, só que agora as
chapas eram colocadas de maneira que recebessem os mésons carregados,
positivamente e negativamente, após a reflexão sofrida pelo campo magnético,
como mostrado no esquema da Figura 16.
Figura 16: Cíclotron produzindo méson. Aqui mostra uma forma como foi conseguido mésons
positivos e negativos através de um feixe de partículas alfa. Fonte: Burfening, J.; Gardner, E.; Lattes,
C.M.G. Positive Mesons Produced by the184–Inch Berkeley Cyclotron. Phys. Rev, 75, 382–7, 1949.
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No outro método, o raio acertava o mesmo alvo de carbono, só que
utilizando a mesma chapa conseguia–se os mésons negativos de uma lado e
os positivos do outro, como ilustrado na Figura 17. Em ambos os casos a
energia de alcance dos mésons não eram bem definidas, e além dos mésons
eram também evidenciadas prótons e partículas alfa.
Figura 17: Cíclotron produzindo méson. Aqui mostra uma outra forma de produção de mésons
positivos e negativos através de um feixe de partículas alfa. Fonte: Burfening, J.; Gardner, E.; Lattes,
C.M.G. Positive Mesons Produced by the184–Inch Berkeley Cyclotron. Phys. Rev, 75, 382–7, 1949.
As aparências dos traços do mésons positivos e negativos são muito
semelhantes, com relação a densidade dos grãos, a sua alteração ao longo
dos traços e seus ângulos de espalhamento. Para se determinar a massa foi
utilizado o mesmo método anterior, utilizando o raio de curvatura feita pela
partícula e o campo magnético. Mas apesar disso, não foi possível determinar
com uma precisão mais confiável a massa dos mésons, e a análise dos cerca
de 200 traços estudados foi possível distinguir duas massas de 300 e 200 me,
relacionados provavelmente aos píons e aos múons respectivamente.
Nenhuma partícula positiva gerava as “estrelas”, todos os mésons
pesados positivos decaiam em uma méson leve, relacionado com decaimento–
µ, mas havia evidências desses nas chapas, que provavelmente derivam de
reações ocorridas no ar. A Figura 18 abaixo mostra uma evidência desses
mésons, onde o méson pesado (píon) começa do canto esquerdo subindo e
quando o traço acaba começa o méson leve (múon) a subir para direita.
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Figura 18. Decaimento–µ. Essa chapa mostra um decaimento decaimento–µ produzido
artificialmente. Fonte: Burfening, J.; Gardner, E.; Lattes, C.M.G. Positive Mesons Produced by the184–
Inch Berkeley Cyclotron. Phys. Rev, 75, 382–7, 1949.
Como era possível fazer a análise das cargas negativas também, foi
evidenciado que há mésons leves negativos, esse provavelmente derivavam de
reações que ocorriam no ar, pois na chapa não houve evidências dessas
reações.
Uma das dificuldades encontradas para a detecção dos mésons pelos
aceleradores, é que, nas chapas há uma ocorrência muito maior de prótons e
outras partículas do que dos mésons, mas quando o traço da partícula
desejada é encontrado, os traços alheios ao fundo, quer dizer, essa “poluição”
de traços nas chapas não interfere nas medidas. As equações usadas para
mediar a massa das partículas eram:
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Onde: E: energia cinética do méson; m: massa de repouso do méson; e:
carga do méson, assumindo que era igual ao de um elétron; c: velocidade da
luz; B: Indução magnética; Q: raio de curvatura da trajetória; R: alcance do
traço; K e n: constantes adimensionais determinadas empiricamente, com
valores de 0.250 e 0.581 respectivamente.
2.6 Conclusões sobre os mésons
A teoria eletromagnética diz que cargas de mesmo sinal devem se
repelir, e isso já foi comprovado diversas vezes, mas surge uma pergunta
dentro dessa certeza, porque então os prótons (positivos) dentro de um núcleo
não se repelem?
Hoje sabemos que a força forte mantém o núcleo coeso, mas como seria
essa força forte? Cada próton e nêutron é acompanhado de uma nuvem de
mésons, sendo assim, a força forte não é explicada através de ação a
distância, como na gravitacional ou na elétrica, mas através da interação
dessas nuvens de mésons, no caso, os píons ou méson–π, pois qualquer
partícula com massa intermediária seria um méson.
Acerca dos píons estudados aqui nesse artigo foi possível fazer as
seguintes conclusões:
Primeiro é que o decaimento–µ é uma reação natural, sempre irá
ocorrer, e os π– irão colidir com outros núcleos gerando outra reação, onde se
evidenciam as “estrelas”, liberando outras partículas pesadas. Devido a
conservação de momento é necessário que exista uma partícula neutra π0 e
outra para o múon também.
Os méson–π são os chamados méson de Yukawa, físico japonês, que
previu estes como interações fortes do núcleo. E os méson–µ eram os méson
de Anderson, que também os havia previstos anteriormente.
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3.
Considerações Finais.
É possível observar que na física nenhuma teoria aparece de uma
simples síntese de idéias, é preciso muito estudo e análise de muitos fatos para
que se possa ter algo que corrobore com os parâmetros físicos exigentes, que
tenha lógica e que seja experimentalmente comprovada.
Com Lattes não foi diferente, após uma descoberta simples de uma
partícula com massa intermediária entre o próton e o elétron, surgiu toda uma
teoria pilar da física moderna e extremamente importante para a nossa
compreensão de mundo, que foi possível responder a seguinte pergunta:
Porque apesar dos prótons no núcleo atômico terem a mesma carga eles não
se repelem? Hoje sabemos que isso se deve a força nuclear forte, cuja
partícula mediadora são os píons.
E como todo trabalho experimental exigiu uma dedicação e uma
paciência estonteante para se poder concretizar, mas que ao final mostrou sua
recompensa, trazendo a Lattes e sua equipe reconhecimento mundial e,
conseqüentemente a gravação seus nomes na história da física.
4.
Metodologia.
Foram analisados os principais artigos de César Lattes a respeito da
identificação e caracterização dos mésons e, após isso, sintetizado de uma
forma cronológica para um maior entendimento dessa evolução conceitual. O
artigo está distribuído em fases, onde em cada uma se encontra um artigo
relacionado a saber: 4.2: ‘Range–Energy Relation for Protons and α–particles in
the new Ilford “nuclear Research” emulsions’ e ‘A Study of the Nuclear
transmutations of ligth elements by the fotografic method’; 4.3: ‘Processes
Involving Charged Mesons’ e ‘Determination of the energy and momentum of
fast nêutrons in cosmic rays’; 4.4: ‘Observations On The Tracks Of Slow
Mesons In Photografic Emulsions’ e 4.5: ‘Production of Mesons by the 184–
Ingh Berkeley Cyclotron’, ‘Positive Mesons Produced by 184–inch Berkeley
cyclotron’ e ‘Meson Produced By The Cyclotron’.
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5.
Referências.
Lattes, C. M. G. My work in meson physics with nuclear emulsions.
Topics in cosmic rays. Campinas, Editora da UNICAMP, 1984, v. 2,
1, 1–5, 1984.
Barata, G.; Natércia F. A escalada de César Lattes. Scientific
American Brasil. ano 3, 35, 2005.
Vieira, C. L. Lattes: Nosso herói da era nuclear. Física na Escola, v.
6, 2, 2005.
Lattes, C.M.G.; Fowler, R.H.; Cuer, R. Range–Energy Relation for
Protons and α–Particles in the New Ilford 'Nuclear Research'
Emulsions. Nature, 159, 301–2, 1947.
Lattes, C.M.G.; Fowler, R.H.; Cuer, R. A Study of the Nuclear
Transmutations of Light Elements by the Photographic Method. Proc.
Phys. Soc., Londres, 59, 883–900, 1947.
Lattes, C.M.G.; Muirhead, H.; Occhialini, G.P.S.; Powell, C.F.
Processes Involving Charged Mesons. Nature, 159, 694–7, 1947.
Lattes, C.M.G.; Occhialini, G.P.S. Determination of the Energy and
Momentum of Fast Neutrons in Cosmic Rays. Nature, 159, 331–2,
1947.
Lattes, C.M.G.; Occhialini, G.P.S.; Powell, C.F. Observation on the
Tracks of Slow Mesons in Photographic Emulsions. Nature, 160,
453–6 e 486–92, 1947.
Lattes, C.M.G.; Occhialini, G.P.S.; Powell, C.F. A Determination of
the Ratio of the Masses of π– and µ– Mesons by the Method of Grain–
Counting. Proc. Phys. Soc., Londres, 61, 173–83, 1948.
Gardner, E.; Lattes, C.M.G. Production of Mesons by the 184–Inch
Berkeley Cyclotron. Science, 107, 270–1, 1948.
Burfening, J.; Gardner, E.; Lattes, C.M.G. Positive Mesons Produced
by the184–Inch Berkeley Cyclotron. Phys. Rev, 75, 382–7, 1949.
Gardner, E.;, Barkas, W. H.; Smith, F. M.; Bradner, H. Mesons
Produced by the Cyclotron. Science, v. 111, 191–197, 1950.