A partícula no fim do Universo


Como a caçada pelo bóson de Higgs leva-nos à fímbria de novo mundo

Carroll (2012) (C) publicou texto chamativo sobre a partícula de Higgs, que tem dado o que falar no mundo da física, em especial por suas metáforas “divinas” (a partícula de Deus). Mostra-se que os resultados atuais da física têm pouco a ver com certezas definitivas; ao contrário, o universo continua uma caixinha de surpresas, sempre mais estonteante. Mesmo não sendo físico de formação, vou tentar propor alguns remixes aqui, para alargar nosso olhar sobre como ela tenta entender um universo que, aumentando nosso conhecimento, parece afastar-se sempre mais de nossa capacidade de conhecer.


I. PARA COMEÇAR

Conta Carroll sobre coquetel no consulado suíço em San Francisco, celebrando o LHC (Large Hadron Collider) em Genebra (entre França e Suíça), em 2012. Por um tempo, pensou-se que os Estados Unidos sairiam na frente, no Texas (Superconducting Super Collider – SSC), programado para operar a partir de 2000. Foi cancelado. A especialidade de Carroll é cosmologia (o cenário maior da física), ainda que partículas sejam inseparáveis. As teorias proliferam e disputam atenção – bósons de Higgs, supersimetria, tecnicolor, dimensões extra, matéria negra... Esperam-se novidades, contando com a inventividade da natureza, sempre surpreendente. Em 4 de julho de 2012, abertura de International Conference on High Energy Physics, encontro bianual, perambulando de cidade em cidade no mundo, em Melbourne (Austrália) – centenas de físicos de partículas presentes. Uma apresentação é transmitida do CERN (laboratório em Genebra que comanda o LHC), aparecendo em fila físicos que estiveram na origem da empreitada (o americano Incandela, a italiana Gianotti, etc.). é a moderna Big Science (C:2). A maior excitação gira em torno da partícula achada por Higgs, presente também.

O bóson de Higgs é partícula fundamental da natureza, uma de muitas, de tipo muito especial – há três tipos: da matéria, como elétrons e quarks, que constituem os átomos que perfazem tudo que vemos; há partículas força que carregam gravidade e eletromagnetismo e as forças nucleares, que mantêm partículas da matéria juntas; e há Higgs, categoria única. Higgs é importante, não pelo que é, mas pelo que não é – a partícula emerge de um campo pervadindo o espaço, conhecido como “campo de Higgs”. Tudo no universo conhecido, enquanto se viaja no espaço, move-se via campo de Higgs; sempre está lá, invisível no background. Tem muita importância: sem ele, elétrons e quarks não teriam massa, como fótons, as partículas da luz. Mover-se-iam à velocidade da luz e seria impossível formar átomos e moléculas, muito menos vida como a conhecemos. Este campo de Higgs não é jogador ativo na dinâmica da matéria ordinária, mas sua presença no background é crucial. Sem isto, o mundo seria lugar completamente diferente, como agora descobrimos.


Cautela, porém. O que temos de fato hoje é evidência de uma partícula muito similar à de Higgs; tem massa correta, é produzida e decai mais ou menos do jeito esperado. Mas é cedo demais neste jogo para assegurar que esta descoberta é o simples Higgs predito nos modelos originais. Poderia ser algo mais complicado ou parte de uma rede elaborada de partículas relacionadas. Achamos, definitivamente, alguma nova partícula, e age como pensamos deveria agir um bóson de Higgs. Carroll adota 4 de julho de 2012 como dia da descoberta do bóson de Higgs. Se a realidade se mostrar mais sutil, tanto melhor para todos – físicos sonham com surpresas. Há esperança de a descoberta de Higgs represente o início de nova era na física das partículas. Sabemos que física detém muito mais do que entendemos hoje; Higgs abre nova janela para mundos não vistos. Experimentos de Gianotti e Incandela têm novo espécime a estudar; teóricos como Hewett novas chaves para construir modelos. Nosso entendimento do universo deu passo fantástico para frente.


O livro quer ser a história das pessoas que devotaram suas vidas a descobrir a natureza última da realidade, da qual Higgs é componente crucial. Há teóricos a postos, motivos a café e disputas com colegas, lidando com ideias abstratas na mente; há engenheiros empurrando máquinas e eletrônica para além dos limites da tecnologia existente. E há os experimentadores, trazendo máquinas e as ideias juntas para descobrir algo novo sobre a natureza. Projetos custam bilhões de dólares e tomam décadas para se desenvolverem, exigindo extrema devoção à causa.


II. O PONTO

Por que um grupo de pessoas talentosas e dedicadas devotariam suas vidas a perseguir coisas tão pequenas que não podem ser vistas (C:7). Física de partículas é atividade estranha – milhares de pessoas gastam bilhões de dólares construindo máquinas gigantes de muitas milhas, chicoteando partículas subatômicas a velocidades perto daquela da luz e as colidindo, tudo para descobrir e estudante outras partículas subatômicas que não têm impacto nenhum no cotidiano. Mas pode-se ver de outro modo – como resultado da curiosidade humana sobre o mundo em que vivemos. Sempre pusemos perguntas, desde pelo menos os gregos antigos, explorando mistérios e leis naturais. Não são as partículas a grande motivação, mas o desejo de imaginar como este universo funciona. O início do século XXI foi virada importante – o último experimento de um acelerador de partículas foi de 1970; mas, mesmo melhorando as máquinas, não se via nada de novo. No mundo especializado da ciência moderna, os papeis dos “experimentalistas” e os “teóricos” são distintos, em particular na física das partículas. Foram-se os dias em que um gênio como de Fermi pode propor nova teoria das interações fracas, e logo orientar a construção da primeira reação em cadeia nuclear autossustentada artificial. Hoje, teóricos das partículas rabiscam equações em lusas, que viram modelos específicos, a serem testados por experimentalistas que ajuntam dados de máquinas bem precisas.

Os melhores teóricos mantêm olho fixo em experimentos e vice-versa, mas ninguém comanda ninguém. Os 1970 viram os toques finais da melhor teoria da física de partículas, o “Standard Model” – descrevendo quarks, glúons, neutrinos e todas as outras partículas elementares. Como celebridades de Hollywood ou políticos carismáticos, teorias científicas põem-se em pedestais, só para as rasgar aos pedaços. Não nos tornamos conhecidos dizendo que teorias dos outros estão corretas; só mostrando o contrário. Mas o Standard Model é teimoso, porém. Por décadas, todo experimento que podemos fazer na terra está bem confirmado em suas predições. Geração inteira de físicos de partículas surgiu e amadureceu, mesmo sem novos fenômenos descobertos, mas agora muda com o LHC. Parece termos um universo enorme feito de pedaços pequenos.


Perto da costa do Pacífico, ao sul da Califórnia, a uma hora de carro, há lugar mágico onde sonhos se tornam realidade: Legoland. Na Dino Island, Fun Town e outras atrações, crianças se maravilham com um mundo construído por legos, blocos de plástico sem limites. Parece-se bem com o mundo real. As coisas parecem diferentes, mas, no fundo, são compostas dos mesmos pedacinhos. Um átomo é um trilionésimo do tamanho de um bloco de lego, mas os princípios são similares. Algumas coisas são duras, outras moles, algumas são leves, outras pesadas, algumas líquidas, outras líquidas, algumas são gases; algumas são transparentes, ouras opacas; algumas são vivas, outras não. Mas abaixo da superfície, tudo é bem similar. Há perto de cem átomos listados na tabela periódica, e tudo é uma combinação deles. A esperança de podermos entender o mundo em termos de ingredientes básicos escassos é velha.


Antigamente, muitas culturas diferentes – babilônica, hindu e outras – inventaram um conjunto consistente de cinco “elementos” dos quais tudo seria feito – terra, ar, fogo e água são os mais familiares, mas havia um quinto, a quintessência. Foi elaborada por Aristóteles, sugerindo que cada elemento buscava um estado natural particular; por exemplo, terra tende a cair e ar a subir. Demócrito, antes de Aristóteles, sugeriu que tudo é feito de pedacinhos invisíveis que chamo de “átomos” – foi acidente infeliz da história que esta terminologia foi apanhada por Dalton, químico do início dos 1800, referindo-se a pedaços que definem elementos químicos. O que pensamos agora do átomo, é que não é indivisível – a divisibilidade não parece ter fim. Prótons e nêutrons são feitos de pedaços menores, os quarks; estes e elétrons são os átomos reais, indivisíveis (assim parece). Dois tipos de quarks – ditos “up” e “down” – entram na composição de prótons e nêutrons no núcleo atômico. Mas, ao final, precisamos só de três partículas – elétrons, quarks up e quarks down. Foi enorme avanço em relação aos cinco elementos antigos. Mas não são a únicas partículas. Há hoje 12 tipos diferentes de partículas da matéria: seis quarks que interagem fortemente e se confinam dentro de coleções amplas como prótons e nêutrons, e seis “leptons” que podem viajar individualmente pelo espaço. Temos também partículas que carregam força e que os mantêm juntos em diferentes combinações. Sem partículas força, o mundo seria lugar chato – partículas individuais mover-se-iam em linhas retas pelo espaço, nunca interagindo. Há mesmo um conjunto pequeno de ingredientes para explicar tudo que vemos, sendo que Carroll acha que poderia ser mais simples. “A moderna física de partículas é movida pelo desejo de fazer melhor” (C:10).


III. BÓSON DE HIGGS

Standard Model: doze partículas da matéria, mais um grupo de partículas que carregam força para as mantêm coesas. Não é assim que o mundo nos aparece, mas tudo está aí. No espaço há ainda matéria negra e energia negra, ainda pouco inteligíveis, fora do Standard Model. Já o bóson de Higgs é diferente, achado nos 1960 – patinho feio. Tecnicamente é partícula força, mas é tipo diferente de carregador de força. Da física teórica, Higgs parece como adição arbitrária e caprichosa a uma estrutura em si linda – não fosse por ele, o Standard Model seria a própria elegância e virtude; mas é bagunçado – achar um fazedor de bagunça está sendo um desafio. Por que tantos acham que o bóson deve existir? Explicação mais comum: para dar massa a outras partículas, ou para quebrar simetrias... Sem este bóson, o Standard Model pareceria muito diverso, e não como o mundo real. Com o bóson, tudo se encaixa. Físicos teóricos deram duro para montar explicação sem ele, ou com estruturação diferente – fracassaram. O anúncio de 4 de julho descreveu a partícula – decai para outras partículas mais ou menos do mesmo jeito esperado. Mas é cedo ainda, precisando-se de mais dados. Físicos não gostam de achar um Higgs esperado; preferem uma surpresa – e já há dicas nesta direção.

Conta Carroll que em 2005 foi entrevistado por rádio local sobre física de partículas, gravidade, cosmologia..., justamente o centenário do “ano milagroso” de Einstein (1905), quando publicou alguns textos que mudaram a visão de mundo. O entrevistador ao fim colocou uma questão: por que preocupar-se com isso?; não vai levar a nada de útil para as pessoas... Quando se têm seis anos, perguntamos isso – por que o céu é azul, porque as coisas caem etc. – crianças são cientistas naturais. A escola depois mata esta curiosidade e passamos a nos preocupara com imediatismos da vida. Em 1831, Faraday, um dos fundadores do entendimento moderno do eletromagnetismo, foi instado por político sobre a utilidade da “eletricidade” recém descoberta. Sua resposta: sei não, mas aposto que um dia seu governo vai colocar imposto nela... (C:13). Um século depois, outro cientista brigava com mecânica quântica, muita abstrata no início, mas depois vieram transístores, lasers, supercondutividade, diodos etc. Até mesmo a teoria geral da relatividade pode ter algumas aplicações imediatas, como GPS. Mas um móvel persistente ainda é curiosidade natural. Querer saber pode ser o bastante.


Não teríamos achado o Higgs sem o LHC – também resultado de curiosidade científica. Física de partículas está num limiar expressivo, porque é parte fundante da saga humana entender onde estamos e por que aqui estamos. Entram aí também interesses como dinheiro, política e ciúme. Envolve muita gente, países, ideologias. LHC não é o primeiro acelerador gigante que queria chegar ao Higgs; havia o Tevatron no Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), ao lado de Chicago, ligado em 1983 e desligado em setembro de 2011. Houve o Large Electron-Positron (LEP), que funcionou de 1989 a 200, em túnel subterrâneo, onde agora está o LHC. E houve Superconducting Super Collider, ou SSC, no Texas; mas LHC é a estrela da companhia, com resultados importantes (Higgs em especial).


IV. PERTO DA DIVINDADE

O Higgs não é nada divino, claro, mesmo chamada de “partícula de Deus”, mas tem muita importância. Lederman ganhou o Nobel em 1988 em física, ao descobrir que há mais de um tipo de neutrino, embora pudesse ganhar o prêmio por outros feitos, como novo tipo de quark. Há apenas três neutrinos conhecidos e seis quarks, o que torna isso descoberta chamativa. Lederman fundou Illinois Mathematics and Science Academy, e dirigiu o Fermilab. É figura carismática, muito bom humor e contador de causos. Uma das anedotas favoritas é do tempo de graduação, quando atropelou Einstein andando no Institute for Advanced Study em Princeton – o cientista escutou pacientemente o jovem que explicava sua pesquisa sobre partículas em Columbia, e logo disse como um sorriso: “Isto não é interessante” (C:19). Na opinião pública, Lederman é mais conhecido pela expressão “partícula de Deus” (bóson de Higgs), no título de um livro seu com Teresi. Explicam no primeiro capítulo que assim fizeram, porque o editor não aceitaria chamar de partícula satânica, embora fosse mais apropriado – a grande maioria dos físicos detestam “partícula de Deus”, bem como o próprio Higgs.

É que físicos têm relação bem complicada com Deus, nem tanto com o ser hipoteticamente onipotente que teria criado o universo, mas com o próprio “Deus”. O próprio Einstein se referia ao termo: queria conhecer os pensamentos de Deus... Deus não joga dados. Em 1922, um satélite da NASA chamado Cosmic Background Explorer (COBE) tirou imagens impressionantes de ondulações mínimas na radiação deixada pelo Big Bang. Isto levou Smoot, um dos investigadores implicados, a dizer que “se formos religiosos, é como ver Deus” (C:20). E Hawking, concluindo seu livro famoso A Brief History of Time, não se acanha em recorrer a uma linguagem teológica: “Contudo, se descobrimos uma teoria completa, seria em tempo inteligível em princípio amplo por todo mundo, não só por poucos cientistas. Então devemos todos, filósofos, cientistas e gente comum ser capazes de participar na discussão da questão do por que nós e o universo existimos. Se achamos resposta a isso, seria o triunfo último da razão humana – e aí teríamos conhecido a mente de Deus” (C:20). Alguns físicos grandes foram religiosos, como Newton (talvez o maior dos tempos), também heterodoxo (gastava enorme tempo interpretando a Bíblia). No século XX, temos o exemplo de Lemaître, cosmólogo que desenvolveu a teoria do “Átomo Primevo” – conhecido como “modelo do Big Bang” – era padre e professor em Lovaina.


Chama a atenção que, não sendo físicos grandes crentes, continuam falando de Deus. Duas razões, talvez: uma boa razão é que Deus propicia metáfora ad hoc, como fazia Einstein. Outra, menos boa, é por relações públicas – chama a atenção. Seja como for, o bóson de Higgs é descoberta altissonante. Quando se fala da partícula no fim do universo, também é metáfora, porque não há fim conhecido. Para Carroll é “a peça final do enigma de como a matéria ordinária que constrói nosso mundo cotidiano funciona em nível profundo” (C:25). No entanto, é um risco alegar que se trata de peça final, porque esta estória de chegar ao final nunca deu certo, começando pelo nome “átomo”, aduzido porque seria algo não mais divisível. Depois descobrimos que este mundo não parece ter fundo. Assim, pode também ser estranho que Hawking fale de teoria final, quando muito provavelmente é impraticável este tipo de achado, porque não haveria como suspender pesquisa ulterior, sem falar que humanos seriam incapazes deste feito (veem o universo de um ponto de vista...).


V. RELEVÂNCIA DO HIGGS


Tem gosto de mágica e queremos desvendá-la. O bóson de Higgs do Standard Model parece cenário similar – por muito não o tínhamos visto, apenas seus possíveis eflúvios, ou marcas do mundo que aí se encaixavam. Sem o bóson, as partículas como elétron teriam massa zero e andam à velocidade da luz; se tiveram massa, andam mais devagar. Sem o bóson, muitas partículas elementares parecem idênticas entre si, mas tendo massa, diferenciam-se logo. Partículas são de dois tipos – as que perfazem matéria, conhecidas como “férmions” e as que carregam força, ou bósons. A diferença é que férmions ocupam espaço, e bósons não. Não há como empilhar férmions idênticos no mesmo lugar; a mecânica quântica não deixa. Em especial quanto menor a massa da partícula, maior espaço toma. Átomos são feitos de três tipos de férmions – quarks up, quarks down, elétrons, aguentados por forças. O núcleo, feito de prótons e nêutrons, que, por sua vez, são feitos de quarks up e down, é relativamente pesado e existe em região mínima do espaço. Os elétrons, entrementes, são bem mais leves (cerca de 1/2.000o de massa de um próton ou nêutron) e tomam muito mais espaço. São os elétrons nos átomos que dão à matéria sua solidez. Bósons não tomam espaço – dois deles ou trilhões, dão na mesma em termos de localização – são carregadores de força, e podem combinar-se para perfazer campo macroscópico de força, como campo gravitacional que nos mantém na terra e o campo magnético que deflete a agulha da bússola. Físicos tendem a usar “força”, “interação” e “acoplamento” de modos permutáveis, o que reflete verdades profundas descobertas no século passado: forças podem vistas como resultantes do intercâmbio de partículas. Quando a lua sente o empuxe gravitacional da terra, podemos pensar em grávitons passando para lá e para cá entre os dois corpos. Quando um elétron é preso no núcleo, é porque fótons estão se permutando; mas tais forças são responsáveis por processos de partícula como aniquilamento e decaimento, não só de puxar ou empurrar. Quando núcleo radioativo decai, podemos atribuir à força forte ou fraca em funcionamento, dependendo do tipo de decaimento que acontece. Forças em física de partículas são responsáveis por variedade de circunstâncias. À parte o Higgs, conhecemos quatro tipos de forças, cada qual com suas partículas associadas de bóson; há gravidade, associada com uma partícula chamada de “gráviton”; não observamos ainda isso, razão por que gravidade nem sempre é incluída no Standard Model, embora a constatemos toda hora. Sendo gravidade uma força, as regras básicas da mecânica quântica e relatividade garantem que há partículas associadas. O modo como gravidade age como força sobre outras partículas é bem simples: toda partícula atrai outra (embora muito fracamente). Depois há eletromagnetismo – nos 1800, físicos sacaram o fenômeno – as partículas associadas são “fótons” que vemos toda hora; partículas que interagem via eletromagnetismo são “carregadas”, ou são “neutras” – carga elétrica pode ser positiva e negativa.


A seguir temos forças nucleares, duas, a curtíssima distância – a forte, que mantém quarks juntos dentro dos prótons e nêutrons (glúons); interage com quarks, não com elétrons; glúons não têm massa, como fótons e grávitons. Quando a força é carregada por partículas sem massa, esperamos que sua influência se esparja em espectro amplo, mas força forte tem espectro pequeno. Em 1973, Gross e Wilczek mostraram que a força forte tem propriedade formidável: a tração entre dois quarks realmente crescem em força à medida que quarks se separam. Separando dois quarks exige mais energia, a ponto de criarmos novos quarks. Assim, nunca vemos um quark individual solto – está confinado dentro de partículas mais pesadas. Tais partículas compostas feitas de quarks e glúons são conhecidas como “hádrons”. Gross, Politzer e Wilczek ganharam juntos o Nobel de 2004 por esta descoberta. Depois, temos a força fraca nuclear – não tem papel maior no ambiente imediato, mas é importante à existência da vida: ajuda o sol a brilhar. Energia solar surge da conversão de prótons em hélio, o que requer transformar alguns prótons em nêutrons, via interação fraca.


Três tipos de bósons carregam força fraca; bóson Z, neutro eletricamente, e dois bósons W, um positivo, outro negativo (W+ e W-). São massivos (tão pesadas como átomo de zircônio), difíceis de produzir e decaem rápido. O universo é pervadido de campos – das quatro forças, uma ficou como esquisita: a fraca. Gravidade tem grávitons, eletromagnetismo tem fótons e força forte tem glúons – um bóson para cada qual. Já a força fraca tem três bósons diferentes, com comportamentos estranhos – emitindo um bóson W, um tipo de férmion pode mudar-se em outro; um quark down pode cuspir um W- e mudar-se em quark up. Nêutrons, feitos de dois up e down, decaem quando fora do núcleo – um dos quraks down emite um W-, e o nêutron converte-se em próton, que tem dois ups e um down. Nenhuma outra força mudam a identidade das partículas com que interagem. As interações fracas, basicamente, são uma bagunça. A razão é o Higgs – é diferente de todos os outros bósons. Os outros emergem por alguma simetria da natureza conectando o que ocorre em pontos diferentes no espaço. Se cremos em tais simetrias, os bósons são praticamente inevitáveis. Não há princípio profundo que exige sua existência, mas existe. Muitos tentam explicar isso, em especial o campo de Higgs, de onde o bóson emerge. É fato físico básico que partículas diferentes surgem de campos – é a teoria da campo quântico. A temperatura da atmosfera terrestre em um campo – em cada ponto o ar tem certa temperatura – densidade e umidade são também campos. Mas não são fundamentais, apenas propriedades do ar. Já campo eletromagnético ou gravitacional são, por outra, visto como fundamental – não é feito de outra coisa, são o elemento primeiro.


CONCLUSÃO

Vemos que, certamente, estamos ainda muito longe de encontrar “o fim o universo”. A força fraca, como diz Carroll, é uma bagunça. Assim o chão do universo não parece próximo a nenhuma explicação atual, o que afasta tanto mais pretensões de explicação final. Quanto mais parecemos nos aproximar disso, ela se afasta sempre, como se fosse um saco sem fundo. Muito mistério. Como o próprio Higgs – uma partícula sensacional, cujo significado ainda não foi dominado, mas dela se esperam maravilhas (divinas!). Talvez tenhamos de rever o modelo padrão da física, porque possivelmente a realidade parece ser bem mais “complexa” do que nos parece ou pode ser mensurada por nossas instrumentações. Talvez tenhamos de aceitar que o universo é incompleto, é um fenômeno em formação, podendo introduzir novos elementos, dos quais ainda não temos ideia. Teorias – assim dizemos hoje – são feitas como pontes passageiras: permitem passar, mas passam também. Porque a realidade nos acena com algo insondável, talvez porque nós mesmos somos observadores muito limitados.

REFERÊNCIAS

CARROLL, S. 2012. The particle at the end of the universe: How the hunt for the Higgs Boson leads us to the edge of a new world. Dutton, N.Y.

Pedro Demo (2016)

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