Átomos e partículas. Estória do acelerador


Neste segundo remix da obra de Carroll (2012) (C) sobre a partícula do fim do universo (bóson de Higgs), vamos estudar dois capítulos: átomos e partículas; estória do acelerador.

I. ÁTOMOS E PARTÍCULAS
Busca-se particionar a matéria até “seus últimos constituintes, quarks e léptons” (C:39). É a ideia fixa da física: achar o fim do fim, sem nunca encontrar, talvez porque a realidade mais se assemelha a um círculo ingente, do que a uma linha reta que começa e acaba. Conta Carroll que no início dos 1800, o médico alemão Hahnemann fundou a prática da homeopatia. Desiludido pela medicina da época, desenvolveu nova abordagem com base no princípio de “igual cura igual” – doença pode ser tratada precisamente pela mesma substância que a causa, desde que seja manipulada adequadamente. A manipulação é chamada de “potencialização”, consistindo em diluir a substância repetidamente em água, agitando vigorosamente cada vez. Método típico de diluição é misturar uma parte da substância de 99 partes de água – prepara-se remédio homeopático diluindo, agitando e diluindo de novo, agitando de novo, até 200 vezes. Mais recentemente, Jago, consultor profissional de software e cético recreativo, quis demonstrar que não cria em homeopatia como abordagem válida. Decidiu aplicar o método de diluição serial a uma sustância obtida facilmente: sua própria urina. E que depois bebeu – por ser um pouco impaciente, diluiu apenas 30 vezes – não chamou de “urina”, mas de “mijo” (piss), dizendo que desenvolvia a cura por ser mijado (piss nos Estados Unidos significa também ficar com raiva; na Inglaterra, inebriar-se). Os resultados vieram num vídeo espalhafatoso no YouTube. Após a diluição em trinta vezes, ao final de urina não tinha mais nada. Tudo isso pela razão de tudo ser feito de átomos, combinados em moléculas. Estas são as menores unidades das substâncias.

Separadamente, dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio são só átomos; combinados, viram água. Podemos diluir as coisas para sempre e manter a identidade – uma colher de urina pode conter cerca de 1024 moléculas; se diluímos uma vez misturando uma parte de urina com 99 partes de água, ficaremos com 1022 moléculas de urina. Diluindo duas vezes, ficarão 1020. Com 12 vezes, haverá em média apenas uma molécula restante. A partir daí já estaremos misturando água com água. Assim Jago, ao final, bebia água apenas. Adeptos da homeopatia, sabendo disso, creem que moléculas da água retêm uma “memória” de qualquer erva ou químico usado na diluição e que, de fato, a solução final é mais potente que a substância no início. Isto viola o que sabemos sobre física e química e experimentos clínicos classificam remédios homeopáticos como placebos. Mas sempre houve quem acredita nisso. A física toma dois fatos incisivos: i) podemos particionar a matéria em pedaços menores, na unidade menor possível;  ii) ao fundo há apenas alguns elementos que podem combinar-se, resultando na variedade do mundo observado. Num primeiro momento, o zoológico das partículas parece bagunçado, mas há apenas 12 partículas, em dois grupos de sei: quarks, que sentem a força forte nuclear, e léptons, que não. É uma estória estupefaciente, secular, desde a descoberta do elétron em 1897 até a do férmion (o neutrino tau) em 2000.

Visivelmente, Carroll acredita num ponto final na partição da matéria – sempre se prometeu isso, mas nunca deu certo. A cada momento inventa-se algo a mais, indicando que, assim como o universo parece “infinito” para cima, também parece para baixo. Tratando-se de algo material, esperamos que comece em algum lugar, mas este lugar até hoje fugiu...

II. IMAGENS DOS ÁTOMOS
As imagens mais comuns dos átomos – em revistas em quadrinhos, por exemplo – aparecem como pequenos sistemas solares, com núcleo central e elétrons orbitando-o – serve também de logo da Atomic Energy Commission americana. Mas traz equívoco de modo sutil – representa-se o modelo de Bohr, aplicando a mecânica quântica da época, oriunda de Rutherford. No modelo de Rutherford, elétrons orbitam o núcleo em qualquer distância imaginável, como planetas no sistema solar, exceto que são atraídos por eletromagnetismo, não gravidade. Bohr modificou a ideia insistindo que os elétrons podem viajar apenas em certas órbitas particulares, um grande passo em frente para entender a radiação emitida por átomos. Hoje sabemos que elétrons “não orbitam”, pois não possuem posição ou velocidade – a mecânica quântica diz que elétrons persistem em nuvens de probabilidade conhecidas como “funções de onda”, que nos dizem onde poderíamos achar a partícula se formos observar. Mas a imagem popular não é tão ruim assim. Elétrons são relativamente leves; mas de 99.9% da massa de um átomo é localizada no núcleo. Este é feito de combinação de prótons e nêutrons – um nêutron é um pouco mais pesado que um próton – um nêutron é cerca de 1.842 vezes mais pesado que um elétron, enquanto um próton é cerca de 1.836 vezes mais pesado. Prótons e nêutrons são chamados de “núcleons”, pois perfazem o núcleo. À parte o fato de que próton tem carga elétrica e nêutron é mais pesado, os dois núcleons são similares. Elétrons são atraídos para o núcleo pela força do eletromagnetismo, que é muitíssimo mais forte que a gravidade. A atração eletromagnética entre um elétron e um próton é cerca de 1039 vezes mais forte que a atração gravitacional entre eles. Enquanto gravidade é simples – tudo atrai tudo – eletromagnetismo é mais sutil. Nêutrons recebem o nome do fato de serem neutros, sem carga elétrica. A força eletromagnética entre elétron e nêutron é zero. Partículas com o mesmo tipo de carga elétrica repelem-se. Elétrons são atraídos para os prótons dentro do núcleo porque elétrons carregam carga negativa e prótons positiva. Elétrons não sentem a força forte (assim como nêutrons não sentem eletromagnetismo), mas prótons e nêutrons sim, o que permite fazer o núcleo. Mas até certo ponto. Se o núcleo engordar demais, a repulsão elétrica vira excessiva, e o núcleo se torna radioativo – pode sobrevier um pouco, mas tende a decair em núcleos menores.

A estória de elétrons, prótons e nêutrons se formou no início dos 1930. A natureza, porém, é mais contorcionada e Dirac, já nos 1920, já fizera uma equação do elétron – todo férmion está associado com um tipo oposto de partícula – antipartícula. Partículas da antimatéria têm exatamente a mesma massa, mas carga oposta elétrica. Quando se ajuntam, se aniquilam em radiação energética. Coligir antimatéria é, por isso, pelo menos em teoria, modo de estocar energia e gerou muita especulação sobre propulsão de foguetes na ficção. A teoria de Dirac virou realidade em 1932, quando Anderson descobriu o pósitron – a antipartícula do elétron. Há simetria estreita entre matéria e antimatéria; mas o universo observado está cheio de matéria e contém muito pouca antimatéria. Por que é assim, ainda é mistério. Anderson estudava raios cósmicos, partículas de alta energia do espaço que se espatifam na atmosfera terrestre, produzindo outras partículas que eventualmente nos atingem no chão. Para criar imagens do rastro das partículas carregadas, Anderson usou tecnologia incrível conhecida como “câmara da nuvem” – o princípio básico é similar às nuvens reais que vemos no céu – enche-se câmara com gás que é supersaturado com vapor da água. “Supersaturado” significa que o vapor de água está para formar gotículas de água líquida, mas não o faz sem algum empurrão externo. Em nuvem regular, este empurrão vem na forma de algum grão de impureza, como poeira ou sal. Na câmara, o empurrão vem quando partícula carregada passa por ela – a partícula esbarra nos átomos dentro, chacoalhando elétrons soltos e criando íons. Estes servem como locais de nucleação para gotículas mínimas de água. Assim, uma partícula carregada passando deixará rastro de gotículas em sua esteira, bem como o rabo deixado por um avião, deixando amostra de sua passagem. Anderson tomou sua câmara de nuvem, enrolou em magneto poderoso, até ao teto do prédio aeronáutico em California Institute of Technology (Caltech) e aguardou os raios cósmicos. Para se obter vapor apropriadamente supersaturado dentro exigiu decréscimo rápido em pressão, induzido por pistão que causaria estrondo forte a cada vez que fosse deslanchado. Funcionava só à noite por consumo massivo de energia.

Estrondos reverberariam no ar de Pasadena toda noite, como testemunho ruidoso de que segredos do universo estavam sendo descobertos. Anderson tirou fotos que mostraram número igual de partículas que se curvavam no sentido relógio e contrarrelógio. A explicação seria que havia número igual de prótons e elétrons contidos na radiação; de fato, é o que se espera. Mas Anderson tinha outro tanto de dados que podia usar: a espessura do rastro do íon deixado na câmara. Reconheceu que, dada a curvatura dos rastros, todo próton que os produzia teria de estar se movendo relativamente devagar (menos de 95% da velocidade da luz) – deixando rastros mais espessos de íons do que era observado. Parecia que partículas misteriosas passando na câmara estavam carregadas positivamente, como próton, mas relativamente leves, como elétron. Havia outra possibilidade lógica: talvez os rastros eram simplesmente elétrons movendo-se para trás. para testar isso, ele introduziu uma placa de chumbo dividindo a câmara. Uma partícula movendo-se de um lado do chumbo para outro iria mover-se mais devagar, indicando claramente a direção da trajetória. Em foto icônica da história da física de partículas, vemos partícula em cura contrarrelógio movendo pela câmara, passando pelo chumbo e voltando mais devagar – a descoberta do pósitron. Gigantes da área, como Rutherford, Pauli e Bohr se mostraram incrédulos no início, mas experimento bonito sempre se impõe à intuição. Eis a antimatéria entrando no mundo da física de partículas.

III. NEUTRINOS
Arranjamos assim mais três férmios (antipróton, antinêutron, pósitron), num total de seis. Outros problemas vieram; por exemplo, quando nêutrons decaem, viram prótons emitindo elétrons. Medidas meticulosas do processo pareciam indicar que energia não era conservada – o total de energia do próton e elétron eram sempre um pouco menos. A resposta foi sugerida em 1930 por Pauli, sacando que a energia extra podia ser carregada por partícula ínfima neutra difícil de achar; chamou de “nêutron”, antes de o nome ficar ligado à partícula pesada neutra nos núcleos. Logo após, para evitar confusão, Fermi chamou de “neutrino” – de fato, um nêutron emite o que agora reconhecemos como antineutrino, mas o princípio estava bem correto. Pauli sentiu-se incomodado por sugerir partícula difícil de detectar, mas hoje neutrinos são coisa comum. Havia ainda a questão do processo exato pelo qual nêutrons decaem; quando partículas interagem entre si, implica algum tipo de força, mas o decaimento de um nêutron seria o esperado da gravidade, eletromagnetismo ou força nuclear. Então físicos passaram a atribuir o decaimento de nêutron à “força nuclear fraca”, pois tinha algo a ver com núcleons, mas não era a força que mantém os núcleos (força nuclear forte). O neutrino estabeleceu um pouco de simetria na partículas elementares. Havia duas partículas leves, elétron e neutrino, que eventualmente se diziam “léptons” (do grego, pequeno); e havia duas partículas pesadas, próton e nêutron, chamados “hádrons” (do grego, grandes). Os hádrons sentem a força nuclear forte, enquanto os léptons não. Cada categoria continha uma partícula e uma neutra. Parece inventado!

Em 1936, chegou mais um visitante do céu – o múon; Anderson, descobridor do pósitron, e Neddermeyer estavam estudando rádios cósmicos de novo; acharam uma partícula com carga negativa como elétron, mas mais pesada, embora mais leve que antipróton seria. Chamou-se “mu meson”, vendo-se logo tratar-se de méson (bóson feito de um quark e um antiquark), formando a abreviação “múon”. Nos 1930, metade das partículas elementares conhecida  (elétron, pósitron, próton, nêutron, múon e antimúon) foram descobertas na Caltech com Anderson. Depois veio a colheita do LHC. O múon foi surpresa total – já tínhamos o elétron – por que teria primo mais pesado? Em 1962, experimentalistas Lederman, Schwartz e Steinberger mostraram que havia realmente dois tipos diferentes de neutrinos – neutrinos elétrons, que interagem com elétrons e são muitas vezes criados com ele, mas também neutrinos múons, que andam juntos com múons; quando nêutron decai, emite elétron, próton e antineutrino elétron; quando o múon decai, emite elétrons e um antineutrino elétron, mas também um neutrino múon. E o processo se repetiu. Nos 1970, a partícula tau foi descoberta, também negativamente carregada como o elétron, mas pouco mas pesada que o múon; as três acabaram vistas como primas idênticas, diferindo apenas em massa. Todas sentem as forças fracas e eletromagnéticas, mas não a forte; a tau tem seu tipo de neutrino, já antecipado, mas não detectado até 2000.

Então, seis léptons, em três “famílias” ou “gerações”: o elétron com seu neutrino; o múon com seu neutrino; e a tau com seu neutrino. É perfeitamente natural ponderar se uma quarta geração ou mais vão vir... Por enquanto, só um talvez, embora pareça haver evidência que isto seria tudo! É porque os neutrinos conhecidos têm massas bem pequenas – certamente mais leves que o elétron. Agora sabemos como buscar novas partículas leves, analisando cuidadosamente os decaimentos das mais pesadas. Podemos contar quantas partículas similares a neutrino teriam de haver para dar conta dos decaimentos, e a resposta são três. Não há certeza total, porém.

A vinda dos aceleradores de partículas levou a um boom no número de partículas elementares. Havia píons, cáons, méson seta, méson ro, híperons e mais. Lamb, em sua preleção do Nobel de 1955, saiu-se com essa: “O descobridor de nova partícula elementar costumava ser premiado com o Nobel, mas tal descoberta agora deveria ser punida com multa de $10 mil” (C:49). As novas eram hádrons – ao contrário dos léptons, interagem fortemente com nêutrons e prótons, levando à suspeita crescente de que novatos não eram propriamente “elementares”, refletindo algo mais profundo estrutural. Isto se revelou em 1964 por Gell-Mann e Zweig, que, de modo independente, propuseram que hádrons eram feitos de partículas menores chamadas “quarks”. Como os léptons, vêm em seis diferentes sabores: up, down, charm, estranho, top e inferior. Os quarks up/charm/top têm carga elétrica +2/3, enquanto down/estranho/inferior -1/3; são agrupados por vezes como “tipo up” e “tipo down”, respectivamente. Ao contrário dos léptons, cada caso de quark representa um terceto de partículas, ao invés de uma. Os três tipos de cada quark são fantasiosamente chamados por cores: vermelho, verde ou azul. Quarks são “confinados”, significando que existem apenas em combinações dentro dos hádrons, nunca isoladamente. Quando se combinam, é sempre em combinações “sem cor”. Prótons e nêutrons possuem três quarks dentro: um próton é dois ups e um down, enquanto um nêutron é dois downs e um up. Um dos quarks será vermelho, um verde e outro azul; juntos se tornam brancos, sem cor.

IV. A FORÇA QUE NÃO SE ENCAIXA
Os férmions do Standard Model são o que dão à matéria à volta tamanho e molde. Mas são as forças e partículas bósons associadas que facultam aos férmions interagir entre si. Férmions podem empurrar ou puxar uns aos outros tocando bósons para frente e para trás, ou podem perder energia e decair para outros férmions cuspindo algum tipo de bóson. Sem bósons, os férmions simplesmente se moveriam retamente sempre, não afetados por nada. A razão por que o universo é tão incrivelmente complexo e interessante é que tais forças são diferentes, empurrando/puxando em modos complementares. Físicos muitas vezes dizem haver quatro forças da natureza – não incluem o Higgs, por ser diferente dos outros bósons. Os outros se dizem “bósons calibre” (gauge boson) (mais tarde se discute isso). O gráviton é um pouco diferente dos outros; toda partícula elementar tem certo “spin” intrínseco, e fóton, glúons e bóson W/Z têm um spin igual a 1, enquanto o gráviton de 2. Não sabemos ainda reconciliar gravidade com as demandas da mecânica quântica, porém.

O Higgs, por sua vez, é totalmente diverso; é bóson “escalar”, significando que tem zero spin. Ao contrário dos bósons calibre, o Higgs emerge de simetria ou outro princípio natural. Um mundo sem o Higgs seria bem diferente, mas ainda assim consistente com a teoria física. Mesmo importantíssimo, parece deformidade na estrutura matemática do Standard Model. É bóson e por isso pode ser intercambiado para trás e para frente com outras partículas, dando azo à força da natureza. É uma vibração no campo de Higgs, dando massa a todas as partículas elementares. O Higgs interage com todas as partículas massivas em nosso zoo – os quarks, o léptons carregados e os bósons W e Z (deixemos neutrinos de lado). Quanto mais massiva é partícula, mais fortemente se acopla ao Higgs. A realidade, porém, vai noutra direção: quanto mais fortemente uma partícula se acopla com o Higgs, tanto mais massa pega movendo-se no campo ambiental de Higgs que pervade espaço vazio. O Higgs é partícula pesada, e mesmo quando a produzimos não somos capazes de vê-la diretamente; rapidamente decai em outras partículas. Esperamos haver certo ritmo de decaimento para (exemplo) bósons W, diferente do quark inferior, dos mésons tau etc. Não é algo aleatório – sabemos exatamente como ele interage, de sorte que calculamos bem exatamente a frequência esperada de tipos diferentes de decaimentos.

V. ESTÓRIA DO ACELERADOR
Discute-se a história de colidir partículas a energias cada vez mais intensas. A ideia por trás do acelerador parece simples: tomar algumas partículas, acelerar a altas velocidades e espatifar com outras, para ver no que dá. Comparou-se isso com espatifar dois relógios suíços para ver o que sobra com os pedaços... Esta analogia não vale. Quando esmagamos partículas entre si, não estamos vendo como são feitas, mas criando nova partículas. Para chegar a tais velocidades usa-se princípio básico: partículas carregadas (elétrons e prótons) podem ser empurradas à volta por campos magnéticos; usamos campos elétricos para acelerar partículas a velocidades crescentes e campos magnéticos para mover na direção correta, como em tubo circular do LHC. Afinando tais campos delicadamente, pode-se reproduzir condições especiais não vistas na terra. O desafio é então: acelerar partículas o quanto pudermos, esmagá-las entre si e ver o que se cria de novo. Todos os passos são complexos. LHC representa a culminação de décadas de trabalho duro.

Quando o Bevatron criou antipróton, não foi porque havia escondidos, mas, porque as colisões trouxeram novas partículas à existência. Na teoria quântica, ondas representam partículas originais vibrando no campo antipróton; para ocorrer, o ingrediente crucial é que tenhamos suficiente energia. O insight que torna possível a física de partículas é a equação de Einstein E = mc2 – massa é realmente forma de energia; a massa do objeto é o mínimo de energia que pode ter; quando algo está parado, o montante de energia que carrega é igual à massa vezes o quadrado da velocidade da luz. A velocidade da luz é número grande (300 mil km/h). Mas, quando o objeto de move? Discussões sobre relatividade gostam de falar como se a massa aumentasse quando uma partícula se aproxima da velocidade da luz, mas é equívoco – prefere-se ver a massa como constante – a energia cresce chegando perto da velocidade da luz. Quando um acelerador empurra prótons a energias mais altas, vão se aproximando da velocidade da luz, embora nunca se chegue propriamente lá. Podem-se fazer partículas pesadas a partir de leves.

Prótons são hádrons – partícula que interagem fortemente; quando se esmagam duas, os resultados são um tanto imprevisíveis. O que realmente ocorre é que um dos quarks ou glúons dentro do hádron esmaga-se em um dos quarks ou glúons do outro, mas não se sabe a energia precisa de cada lado. Uma máquina que faz elétrons colidir é bem diferente: construída para precisão, não força bruta. Quando elétron e pósitron colidem, sabe-se bem o que está sucedendo; os resultados são melhor apropriados para mensurações exatas das propriedades. Aceleradores foram criados em muitas versões, mas hoje o show acontece no LHC.

CONCLUSÃO
Carroll esforça-se por mostrar um quadro simétrico, simples, bonito das partículas elementares, mas, na verdade, é um chão complicado. A própria condição aparentemente anômala (uma deformidade no Standard Model) do Higgs indica que podemos ser surpreendidos por novas elaborações, que com certeza vão vir no futuro. É possível mesmo que o modelo padrão venha a ser superado com o tempo, como já se insinua na mecânica quântica, que continua sendo vista como “mecânica”, por tradição positivista, não porque se imagina como cláusula pétrea. Se aceitarmos que a física de hoje explica talvez 5% do universo, na prática não sabemos ainda “nada”. Tudo pode vir a ser virado de cabeça para baixo. Por isso, não convém assegurar um chão final da matéria, porque sempre este chão foi se afastando. É melhor não se açodar. Provavelmente, qualquer explicação da realidade é menos real do que se gostaria.

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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