Partículas elementares do mundo do átomo
UMA multidão de detetives internacionais está quente na pista duma presa esquiva — presa esta que é mestra em disfarces e em fugas rápidas. Há rastros em abundância: vestígios reveladores, um “modus operandi” claro e até mesmo fotografias. As armas técnicas de detecção, da equipe de perseguição, melhoram constantemente, mas o assunto só parece tornar-se mais esquivo e inescrutável.
Não estão no encalço do Sr. Gigante; estão procurando uma coisa insignificante — de fato, a menorzinha de todas. Estes detetives são cientistas atômicos, e seu caso é a procura da partícula elementar, o constituinte básico do universo material.
Esta investigação é pelo menos tão antiga quanto o quarto século A.E.C. Os filósofos gregos da época refletiam no resultado de repetidas e sucessivas divisões da matéria. Concluíram que não poderia ser feito indefinidamente; por fim, o resultado teria de ser um fragmento de matéria indivisível. Demócrito recebe o crédito de cunhar a palavra “átomo” para descrever essa menor unidade da matéria. Entretanto, durante o século 20 os esforços têm sido concentrados em descobrir o que constitui o próprio átomo.
Descobertas as Primeiras “Partículas Elementares”
J. J. Thomson investigou a identidade do elétron em 1897. Descobriu que a corrente elétrica consiste dessas partículas em grandes quantidades. Os elétrons são tão pequenos que 6.000.000.000.000.000.000 deles passam através duma lâmpada de 100 watts em um segundo. Menos esvanecente de todas as partículas elementares, os elétrons são semelhantes a nômades instáveis que se transferem facilmente de um lugar para outro até mesmo por uma simples fricção. Ao andar por um carpete, seus sapatos talvez recolham bilhões deles, que se espalham por todo o corpo, apenas para se juntarem e saltarem impetuosamente através do ar, como uma faísca do seu dedo, caso estenda a mão para tocar num interruptor de luz.
Ernest Rutherford demonstrou em 1911 que toda carga positiva do átomo e a maior parte de sua massa residem numa área que é 1/10000 do tamanho do próprio átomo. Isso deu origem à imagem popular que a maioria de nós faz do átomo: um pequeno miolo central, ou núcleo, cercado por elétrons que se movem rapidamente em órbita, semelhantes a abelhas ao redor duma colmeia.
Por volta de 1932, descobriu-se que o núcleo era constituído de prótons e nêutrons. Os prótons levam a carga positiva do átomo — exatamente igual em intensidade, mas oposta em espécie à carga negativa do elétron. O próton tem cerca de 1.800 vezes a massa do elétron, cerca da mesma proporção duma geladeira para um biscoito. Apenas pouco mais mássico do que o próton, o nêutron não leva carga alguma. Por volta da década de 1940, as experiências e a teoria desvelaram muitas partículas adicionais que desempenham um papel no núcleo. O quadro mental dos cientistas sobre o núcleo tornava-se muito mais complexo.
Sistemas de Detecção
Os físicos “enxergam” as partículas por examinar o resíduo de sua interação com a matéria. Estas interações poderiam ser comparadas à trilha duma criança traquina que destroça a vizinhança por correr pelos canteiros de flores e tombar as latas de lixo. Depois de algum tempo os vizinhos podem reconhecer o padrão da evidência e identificar o culpado. Uma partícula carregada em movimento e livre de seu átomo de “habitação” comporta-se de maneira parecida a uma criança em alvoroço. Choca-se contra outros átomos e desaloja seus elétrons, deixando um resíduo de átomos carregados.
A câmara úmida de Wilson era um antigo detector de partículas. As partículas carregadas deixam trilhas de vapor na câmara devido à condensação do vapor sobre átomos desordenados no caminho, algo parecido ao rastro dum avião a jato que voa a grandes altitudes. Hoje, são mais comuns as câmaras de ebulição que se baseiam num líquido quase em ebulição como um meio através do qual uma corrente de bolhas marca a trilha da partícula.
Peritas em Fuga
As partículas viajam a tremendas velocidades. O fóton compartilha o recorde de velocidade de todos os tempos com o neutrino e o graviton. Todos os três não têm massa alguma, e, portanto, movem-se à velocidade da luz (300.000 km/s), um grau de velocidade que os levaria ao redor da terra mais de sete vezes em um segundo.
As partículas materiais (as que possuem massa) podem aproximar-se da velocidade da luz, mas nunca podem realmente atingi-la. De fato, tudo que o elétron pode atingir ao circular o núcleo é cerca de um décimo da velocidade da luz. A velocidade deles comparada com a das mais rápidas partículas é semelhante a um automóvel numa rodovia comparado a um jato supersônico.
Artistas em Questão de Transformação Rápida
A duração duma partícula é chamada de tempo de vida ou simplesmente vida. Os elétrons e os prótons são estáveis, o que é outro modo de dizer que sua vida é infinita. Mas, a maior parte das partículas “vivem” muito pouco tempo. Por exemplo, o múon, partícula produzida pela interação de radiação cósmica na atmosfera superior, tem uma vida média de dois milionésimos de segundo. Quando “morre”, aparecem subitamente um elétron e dois neutrinos no seu lugar. Isto poderia ser comparado a um ladrão que se afasta alguns passos do banco e se transforma milagrosamente em três pessoas diferentes que fogem por direções diferentes.
Tal mudança repentina de identidade tem causado aos cientistas muitos problemas ao tentarem estudar partículas de vida curta. Em poucos milionésimos de segundo após sua formação, a partícula pode desintegrar-se em duas ou mais outras menores, que podem, por sua vez, transformar-se em ainda outras partículas diferentes e menores. O processo prossegue até que se produzam partículas estáveis. Quando uma partícula muda sua identidade, diz-se que ela se “desintegra”. Mas, por que são o elétron e o próton as únicas partículas com massa que não se desintegram? Por causa daquilo que é chamado de leis de conservação.
Leis de Conservação
Em poucas palavras, uma lei de conservação diz que se uma quantidade conservada for medida antes dum evento, essa quantidade deve totalizar o mesmo montante após o evento.
Para ilustrar, imagine um conjunto de quatro quadras de tênis rodeado por uma cerca alta para reter as bolas dentro. À medida que os jogadores chegam, damos a cada conjunto de jogadores 10 bolas idênticas e lhes dizemos para não se preocuparem com perder de vista as bolas específicas com que começam a jogar. Durante jogos simultâneos as bolas provavelmente saltem para quadras vizinhas e sejam usadas lá também. Por fim, algumas bolas talvez sejam usadas por todos os jogadores. Depois de encerrados todos os jogos, recolhemos as bolas. Esperamos reaver o mesmo número que distribuímos. Se tivermos menos, concluiremos que algumas saltaram por cima da cerca, ou ainda estavam nas quadras, ou se foram com os jogadores. Nenhuma outra explicação faz sentido: bolas de tênis não desaparecem em pleno ar. Neste caso, ‘bolas de tênis conservam-se’.
As leis de conservação governam o mundo físico. Nada pode ocorrer que viole uma lei de conservação: não há transgressores da lei entre os cidadãos do mundo das partículas elementares.
O elétron é estável por causa da conservação da massa e da carga elétrica. É a mais leve partícula com carga. Há partículas mais leves que o elétron, mas todas elas são invariavelmente neutras quanto a carga elétrica. Para que o elétron se desintegrasse numa destas partículas mais leves, teria de livrar-se de sua carga, mas não pode fazer isso pois violaria a lei de conservação da carga. Não pode desintegrar-se em partículas com carga mais pesadas pois isso violaria a lei de conservação da massa — assim como é impossível cortar um pão de meio quilo e obter fatias que pesam um quilo. Portanto, o elétron não pode desintegrar-se porque simplesmente ‘não há lugar para ir’.
O próton é estável porque teria de violar uma outra lei de conservação para desintegrar-se. Por outro lado, o nêutron é estável conquanto tenha um próton ao qual pode se “encostar”. Coloque um nêutron na “solitária” e ele se desintegrará em cerca de 15 minutos.
Kenneth Ford, em seu livro The World of Elementary Particles (O Mundo das Partículas Elementares) enfatizou a importância das leis de conservação deste modo: “A coisa ‘normal’ é que a partícula passe por uma desintegração e transmute-se em outras partículas mais leves. Por razões que não são plenamente compreendidas há duas partículas ‘anormais’, o próton e o elétron, que estão proibidas de se desintegrarem. De acordo com esta concepção mais ampla das partículas, há certas regras da natureza (leis de conservação) que incidem para evitar a desintegração destas duas partículas. Por causa desta casualidade é possível a estrutura dum mundo material.
“Naturalmente, uma vez que há apenas um Universo, e um conjunto de leis naturais, não faz muito sentido dizer que um estado de coisas específico no mundo existe por acaso. Mas este aspecto da multiplicidade de partículas dá continuidade ao processo, iniciado por Copérnico, de fazer o homem sentir-se cada vez mais humilde ao encarar o desígnio da natureza. Nós e o nosso mundo existimos graças a certas leis de conservação que estabilizam algumas partículas e permitem a construção duma estrutura ordeira sobre a desordem normal do mundo submicroscópico.”
Leis de Conservação Predizem o “Neutrino”
Antigas experiências no estudo das partículas subatômicas sugeriam que o nêutron se desintegrava de maneira não conservadora. Os pesquisadores notaram que ao passo que um nêutron se desintegrava num próton e num elétron, o momento e a energia após a desintegração eram bem menores do que antes da desintegração. Visto que eram quantidades conservadas, as leis de conservação pareciam ser violadas neste caso. Físicos nucleares não podiam aceitar esta conclusão.
Para preservar estas leis de conservação, os teoristas inventaram o neutrino e sagraram-no com todas as qualidades necessárias para torná-lo partícipe indivisível no processo de desintegração do nêutron. Não podia ser “visto”, mas a admissão de sua existência foi produto da fé dos cientistas nas leis de conservação em que aprenderam a confiar.
Após aceitarem o neutrino durante 25 anos baseados em fé, os cientistas captaram-no em 1956. Não é de admirar que fosse tão esquivo; não possui carga, aparentemente nenhuma massa, e viaja à velocidade da luz. Os neutrinos interagem tão raramente com a matéria que a maioria atravessa a terra inteira tão facilmente quanto uma bala atravessa um papel de seda. Numa tentativa de verificar a existência dos neutrinos, os que realizavam a experiência enviaram calculadamente 100.000.000.000.000 de neutrinos através de 13 metros de ferro para uma câmara de detecção que ainda assim captou apenas 29 deles. Isto é comparável a fazer passar toda a população do mundo por uma saleta contendo uma balança de banheiro, com o registro resultante de apenas 100 gramas.
Sistema de Classificação
Por volta de 1960 vieram à tona tantas partículas que os cientistas podiam sentir-se como um zoólogo naufragado, levado à praia duma ilha contendo uma grande população de vida animal nunca antes vista. Num esforço de ordenar a variedade da população das partículas, os físicos classificaram as partículas em grupos com base na similaridade de propriedades — semelhante ao modo em que o zoólogo classificaria os diversos animais em mamíferos, répteis, etc.
As partículas mais pesadas são chamadas de hádrons. Os extrapesados hádrons são chamados de bárions. Os bárions (prótons, nêutrons, etc.) são os “elefantes” do zoológico das partículas subatômicas. Os hádrons mais leves são chamados de mésons (píons, káons, etc.) e são mais do tamanho de “tigres”. Os léptons (elétrons, múons, neutrinos) são de modo geral os “insetos” do mundo das partículas.
O sistema real não se baseia no tamanho e no peso, mas na probabilidade de os membros de cada classe interagirem um com o outro. Elefantes interagem com outros elefantes de modo diferente do que interagem com os insetos. De fato, o inseto e o elefante talvez não se apercebam absolutamente um do outro, exceto quando o elefante mastiga uma folha que já estava sendo comida pelo inseto. Os hádrons, semelhantes a elefantes, interagem entre si com o que é chamado de força nuclear forte. Os léptons, semelhantes a insetos, são completamente esquecidos pela força nuclear forte: o que importa a um gafanhoto se dois elefantes estão brigando? Mas, léptons com cargas são sensíveis à força eletromagnética e interagem com os hádrons de acordo com as regras desta força, assim como ambos os animais devem notar caso o animal menor salte dentro do globo ocular do maior.
Existe Uma Partícula Mais “Elementar”?
Foram descobertas cerca de 300 partículas, na maioria hádrons, desde que o homem começou a estudar o átomo e pegá-lo em separado. Os léptons parecem ser realmente “elementares” — isto é, não têm tamanho discernível e parecem não ter estrutura interna. Além disso, há apenas seis léptons conhecidos, número bem reduzido que sugere simplicidade. Os hádrons não são tão simples. Têm tamanho comensurável e montam a centenas. Quando um hádron se desintegra, outros hádrons se lançam dos destroços.
Na década de 1960, Murray Gell-Mann e George Zweig propuseram uma nova partícula, o quark. Sua teoria declarava que todos os hádrons eram constituídos de dois ou três quarks, combinados de alguma forma. Por atribuir certas propriedades aos seus quarks teóricos, Gell-Mann e Zweig podiam considerar todas as partículas nucleares conhecidas (hádrons) como compostas de apenas três quarks diferentes denominados “up” (para cima), “down” (para baixo) e “strange” (estranho). Um bônus da teoria foi a predição da existência duma partícula não descoberta anteriormente que foi posteriormente produzida e verificada como tendo as propriedades previstas. Isto contribuiu grandemente para a aceitação da teoria. Experiências recentes sugerem agora fortemente a presença de mais três variedades de quarks cognominados “charmed” (encantado), “truth” (verdade) e “beauty” (beleza).
No tempo em que se escreveu este artigo, não haviam sido decisivamente detectados quarks isolados; alguns acham que nunca serão isolados. Mas os quarks são uma base teórica firme para todos os físicos nucleares. Como se deu com o neutrino, os cientistas crêem neles sem vê-los porque podem ser usados para predizer o que as partículas detectáveis do átomo farão sob certas condições.
Continuará o número de quarks, que constituem a teoria atual, a justificar as novas partículas que ainda estão para ser descobertas? Desvendar-se-ão novos quarks? Isolar-se-á algum dia um quark? São os quarks realmente as “partículas elementares” derradeiras do núcleo do átomo? Se não, do que é constituído o quark?
“Do que é ele constituído?” talvez nunca seja plenamente respondido. Cada vez que o estudo da matéria avança um passo, a assim chamada “partícula elementar” parece constituir-se de algo mais simples. (Agora se fala de “glúons”.) Será que a pesquisa nunca terminará? É possível que nossa curiosidade nunca seja completamente satisfeita. Para alguns, tal perspectiva parece mais tantalizante do que desanimadora. Sentem-se como o apóstolo cristão Paulo: “Ó profundidade das riquezas, e da sabedoria, e do conhecimento de Deus! Quão inescrutáveis são os seus julgamentos e além de pesquisa são os seus caminhos!” — Rom. 11:33.