Dos atomistas gregos ao bóson de Higgs

Os atomistas gregos propuseram no século VI – V a. C. que a matéria do universo era composta por partículas mínimas e indivisíveis chamadas átomos. Para Leucipo e Demócrito, na natureza não existem senão átomos formando o ser e o vazio, não ser. O conceito de átomo seria retomado por John Dalton no século XVIII. O modelo do átomo com um núcleo composto de prótons e nêutrons orbitado por elétrons foi aperfeiçoado no século XX com os trabalhos de J. J. Thonson, Ernest Rutherford e Niels Bohr.

Em 1968, uma experiência realizada no Stanford Linear Accelerator Center (Acelerador linear central de Stanford) revelaram que os prótons e nêutrons são divisíveis em partículas menores chamadas quarks. Nome poético em homenagem a uma passagem do Finnegans Wake de James Joyce, de 1939. Dez anos antes de ser publicado o Finnegans Wake nasceu o físico americano Murray Gell-Mann, ganhador do premio Nobel de Física pela descoberta do quark. Experiências também mostraram que um próton consiste de dois quarks; um up e um down. Um nêutron consiste de um quarks up e dois down. Esses estudos só foram possíveis com mega aceleradores construídos na segunda metade do século passado, quando foi possível acelerar partículas com velocidades próximas à da luz.

Quarks e glúons foram identificados. Os taus – análogo ao elétron e ao múon – foram identificados, em conjunto com seus respectivos neutrinos. Foram detectadas as partículas responsáveis pela força fraca, o W+, W- e o Zo. Ao todo existem seis tipos de quarks: “up”, “down”, “charm”, “strange”, “top” e “bottom”. Esses quarks são partes do “tijolo fundamental” da matéria, junto com os elétrons, o múon, o tau e três tipos de neutrinos. A existência de uma 4ª partícula fundamental da matéria – o neutrino -, prevista por Wolfgang Pauli na década de 30, foi comprovada por Frederick Reines e Clyde Cowan, em meados da década de 50 do século passado.

Choques entre raios cósmicos contra átomos da atmosfera terrestre permitiram que os físicos descobrissem outras partículas e anti-partículas. O físico brasileiro Cesar Lattes desempenhou um papel importante na descoberta do méson-pi. O neutrino é extremamente difícil de ser detectado. No Sol são produzidos mais neutrinos do que detectamos. O múon é uma partícula semelhante ao elétron, com massa duzentas vezes maior.

Estas doze partículas interagem entre elas, por intermédio de mensageiros, chamados bósons. Um deles é o fóton, que transporta a radiação eletromagnética, e outro é o glúon, que proporciona a coesão dos núcleos atômicos. O fóton, que viaja à velocidade da luz (aproximadamente 300.000 km/s), não tem massa. No entanto, nossa experiência nos faz sentir a presença da matéria, composta por átomos e, portanto, também quarks e elétrons.

De onde vem essa massa? Os cientistas explicam que não provém propriamente das partículas. Em 1964, por dedução, o físico escocês Peter Higgs postulou que existia o bóson que hoje leva seu nome e que devia dar sua massa a outras partículas. Após anos de espera, a comunidade científica mundial e os físicos do LEP (sigla inglesa para Grande Colisor de Elétrons e Prótons) do CERN (laboratório multinacional), estão ansiosos pela confirmação da descoberta do famoso bóson de Higgs. Os cientistas buscam há 40 anos o bóson de Higgs, um elemento-chave da estrutura interna da matéria.

Caso isso seja confirmado, será o coroamento do Modelo Padrão – teoria desenvolvida na segunda metade do século passado – que descreve adequadamente as interações fortes, eletromagnéticas e fracas. Essa teoria é dividida em dois setores:
1) QCD – sigla de cromodinâmica quântica. Que descreve as interações fortes. O nome vem do fato das partículas que interagem através da força forte terem uma propriedade denominada cor. Podendo-se fazer uma analogia com a carga elétrica da força elétrica.
2) Teoria das interações eletrofracas, que unifica as interações eletromagnéticas e fracas.

O bóson de Higgs, denominado popularmente “Partícula de Deus”, é uma partícula transmissora de força responsável pela interação de um campo que permeia todo o Universo e que geraria a massa de todas as partículas. Sua denominação é atribuída ao prêmio Nobel de Física, Leon Lederman, depois que seu editor alterou o termo “damn” para ” God”. Ficando “The God Particle”, em vez de “The Goddamn Particle” (“a partícula maldita”). Maldita porque altamente instável e difícil de encontrar. A ideia é que as partículas ao se chocarem com os bósons de Higgs freiam, permitindo auferir sua massa.

II – Famílias de partículas que compõem o modelo padrão

As partículas elementares podem ser divididas em três grupos ou famílias. Cada família contém dois quarks, um elétron ou um dos seus primos, e um exemplar da espécie dos neutrinos. III – Interações básicas da natureza.

São quatro as interações básicas da natureza. A cada interação está associada uma partícula mensageira. Uma unidade mínima em que a força pode existir. O fóton é a unidade mínima do campo eletromagnético. Para a força nuclear essa partícula é o bóson e para a força forte o glúon. Esse termo é derivado do inglês glue: cola, que mantem o núcleo coeso. De todas as interações básicas da natureza menos o gráviton associado à força gravitacional foi encontrado. A força gravitacional é a mais fraca das quatro e assume papel importante para grandes massas. Ela é regida pela Lei da Gravitação Universal de Isaac Newton e é responsável pela arquitetura do universo, e por manter o planeta Terra em órbita elíptica em torno do Sol. A força eletromagnética ocorre entre prótons, ou entre prótons elétrons. É responsável pela energia ilumina nossas casas e alimenta os nossos aparelhos domésticos. As forças nucleares fortes e fracas atuam a distancias atômicas e são responsáveis pela geração de energia no interior das estrelas tipo o Sol (nuclear fraca) e pela fissão nuclear (bomba atômica). A força nuclear fraca surge da emissão de partículas pelo núcleo atômico transformando-o em outro elemento químico. A força nuclear forte mantém coeso o núcleo atômico constituído de prótons e nêutrons. A ideia de unificar essas quatro interações numa única força tem sido o Santo Graal da Física. Einstein tentou nos seus últimos trinta anos de vida e não conseguiu.
A força nuclear forte é aproximadamente mil vez mais forte que a força eletromagnética e a força nuclear fraca é um milionésimo desta. Uma teoria de campo que unifica essas duas forças foi proposta por Weinberg, em 1967. E, independentemente, pelo físico paquistanês Abdus Salam, em 1968. Essa teoria foi confirmada experimentalmente em 1973.

Continua a procura por uma teoria que unifique as quatro interações básicas da natureza. Caso seja confirmado a descoberta do bóson de Higgs terá sido dado um passo gigantesco nessa teoria de tudo. O gráviton não foi encontrado e a teoria da gravidade ainda não pode ser incluída com sucesso em uma teoria unificadora. Tentativas existem de combinar as duas principais teorias físicas do século XX: a Relatividade Geral e a Mecânica quântica.

Continua o desafio para os físicos e cosmólogos. 95 % da energia e massa do cosmo é formada de matéria e energia escura. O restante é formado por matéria bariônica, radiação cósmica de fundo (detectada em 1965) e neutrinos. A matéria escura é não relativística e sem pressão. A matéria escura é relativística e tem pressão negativa.

João da Mata Costa, professor do Depto de Física – UFRN (damata@dfte.ufrn.br)

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