Desde os tempos mais remotos, o homem persegue a idéia do átomo, aquilo que seria o constituinte indivisível da matéria. No entanto, o primeiro modelo atômico baseado em evidências experimentais só foi elaborado a partir de 1911, pelo neozelandês Ernest Rutherford (1871-1937) e seus colaboradores . Com a descoberta do próton , em 1919, e do nêutron, em 1932, o modelo de Rutherford chegou ao formato em que ainda é largamente ensinado em nossas escolas.
Rutherford (à direita) e Hans Geiger ao lado do equipamento com o qual realizaram os famosos espalhamentos de partículas alfa, cujos resultados originaram o modelo atômico que ficou conhecido como modelo de Bohr.
Um dos grandes desafios enfrentados pelos físicos nos anos 1920 e 1930 era a
explicação do fenômeno conhecido como decaimento beta, no qual um nêutron transforma-se em um próton e um elétron, que é expelido pelo núcleo e identificado como radiação beta. Sempre que esse fenômeno era observado, o elétron apresentava diferentes valores de energia, o que era incompatível com a conservação de energia e da quantidade de movimento prevista em teoria.
A coisa era tão esquisita que o próprio Niels Bohr (1885-1962) pensou que essas sagradas leis não deveriam valer para os fenômenos nucleares. Numa atitude desesperada, o austríaco Wolfgang Pauli (1900-1958) propôs, em 1930, a existência de uma partícula sem carga elétrica e com massa semelhante à do elétron.
Essa partícula seria a responsável pela conservação de energia e quantidade de movimento no decaimento beta. Em 1933, o italiano Enrico Fermi (1901-1954) a denominou neutrino (pequeno nêutron, em italiano). Ela foi a primeira partícula elementar resultante de uma previsão teórica. Porém, por ser neutra e muito leve, passou 26 anos escapando dos detectores inventados pelo homem.
A foto acima é a evidência da primeira observação de um neutrino em uma câmara de bolhas, em experimento realizado nos Estados Unidos em 1970. Um neutrino atinge um próton, resultando três traços de partículas (à direita). O traço mais longo é de um múon, o mais curto é do próton, e o terceiro é do méson pi, criado durante a colisão (foto: Laboratório Nacional de Argonne).
Energia negativa e antimatéria
À margem dos estudos nucleares, o britânico Paul Dirac (1902-1984) tentava, entre 1928 e 1930, explicar o comportamento do elétron em termos da relatividade e da teoria quântica. Seus estudos resultaram naquilo que hoje conhecemos como equação de Dirac. Na época , ela causou perplexidade porque previa a existência de um elétron com carga positiva e energia negativa.
A interpretação da energia negativa é muito complicada para ser tratada aqui, mas o fato relevante é que esse resultado deu origem ao conceito de antimatéria. A implicação disso é que, além do elétron, deveria existir um antielétron. A teoria de Dirac também previa que partícula e antipartícula deveriam se aniquilar se colocadas suficientemente próximas.
Mais impressionante do que essas previsões, foi a confirmação experimental da existência da antimatéria, obtida pelo americano Carl David Anderson (1905-1991) em 1932, com a descoberta do pósitron – o antielétron postulado por Dirac –, utilizando raios cósmicos. O impacto de tudo isso pode ser avaliado pela rapidez com que eles ganharam o Nobel de Física: Dirac em 1933 e Anderson três anos depois. Um ano após seu prêmio, Anderson descobriu o múon, uma partícula 200 vezes mais pesada que o elétron, e que na época se imaginava ser uma espécie de méson, partícula prevista pelo japonês Hideki Yukawa (1907-1981).
As curvas helicoidais no interior do retângulo vermelho, uma para a esquerda e outra para direita são traços de um elétron e um pósitron, criados por um fóton com energia superior a 1,022 MeV.
No final dos anos 1940, acreditava-se que as partículas elementares eram elétron, próton, nêutron, neutrino, múon e méson pi. A edição de dezembro de 1949 da Physical Review publicou um artigo em que Fermi e o sino-americano Chen Ning Yang (1922-) questionam o status de “elementar” para muitas das partículas até então descobertas. Para ser “elementar”, a partícula não pode ter qualquer estrutura interna : t em que ser algo como um ponto material.
Para Fermi e Yang, algumas dessas partículas, sobretudo os mésons, poderiam ser compostas de um núcleon (próton ou nêutron) e sua antipartícula. O pequeno artigo , de cinco páginas, conceitualmente elegante e ousado – o antipróton e o antinêutron só seriam descobertos seis anos depois – , deu início a uma corrida desenfreada na busca de teorias para explicar a composição das partículas recém descobertas.
Surge o quark
O resultado mais frutífero foi o modelo de quark, e deste para o modelo padrão foi um salto. Embora a denominação quark tenha sido inventada pelo americano Murray Gell-Mann (1929-), o modelo foi elaborado simultaneamente por ele e pelo russo George Zweig (1937-). De acordo com esse modelo, o próton e o nêutron são compostos por três quarks, enquanto os mésons são compostos
por um quark e um antiquark . Na ilustração ao lado, temos o próton (uud) e o nêutron (udd)
Um aspecto desagradável na história da física de partículas, sobretudo para o leigo, é a sucessão de novos termos para denominar novas partículas e novos tipos de interação, formando um cenário geralmente confuso e não intuitivo. Felizmente, com o advento do modelo padrão , este cenário foi consolidado com uma estrutura mais palatável.
Hoje podemos dizer que a física de partículas é suportada por um tripé: léptons (elétron, múon, tau e seus respectivos neutrinos), quarks (Up, Charme, Superior, Down, Estranho, Inferior) , e portadores de força , ou propagadores de interação (fóton, glúon, bósons W + , W – e Z). Os quarks formam partículas compostas denominadas hádron. Existe perto de uma centena de hádrons, divididos em duas famílias: os mésons (quark + antiquark) e o bárions (3 quarks). O próton e o nêutron são os membros mais famosos da família bariônica. Portanto, de acordo com o modelo padrão , só temos 17 partículas elementares: 6 léptons, 6 quarks e 5 portadores de força.
Sobre essas partículas (elementares e compostas) agem três tipos de forças, ou três tipos de interações. A interação eletromagnética, que atua em todas as partículas, desde que possuam carga elétrica, e tem alcance infinito; a interação fraca, que age sobre léptons e hádrons, desde que estejam a uma distância da ordem do raio do núcleo; e a interação forte, também conhecida como força nuclear, que age unicamente sobre os quarks e hádrons, e tem alcance similar à interação fraca.
Prótons e nêutrons interagem por intermédio da força nuclear para manter o núcleo. Por outro lado, os quarks no interior do próton interagem para que este permaneça estável. Essas interações propagam-se pela ação do fóton (força eletromagnética), dos bósons (força fraca) e dos glúons (força forte).
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Criado em 9 de março de 1959, em consequência de um movimento nacional em prol da ciência brasileira, o Instituto de Física da UFRGS comemora seu primeiro cinquentenário com uma extensa agenda de atividades ao longo de todo este ano de 2009.
A simetria é uma propriedade tão atávica na vida de um físico, que é importante até quando não existe. Confusa a frase? Deixe-me explicar. Muitos físicos acreditam que a natureza é simples e simétrica, e quando a simetria não existe, ou quando ela é quebrada, algo de importante deve ter acontecido. Isso não é uma simples licença poética, uma quimera inconseqüente. A história da física está repleta de casos em que explicações de fenômenos conhecidos e descobertas de novos fenômenos foram orientadas pela investigação de quebras de simetria.
