ANO 3 Edição 32 - MARÇO 2015 INÍCIO contactos

João Pedro Cesariny Calafate


O MUNDO DAS PARTÍCULAS

PARTE I

 

Talvez alguns de vós já se tenham deparado com “nomes” para partículas que não fazem a mínima ideia do que querem dizer, apenas sabem que deve ser algo pequeno, algo que só os cientistas compreendem, algo que parece ter tanto de real, quanto as histórias do tio patinhas.
Neste artigo irei tentar referir a maioria dos nomes que aparecem nesse complicado mundo, que apesar de na sua maioria ainda nos estar vendado, com o progresso da tecnologia vamos progressivamente explorando e conquistando. Serei sempre breve, para que o artigo não fique demasiado grande e enfadonho, ainda assim, irei fazendo ocasionalmente algumas observações pessoais. Caso não fiquem satisfeitos com alguma explicação, poderão pedir nos comentários para eu detalhar mais algum assunto.

 

O Átomo


Quando partimos em bocados um certo pedaço de um dado material, podemos questionar-nos: será que cada bocado é igualmente passível de ser quebrado em bocados mais pequenos? Será que estes bocados mantêm as mesmas propriedades físicas que o pedaço maior? Será que se pode repetir indefinidamente este processo de partir sempre em bocados de menores dimensões?
Em resposta à última pergunta, Demócrito, IV a.c., postulou a existência de uma unidade básica na matéria que não poderia ser fragmentada – o átomo (significa indivisível). Toda a matéria seria constituída por um dado conjunto de átomos, os quais poderiam apenas diferir em tamanho, forma e massa. Esta noção veio acabar com a aprazível ideia de que a matéria era constituída pelos quatro elementos da natureza: água, terra, ar e fogo.
Na verdade, a única parte que parece estar errada nesta ideia de átomo (à luz do que se sabe hoje,32), é que essas partículas indivisíveis diferem na verdade em muitos outros aspectos, contudo a ideia de partículas indivisíveis permaneceu até hoje, ainda que muitas das partículas indivisíveis do passado, já o não sejam actualmente. De um ponto de vista meramente filosófico, é uma pena que o conceito de átomo tenha ficado ligado aos elementos químicos, que serão referidos mais adiante, o que leva a parecer que Demócrito estava definitivamente errado, quando na verdade quem esteve errado foi o sujeito que mais tarde decidiu que o conceito de átomo iria ficar conotado com elemento químico e não com as partículas que constituíam esse átomo.
Foi preciso esperar mais de 2000 anos para que o conceito de átomo começasse a evoluir, deixando a esfera da Filosofia, para se tornar um conceito fundamental na Física. Dalton, no século XIX, volta a afirmar que toda a matéria é constituída por átomos, contudo, desta vez já são invocados alguns conceitos da Química – como seja a indestrutibilidade dos átomos, ou as reacções entre átomos (devido ao contributo de Lavoisier e outros).
Basta lembrar-nos da bomba atómica, para que logo nos apercebamos que a maioria das inovações impostas por Dalton na teoria atómica são incorrectas. Mas é bom compreender que eram erros necessários – na Ciência levantam-se hipóteses, testam-se e conclui-se. A conclusão poderá ser o simples rejeitar das hipóteses – não se trata de perda de tempo, mas sim de um mal necessário. Para se encontrar o caminho num labirinto é preciso percorrer caminhos errados para determinar qual o correcto.
Não me vou preocupar em explicar como evoluíram os modelos atómicos, apenas me vou restringir às partículas: pouco depois de Dalton ter proposto o seu modelo, Faraday descobriu que os fenómenos da electricidade faziam presumir a existência de uma nova partícula:


O Electrão


Mas só Thomson é que confirmou realmente a existência desta nova partícula. Esta era a partícula que fazia conduzir a electricidade, uma partícula com carga, uma partícula que veio-se a descobrir (Thomson também,32), estava presente em qualquer átomo. E eis que o “átomo” deixa de o ser…
E agora, se pensarmos um pouco: se o átomo é algo sem carga, e o electrão que faz parte do átomo tem carga negativa (convenção,32), é evidente que tem que lá estar alguma coisa para equilibrar a carga:

 

O Protão


Esta outra carga do átomo tem a particularidade de ser quase 2000 vezes mais pesada que a outra carga, este facto, aliado ao Electromagnetismo que postula a existência de uma força eléctrica com uma relação bastante semelhante à força gravítica (exceptuando o valor da constante, bem como o facto de haver repulsão eléctrica,32), vem dizer-nos que do mesmo modo que a Lua orbita a Terra, por a Terra ser muito mais pesada, do mesmo modo o electrão deve orbitar o protão, por este ser muito mais pesado.
Ainda que esta visualização não seja estritamente correcta (tendo em conta a Mecânica Quântica,32), permitiu a criação do Modelo Planetário do Átomo, que providenciou a explicação de muitos fenómenos físicos.
A história do átomo poderia parecer completa, mas 40 anos depois do protão, foi a vez de surgir:

 

O Neutrão


Foi descoberto por James Chadwick, e trata-se de uma partícula sem carga (daí ter demorado tanto tempo a ser detectada,32), contudo a sua presença no átomo é essencial para a estabilidade deste! A massa desta partícula é quase igual à do protão, e por isso o seu movimento está tão limitado quanto este. Assim, estas duas partículas (ou conjuntos delas) formam aquilo a que se chama o núcleo do átomo, sendo circundados por electrões.
Daqui para a frente, começam a surgir as implicações inevitáveis da Mecânica Quântica. Para não me alongar em demasia, vou restringir-me aos “factos”.

 

O Fotão

 

Com as contribuições de Planck e Einstein, a luz passa a ser definitivamente entendida como sendo um conjunto de partículas, mas também como uma onda – Carácter Dual da Luz e da Matéria. Estas partículas são energia no “estado puro”, uma vez que não têm massa.
Os fotões não são apenas complexos na sua divergência em relação ao que estamos “habituados” a pensar como sendo partículas, na verdade divergem em algo bastante mais fundamental em relação a todas as partículas antes enunciadas. Os fotões são bosões, enquanto que os electrões, protões e neutrões são fermiões.

 

O Bosão

 

Os bosões são partículas de spin inteiro e que por isso obedecem à estatística de Bose-Einstein. Ficaram na mesma? Nova tentativa: são partículas indistinguíveis, que não obedecem ao Princípio da Exclusão de Pauli. Este princípio afirma que não pode haver duas partículas descritas pela mesma função de onda. Na mesma? Se tivermos um sistema com vários níveis de energia (imaginem uma escada, em que as partículas que conseguem subir mais degraus são as mais energéticas,32), este princípio afirma que não podem haver duas partículas no mesmo degrau! Uma vez que existe o Princípio da Energia Mínima, as partículas irão distribuir-se pelos degraus de modo a que o todo corresponda à menor configuração de energia possível (no caso da escada seria simples: iria cada partícula ocupar o degrau mais baixo da escada que estivesse disponível, de modo a não haver degraus desocupados no meio, e ficassem livres os de cima – os de maior energia). Ora, como os bosões não obedecem ao princípio de Pauli, mas apenas ao de Energia Mínima, isso implica que todos os bosões ficam no degrau do fundo, no de menor energia. Como a todos os fotões corresponde a mesma energia e estão no “mesmo sítio”, isto implica que sejam partículas indistinguíveis, pois é irrelevante chamar partícula 1 a uma dada partícula, ou chamar-lhe 2 no momento seguinte, pois isso não terá qualquer consequência na análise do sistema. (Nota: o princípio da exclusão de Pauli aplica-se, na verdade, a estados quânticos e não a estados de energia, isto é, podem haver diferentes estados quânticos com diferentes energias, o contrário é que não é válido. Um estado quântico caracteriza não só a energia de uma partícula, mas também outras características, que talvez venha a referir num artigo futuro.)

 

O Fermião

 

Contrariamente aos bosões, os fermiões são partículas de spin semi-inteiro (múltiplos de 1/2,32), obedecem à estatística de Fermi-Dirac, obedecem ao Princípio da Exclusão de Pauli e, claro, também ao Princípio da Energia Mínima.
Como o artigo já vai longo, dou por concluída a exposição. Na “Parte 2? irei falar de hadrões, leptões, muões, etc..

 

ParteII

 

 

Quem já leu a Parte 1 deste artigo poderá ter-se ficado a questionar: “os bosões são assim, os fermiões são «assado», e depois? Que consequências isso tem?” Na verdade estas partículas diferem em algo muito importante: enquanto que os fermiões são as partículas que interagem com as forças, os bosões são as partículas que as medeiam.
Newton introduziu a ideia de “forças à distância” para explicar a gravidade. Foi um conceito extremamente importante para a compreensão da gravidade e também do electromagnetismo. Entretanto descobriu-se que o electromagnetismo é mediado pelos fotões (que são bosões,32), e que também a força fraca e a força forte são mediadas por outros bosões. Curiosamente, ainda não se descobriu o bosão mediador da gravidade (o gravitão,32), o que constitui um dos grandes problemas na física de partículas (no chamado Modelo Padrão). Aliás, o próprio Modelo Padrão não é compatível com o gravitão, pois o mesmo trás consigo contradições que impedem que o modelo se acomode à adição desta partícula. A teoria mais conhecida para resolver este e outros problemas é a famosa Teoria das Cordas (que falarei num artigo posterior).

 

Modelo Padrão


O Modelo Padrão é a teoria que tem fornecido mais resultados válidos no limiar da Física que podemos testar – a Física das altas energias que testamos em aceleradores de partículas (como no LHC, Large Hadron Collider – grande colisionador de hadrões). Com esta teoria foram preditas partículas nunca antes observadas, partículas essas que foram depois observadas, tendo-se registado, além disso, uma concordância fantástica entre os valores mensuráveis de energia previstos pela teoria e os medidos nas experiências. É uma teoria que agrega Mecânica Quântica e Relatividade Restrita e que com isso consegue descrever o comportamento de todas as partículas e forças, com excepção da força da gravidade.
A razão pela qual a força gravítica não é conciliada nesta teoria é, basicamente, porque a Mecânica Quântica é incompatível com a Relatividade Geral. É por este motivo que os buracos negros são tão interessantes de serem estudados a nível teórico, porque são os únicos objectos cosmológicos no nosso universo que exigem um estudo com ambas as teorias em simultâneo, pelo que um entendimento mais profundo deles deverá conduzir a conclusões mais claras sobre o problema da conciliação destas duas teorias.
Porquê que não se assume simplesmente que uma delas está errada (Mecânica Quântica ou Relatividade Geral)? Porque ambas parecem estar correctas quando não é necessário considerar as duas em conjunto. Não existe nenhuma razão para considerar uma errada e a outra certa.
Mas os problemas do Modelo Padrão não se ficam por aqui. Além de ser uma teoria incompleta por excluir a gravidade, é também incompleta (supostamente) por não ser autónoma: aparecem 19 parâmetros “arbitrários” na teoria que só podem ser determinados por experiências. Os físicos procuram uma teoria que consiga determinar as suas próprias constantes, ou seja, que seja independente de tudo o resto, que consiga explicar a realidade, sem precisar da mesma (excepto para testar a teoria, claro).
O Modelo Padrão evidencia um outro problema, relacionado com a antimatéria. Como sabem a antimatéria é “escassa” no nosso universo, ou seja, existe muito mais matéria que antimatéria. Contudo, esta teoria prevê uma igualdade entre as quantidades de partículas e antipartículas. A Teoria do Big Bang, para funcionar, exige que haja uma quebra de simetria entre estas quantidades logo após o início do universo, pelo que o Modelo Padrão deveria explicar esta quebra de simetria. Por outro lado, a Teoria do Big Bang incluí também a “inflação” (existem teorias alternativas, como a do português João Magueijo, que “preferia” que fosse a luz tivesse viajado um pouco mais rápido que a velocidade actual da luz, nos primórdios do universo,32), que é uma teoria fundamental para se explicar os primeiros instantes da expansão do universo. O Modelo Padrão, por não incluir a gravidade, é incapaz de explicar o universo inflacionário.
Há ainda outra razão para se crer que é uma teoria que não pode ser “A Teoria”: a beleza. Parece-vos um argumento ingénuo? Sabiam que Copérnico defendia que o Sol deveria estar no centro do universo, porque era muito mais belo que a Terra? Fraco argumento, não é? A verdade é que muitas das teorias com melhores resultados e que conseguem estar mais próximas de algo fundamental à mecânica do universo mostram ter uma simplicidade inerente. Um padrão, uma norma, é sempre algo simplificador e que torna uma explicação mais elegante. Se tivermos um número x de casos por explicar, poder-se-á explicar um a um, ou explicar um e dizer como deste se obtêm os outros. Qual vos parece a forma mais evidente de obter conhecimento?
Isto tudo para dizer que o Modelo Padrão falha, também, neste “pequeno” aspecto. A teoria, como vamos ver, prevê uma quantidade nada animadora de partículas fundamentais. (Mais uma vez, em antítese, poderia referir a Teoria das Cordas, que apresenta essa tal beleza que se procura, mas isso fica para outra discussão, na qual também irei referir os problemas dessa teoria.)
As partículas fundamentais no Modelo Padrão, em particular os fermiões, são divididas em três famílias (também chamadas de “gerações”,32), consoante a sua massa, em que a primeira família corresponde às partículas de menor massa, e a terceira de maior massa. As da primeira família são as que predominam na natureza, porque são as mais estáveis. O protão (e o neutrão) é constituído por partículas pertencentes a esta geração e pensa-se que não decaia, ou seja, que tem um tempo de vida infinito (embora hajam modelos não testados que prevejam o decaimento do protão, mas com tempos de vida ainda assim gigantescos, claro, já que nunca se observou o decaimento de um protão). (Relembro que por “decaimento” refiro-me a um processo pelo qual uma partícula se transforma noutras relativamente mais estáveis que a inicial.)
Cada família tem dois quarks e dois leptões. A principal diferença entre estes dois tipos de partículas é que os quarks estão sujeitos à força forte, enquanto que os leptões não, por outro lado, os leptões são sempre muito mais leves que os quarks.
Como é fácil de fazer as contas: 2 quarks por família, 3 famílias, logo 6 quarks. São eles o “top”, “bottom”, “charm”, “strange”, “up” e “down”. Os dois últimos (up e down) são da primeira família e são os constituintes do protão e do neutrão. O up tem carga 2/3 e o down tem carga -1/3, pelo que um protão tem dois up’s e um down, enquanto que o neutrão tem dois down’s e um up, de tal modo que somando a carga dos quarks se obtém a carga ‘1’ para o protão e a carga 0 para o neutrão. Estes valores de carga estão normalizados tendo em conta a carga de um electrão. Por outras palavras, sendo a carga eléctrica dada em unidades de Coulomb (tal como a massa é dada em gramas,32), os valores que referi em cima têm que ser multiplicados pelo valor da carga do electrão para determinarem o valor da carga dos quarks.
Os leptões são o electrão, o muão e a partícula tau (todos eles com carga eléctrica negativa). A cada um destes corresponde um neutrino: neutrino electrão, muão neutrino e neutrino tau. Os neutrinos têm a particularidade de ter carga eléctrica nula e massa muito reduzida (chegou-se a pensar que poderia ser nula,32), ou seja, quase não têm interacção com as outras partículas, pois reparem: são leptões logo não interagem com a força forte, não têm carga logo não interagem electromagneticamente, e têm uma massa muito reduzida, pelo que interagem muito fracamente através da força gravítica. Resta a força fraca, que como o nome indica, é fraca. Ainda assim, a existência de neutrinos já foi detectada. Como foi possível? Porque o que não faltam no nosso universo são neutrinos (pelo que, sendo o método de detecção dependente da interacção destes, só existindo mesmo muitos neutrinos é que seríamos capazes de “apanhar” alguns).
Aqui fica uma tabela resumo:

 

 

A história acaba aqui? Não. Além destas 12 partículas, por questões de simetria foi necessário “inventar” outras 12 partículas: as correspondentes antipartículas – a cada partícula que referi anteriormente, corresponde uma anti. Estas antipartículas têm igual massa, spin (pois continuam a ser fermiões, ainda que se denominem anti-fermiões) e paridade (algo relacionado com funções de onda e portanto com probabilidades, que aparecem na Mecânica Quântica) que as respectivas partículas. O que as distingue é a carga eléctrica (que é simétrica) e outras propriedades quânticas que não irei aqui referir. Do encontro de uma partícula com a sua antipartícula resulta a única reacção conhecida na natureza que tem rendimento energético de 100%: ambas se aniquilam, dando origem apenas a energia.
Além destas 24 partículas fermiónicas, falta referir as partículas bosónicas: o fotão, já referido na parte 1, é o mediador da força electromagnética. Para a força forte temos o gluão que é o responsável pela união de quarks que dão origem a hadrões, como é o caso do protão ou do neutrão. Para a força fraca temos o bosão W e o bosão Z (“W” de “weak” e “Z” por ter carga nula,32), descobertos em 1983 no CERN, o que consistiu um dos maiores sucessos do Modelo Padrão. Porquê duas e não uma só? Está relacionado com as propriedades desta força, mas que não vou aqui explicar. E por fim, teríamos o gravitão, mas esse ainda não foi descoberto.
Estou a chegar ao fim, e vocês perguntam: e onde anda a “estrela da companhia”? A aclamada “partícula de Deus”? O bosão de Higgs parece ter sido finalmente descoberta no LHC – digo parece, porque as propriedades mais importantes parecem bater certo com a teoria (como o valor da energia previsto,32), contudo ainda falta verificar algumas propriedades para se ter realmente a certeza de que se trata do bosão de Higgs e não de outro bosão qualquer desconhecido. Estes testes ainda irão demorar, porque para serem analisados exigem a obtenção de muitos mais dados experimentais (a obtenção do Higgs é um evento bastante raro; relembro que na mecânica quântica lida-se com probabilidades, neste caso a probabilidade de obter um bosão de Higgs é de 1 em 10 mil milhões de colisões). Pelo nome podem já deduzir que deve ser uma partícula mediadora de algo. Neste caso ela medeia um chamado campo de Higgs, com o qual é possível explicar o porquê de as partículas fundamentais que referi antes tenham a massa que apresentam (ou energia, se preferirem). De certo modo poderia parecer que é semelhante ao gravitão, tal não é verdade, porque o Higgs não tem alcance infinito como o gravitão terá que ter (além disso, o Higgs é um chamado “campo escalar” enquanto que o gravitão não o poderá ser). A descoberta desta partícula foi (é) extremamente importante para o Modelo Padrão, porque tratava-se de uma das previsões mais importantes do modelo, sendo central neste. A não existência do Higgs significaria que o modelo estava errado e por consequência a física de partículas dos últimos 40 anos tinha andado a orbitar em torno das ideias erradas. Tal seria muito estranho dado os bons resultados obtidos pelo modelo. De qualquer forma, como disse, o Modelo Padrão não é uma teoria completa, pelo que os intentos de explicar toda a natureza numa só teoria ainda estão longe de se realizar. Além do gravitão, existem outros desafios a ter em consideração, em particular a matéria negra e a energia negra. A matéria que conhecemos (que está descrita no Modelo Padrão) constitui apenas cerca de 5% do universo! A matéria negra constitui 27% e a energia negra 68%. Em suma, temos um conhecimento incompleto sobre apenas 5% do universo!

 

 

"Muitas coisas são invisíveis, mas nós não sabemos quantas porque não as podemos ver."

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