PRESIDENTE DA REPÚBLICALuiz Inácio Lula da Silva

MINISTRO DE ESTADO DA CIÊNCIA E TECNOLOGIAEduardo Campos

SUBSECRETÁRIO DE COORDENAÇÃO DAS UNIDADES DE PESQUISAAvílio Antônio Franco

DIRETOR DO CBPFRicardo Magnus Osório Galvão

EDITORES CIENTÍFICOSJoão dos Anjos (Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas/MCT)Adriano Antônio Natale (Instituto de Física Teórica/Universidade Estadual Paulista)

APOIO FINANCEIROVitae

REDAÇÃO E EDIÇÃOCássio Leite Vieira

PROJETO GRÁFICO, DIAGRAMAÇÃO, INFOGRÁFICOS E TRATAMENTO DE IMAGEMAmpersand Comunicação Gráfica(www.amperdesign.com.br)

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Vitae não compartilha necessariamente dos conceitos e opiniões expressos neste trabalho, quesão da exclusiva responsabilidade dos autores.

A. A NATALE e C. L. VIEIRA (eds). Universo Sem Mistério – Umavisão descomplicada da física contemporânea: do Big Bang àspartículas (Vieira & Lent, Rio de Janeiro, 2003).

A. PAIS. Inward Bound. (Oxford University Press, Oxford, 1986)

F. CLOSE, M. MARTEN e C. SUTTON. The Particle Explosion(Oxford University Press, Oxford, 1987)

J. GRIBBIN. Q is for Quantum (Weidenfeld & Nicolson, Londres,1998)

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Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas

2005

Font

es

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W. E. LAMB, JR. ‘Fine Structure of Hydrogen Atom’. Palestrafeita em 12 de dezembro de 1955 pelo recebimento do Nobelde física daquele ano. Disponível em nobelprize.org

Sum

árioU

ma das características do homem é sua constante curiosidade

sobre tudo o que nos cerca. Desde as cavernas, tentamos enten-

der a natureza e a razão de nossa própria existência através de

perguntas aparentemente simples – por quê, como, para quê, etc. –, mas extre-

mamente penetrantes.

Um dos primeiros questionamentos foi ‘De que as coisas são feitas?’ A res-

posta tem evoluído ao longo do tempo, segundo nossos conhecimentos acumula-

dos e passados de geração em geração.

Aqui, apresentamos nosso entendimento atual sobre os blocos constituintes

da matéria e as forças que regem os fenômenos da natureza. Será uma visão defini-

tiva? Certamente, não. A cada dia, temos algo novo a acrescentar a esse quadro.

Quem sabe, você, leitor, não nos ajudará a encontrar o lugar de uma peça neste

imenso quebra-cabeça que é a natureza?

Com este folder, damos prosseguimento às atividades de divulgação científica

realizadas pelo CBPF. Esta série destina-se ao público não especializado, que encon-

trará aqui uma introdução às partículas elementares, bem como referências para

leituras mais aprofundadas sobre essa área fascinante e atual.

Mais uma vez, esperamos que esta iniciativa sirva para despertar vocações

em jovens estudantes, mostrando a eles que este é um campo promissor e sempre

à espera de novos talentos.

João dos Anjos

COORDENADOR DO PROJETO DESAFIOS DA FÍSICA

A NATUREZA DAS COISASTerra, fogo, água e arO não divisível

FRAGMENTANDO O INDIVISÍVELAtomismoMisteriosa radiação

VIAGEM AO CENTRO DO ÁTOMOGrande vazioRetrato do átomo quando jovem

CRISE E ANTIMATÉRIAO sagrado e a heresiaSenhoras e Senhores Radioativos...A antimatéria

OS MÉSONS EM CENAForça forteQuem encomendou isso?Finalmente, o píon

UM ZÔO SUBATÔMICOPartículas estranhasMulta de 10 mil

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PartículasElementares

A (des)construçãoda matéria pelo homem

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VOLTA À SIMPLICIDADESimples e eleganteSempre confinadosAceitação de um modelo

MODELO PADRÃOListagem completaPrecisão e sensibilidadeUnificando fenômenosAs quatro forçasBreve cenário brasileiro

O FUTUROOs limites do modeloO que falta descobrirVolta às origens

O FUTUROOS LIMITES DO MODELO • Até hoje, o modelo padrão– teoria na qual estão reunidas as forças eletromagnéti-ca, fraca e forte – passou com louvor nos testes a que foisubmetido. Porém, ele tem limitações. Não indica, porexemplo, por que há três famílias (ou gerações) deléptons e quarks. Nem é capaz de explicar por que al-guns léptons e quarks são tão mais pesados que seuscompanheiros. Experimentos recentes mostraram queos neutrinos têm massa, e isso cria para o modelo difi-culdades que os físicos tentam agora driblar. Há muitaexpectativa em relação à detecção do chamado bósonde Higgs, uma partícula que seria a responsável pelageração das massas de todas as partículas, o que re-solveria parte das limitações do modelo. Espera-se queisso ocorra com os experimentos no acelerador LHC (si-gla, em inglês, para Grande Colisor de Hádrons), quepromete entrar em funcionamento em 2007 no CERN.

O QUE FALTA DESCOBRIR • Um século depois de afísica incorrer no escândalo filológico de fraturar o áto-mo – na síntese perspicaz atribuída ao escritor argen-tino Jorge Luis Borges (1899-1986) –, unificar as qua-tro forças é ainda um sonho. O melhor candidato paraisso é a chamada teoria de supercordas, que trata aspartículas elementares não como pontos sem dimen-são, mas sim como diminutas cordas. Cada modo devibração dessas entidades representaria uma partícu-la elementar, assim como cada freqüência de vibraçãode uma corda de violino está associada a uma notamusical. O problema é que a teoria de supercordasprevê não só um novo zoológico subatômico, as cha-madas S-partículas, mas também dimensões espaci-ais extras, além das três conhecidas (altura, largura ecomprimento). Se uma S-partícula for detectada nascolisões de altíssimas energias do LHC, uma nova re-volução estará batendo à porta da física. Será umaevidência de que os físicos descobriram a trilha – ain-da estreita e escura – rumo à unificação final. Acredita-se que o LHC também poderá testar se os quarks con-têm subestruturas.

VOLTA ÀS ORIGENS • Talvez, 25 séculos depois dosprimeiros questionamentos sobre a estrutura básicada matéria, os físicos cheguem a uma resposta defini-tiva. Ou, talvez, fenômenos e partículas inéditos surjamnas novas gerações de aceleradores. E aí uma nova erana física irá começar, forçando o homem novamente ase perguntar: “De que são feitas as coisas?”.

VOLTA À SIMPLICIDADESIMPLES E ELEGANTE • Para dar alguma ordem eexplicar as propriedades das partículas recém-des-cobertas, os físicos norte-americanos Murray Gell-Mann e George Zweig propuseram uma nova famí-lia de partículas subnucleares: os quarks. Inicial-mente, ela conteria três membros: o up, o down eo strange. Segundo esse novo modelo, os mésonsseriam formados por um par de quarks – na ver-dade, um quark e um antiquark –, e os bárions(prótons e nêutrons, por exemplo) conteriam umtrio de quarks. Diferentes combinações dessesquarks podiam explicar todos os mésons e bárionsconhecidos. E o que manteria os quarks li-gados para formar mésons e bárions?Entram em cena os glúons – o nome vemde glue, do inglês cola. Quarks perma-necem ligados pela transferência mútua

UM ZÔO SUBATÔMICOPARTÍCULAS ESTRANHAS • Não bastasse o múonser tratado como persona non grata no clube daspartículas elementares, vieram outras surpresasinexplicáveis: começaram a ser detectadas partí-culas que se formavam em pares e que ‘viviam’muito mais tempo que o previsto. As ‘partículasestranhas’ – mais tarde, reconhecidas como mésonsK (ou káons) – eram apenas o prenúncio de umatorrente inesperada de novidades.

MULTA DE 10 MIL • A partir da década da 1950,

OS MÉSONS EM CENAFORÇA FORTE • Uma pergunta – aparentementesimples – ainda intrigava os físicos: o que mantémo núcleo coeso? Prótons, sendo positivos, deveriamse repelir, e nêutrons não sentem a força eletromag-nética. No início da década de 1920, já se desconfi-ava que uma força atrativa, muito intensa, deveriaimpedir a desintegração (desmantelamento) donúcleo. Em 1935, o físico japonês Hideki Yukawa(1907-1981) lançou uma idéia ousada: se a intera-ção eletromagnética se dá pela troca de fótons en-tre as partículas com carga elétrica, por que algosemelhante não poderia ocorrer entre prótons enêutrons? Surgia assim o méson – em grego, ‘mé-dio’ –, pois sua massa estaria entre a do próton e ado elétron.

QUEM ENCOMENDOU ISSO? • Dois anos depois,foi detectada uma partícula com as característicasdo méson de Yukawa. Mas, em 1945, mostrou-seque ela praticamente não interagia com o núcleoatômico. Estranho, pois, caso ela fosse a responsá-vel pela força forte, ela deveria, ao atravessar amatéria, ser ‘sugada’ com voracidade por prótons

CRISE E ANTIMATÉRIAO SAGRADO E A HERESIA • Pouco antes da des-coberta do nêutron, uma crise entrou em cena. Mo-tivo: o decaimento beta, processo em que um nêu-tron se transforma num próton e ‘cospe’ um elé-tron do núcleo. Mas algo intrigava os físicos. Ascontas do balanço energético dessa forma de ra-dioatividade não fechavam. Faltava um resquício– desprezível, é verdade – de energia que não eraobservado nos experimentos. Para explicar essadiferença, o físico dinamarquês Niels Bohr (1885-1962) chegou a propor uma heresia: a conserva-ção de energia – popularmente conhecida como‘nada se cria, tudo se transforma’, um princípiosagrado para os físicos – não valeria para essefenômeno. Era um ato de desespero.

A NATUREZA DAS COISASTERRA, FOGO, ÁGUA E AR • De que são feitas ascoisas? Várias civilizações, em diferentes épocas,deram respostas para essa pergunta. Para o filósofo

grego Empédocles (c. 490-430 a.C.), porexemplo, haveria quatro elementos eter-nos (terra, fogo, água e ar) e duas forçasfundamentais: uma atrativa (o amor) eoutra repulsiva (o ódio). Para os antigoschineses e indianos, madeira, metal e es-paço também seriam constituintes bási-cos da matéria.

O NÃO DIVISÍVEL • Por volta do século5 a.C, os filósofos gregos Leucipo(c.480-420 a.C.) e Demócrito (c.460-c.370 a.C.) propuseram que a matériaera formada por corpúsculos diminutos,invisíveis, dotados de movimento ve-loz. Essas entidades foram denomina-

das átomos, cujo significado é ‘não’ (a) ‘divisível’(tomo). As idéias da escola atomista sobreviveramno poema De Rerum Natura (Sobre a natureza dascoisas), do romano Lucrécio (c. 99-55 a.C.).

MODELO PADRÃOLISTAGEM COMPLETA • Em meados da década de1970, os físicos já tinham uma listagem completadas partículas elementares da natureza, mesmo quemuitas ainda estivessem por ser detectadas, poisprecisavam ser criadas em colisões que reprodu-zissem os níveis de energia dos momentos iniciaisdo universo. Esse esquema teórico ganhou o nomemodelo padrão de partículas e interações (ou for-ças) fundamentais. A tabela ao lado mostra o atualquadro de partículas elementares.

PRECISÃO E SENSIBILIDADE • À medida que osaceleradores foram aumentando seu poder de ace-lerar partículas – bem como a precisão e a sensibili-dade de detectores gigantes foram aprimoradas –,começaram a surgir os integrantes previstos pelomodelo padrão. Por exemplo: o quark charm (1974);o tau (1975), um primo mais pesado do elétron e domúon; o bottom (1977); os glúons (1979); as partícu-las W+, W- e Z0 (1983), ‘carregadoras’ da força fracanuclear. E, finalmente, em 1995, o ‘último dos moica-nos’: o quark top. Uma lista das principais partícu-las conhecidas hoje pela física pode ser encontradaem www.cbpf.br/Publicações.

UNIFICANDO FENÔMENOS • A história da física po-de ser contada pelo viés da unificação dos fenôme-nos. No século 17, Newton mostrou que a gravidadeterrestre e a cósmica eram uma só. No século seguin-te, o inglês Michael Faraday (1791-1867) uniu a ele-tricidade ao magnetismo. O eletromagnetismo, porsua vez, foi unificado com a óptica nas equações doescocês James Maxwell (1831-1879). Na área de partí-culas elementares, os norte-americanos Steven Wein-berg, Sheldon Glashow e o paquistanês Abdus Salam

SENHORAS E SENHORES RADIOATIVOS... •Em 1930, uma carta do físico austríaco WolfgangPauli (1900-1958) começava com ‘Senhoras e Se-nhores Radioativos’. Nela, ele se desculpava porsua ausência num congresso e propunha a solu-ção para o mistério: uma partícula sem carga, demassa possivelmente nula, responderia pela ener-gia que faltava. A aceitação do neutrino – como foibatizado pelo físico italiano Enrico Fermi (1901-1954), que a empregou para dar a primeira teoriasatisfatória do decaimento beta – foi surpreen-dente. Teóricos passaram a empregar essa par-tícula-fantasma com entusiasmo, mesmo que elasó tenha sido detectada em 1955.

A ANTIMATÉRIA • Em 1928, as equações nas quaiso físico inglês Paul Dirac (1902-1984) trabalhavarevelaram o inusitado: a existência de partículasde carga positiva com massa igual à do elétron.Era a primeira evidência de algo que os físicoshoje aceitam com naturalidade: a antimatéria. Esseelétron positivo – batizado pósitron – foi recebidocom desconfiança. Mas, em 1932, ele foi detecta-do pelo norte-americano Carl Anderson (1905-1991). Pouco depois, percebeu-se que todas aspartículas teriam sua correspondente antipartícula.Duas décadas depois, foram capturados oantipróton e o antinêutron. A antimatéria é parteda natureza, apesar de rara no universo atual.

e frenética dos glúons, os verdadeiros ‘carrega-dores’ da força forte nuclear.

SEMPRE CONFINADOS • Diferentemente das for-ças gravitacional e eletromagnética, a força forteentre os quarks aumenta conforme aumenta a dis-tância entre eles – pode-se imagi-nar que glúons agem como elásti-cos ligando os quarks. E isso temuma implicação: quarks não sãoobservados livres, vivendo, por-tanto, confinados dentro dosbárions e mésons.

ACEITAÇÃO DE UM MODELO •Mais uma peculiaridade dosquarks: eles têm cargas elétricas que são uma fra-ção da carga do elétron ou do próton (+2/3 ou –1/3), pois só assim é possível explicar a carga elétricados bárions e dos mésons. Por exemplo, um prótoné formado por dois quarks up (+2/3) e um down

(-1/3). A soma total das car-gas elétricas (2/3 + 2/3 - 1/3)é igual a 1. Por conta do con-finamento e das cargas fracio-nárias, o modelo dos quarks foirecebido com ceticismo. No final da década de1960, experimentos no acelerador de Stanford(Estados Unidos) – e conceitualmente simila-res ao experimento de Rutherford – deram for-tes evidências de que prótons e nêutrons con-tinham subestruturas. E o modelo de quarks –inicialmente encarado apenas como um artifí-cio matemático – forneceu uma boa interpre-tação desses resultados, trazendo de volta sim-plicidade e certa elegância ao mundo das par-tículas elementares. Curiosidade: Gell-Manntirou o nome quark de uma passagem – “Threequarks for Muster Mark” (Três quarks para oSenhor Mark) – do romance Finnegans Wake,do irlandês James Joyce (1882-1941).

tividade e na produção de energia nas estrelas;�a interação forte, cuja partícula intermediá-ria é o glúon, atua sobre uma propriedade quequarks e os próprios glúons têm – a chamadacarga de cor, uma analogia com a carga elétri-ca nas interações eletromagnéticas –, sendo res-ponsável por manter o núcleo atômico coeso e,em última instância, pela existência dos diferen-tes elementos da tabela periódica.

BREVE CENÁRIO BRASILEIRO • Desde a de-tecção do píon por Lattes em Bristol e Berkeley,o Brasil tem mantido uma longa tradição naárea de física de partículas. Nas últimas dé-cadas, o país vem participando dos principaisprojetos nos grandes aceleradores, como oFermilab (Estados Unidos) e o CERN (Suíça).Físicos brasileiros, além de terem propostoa existência de novas partículas, como o Z0,participaram de experimentos em que muitasdelas – por exemplo, o méson sigma e o quarktop – foram detectadas.

(1926-1996) propuseram, na década de 1960, de for-ma independente, a teoria eletrofraca, que unificavaas forças (ou interações) eletromagnética e fraca.

AS QUATRO FORÇAS • A seguir, está uma breve des-crição das quatro interações (ou forças) fundamen-tais da natureza, bem como exemplos de fenômenosregidos por cada uma delas:� a interação gravitacional, a qual se espera queocorra pela troca de grávitons – partícula ainda nãodetectada –, age em todos os corpos com massa (ouenergia), sendo responsável por atrair de volta à su-perfície um objeto lançado ao ar ou manter a Terragirando em torno do Sol;�a interação eletromagnética – cuja partícula inter-mediária é o fóton – atua nos corpos dotados de car-ga elétrica, estando por trás de fenômenos como oatrito e a formação de moléculas;�a interação fraca nuclear manifesta-se pela tro-ca de três partículas (W+, W- e Z0), agindo sobreléptons (partículas leves que não ‘sentem’ a intera-ção forte) e quarks e estando envolvida na radioa-

VIAGEM AO CENTRODO ÁTOMO

GRANDE VAZIO • Em 1909,o físico neozelandês ErnestRutherford (1871-1937) e doisauxiliares, o inglês ErnestMarsden (1889-1970) e o ale-mão Hans Geiger (1882-1945), bombar-dearam folhas de ouro finíssimas com partículasde carga positiva emitidas por uma fonte radioati-va. O resultado causou profunda estranheza. Par-te dessas partículas – denominadas radiação alfa– ricocheteavam bruscamente ao atingir a lâminado metal. Dois anos depois, Rutherford, em letrastrêmulas, descreveu sua conclusão: o átomo con-tinha um caroço maciço, de carga elétrica positiva,no qual estavam 99,99% de sua massa. “O átomoé um grande vazio”, resumiu Rutherford. Em 1919,ele associaria a carga positiva nuclear a uma novapartícula: o próton, cerca de 2 mil vezes mais pe-sado que o elétron.

RETRATO DO ÁTOMO QUANDO JOVEM • Um es-quema mais detalhado do núcleo atômico se com-pletaria em 1932, quando o físico inglês JamesChadwick (1891-1974) mostrou que o próton divi-dia a desprezível dimensão do núcleo – cujo diâ-metro é da ordem de 10-14 metro – com uma par-tícula sem carga elétrica. Era o nêutron, levementemais pesado que seu companheiro nuclear. O re-trato do átomo parecia apresentar seu contornofinal: um núcleo – formado por prótons e nêutrons– orbitado por elétrons. Além desses três, conhe-ciam-se os fótons, as partículas de luz, cuja com-provação experimental havia ocorrido em mea-dos da década de 1920. Porém, uma era nuclearcheia de surpresas estava por vir.

ou nêutrons. Sua identidade acabou revelada: erao múon, um primo mais pesado do elétron, o queacabou embaralhando todo o ‘menu’ de partículasda época. Com certa indignação e humor, o físicoaustríaco Isidor Rabi (1898-1988) resumiu o espan-to dos físicos: “Quem encomendou essa partícula?”

FINALMENTE, O PÍON • O méson de Yukawa –hoje, conhecido como méson pi (ou píon) – só foi de-tectado em 1947 na observação de raios cósmicos,por uma equipe da Universidade de Bristol (Ingla-terra), liderada pelo inglês Cecil Powell (1903-1969)e com participação determinante do físico brasilei-ro César Lattes (1924-2005). No ano seguinte, Lattese o norte-americano Eugene Gardner (1913-1950)detectaram píons produzidos artificialmente noacelerador de partículas da Universidade da Cali-fórnia, em Berkeley (Estados Unidos). Essa desco-berta mostrou que a produção e a detecção de par-tículas podiam ser feitas de modo maiscontrolado com o desenvolvimentode aceleradores mais potentese detectores maisprecisos.

com o advento dos grandes aceleradores, formou-seum verdadeiro zoológico de novas partículas. Cadauma ganhou uma letra grega. Eram tantas que, naspalavras de um físico, temeu-se que o alfabeto gre-go não fosse suficiente. Em 1955, o físico norte-ame-ricano Willis Lamb Jr. descreveu o espanto de seuscolegas: “[...] o descobridor de uma nova partículaelementar costumava ser agraciado com o prêmioNobel, mas agora deveria ser punido com uma multade $10 mil [dólares]”. Acima, vê-se como o cardápiode partículas se avolumou na época.

FRAGMENTANDOO INDIVISÍVEL

ATOMISMO • No século 17, o físi-co e matemático inglês Isaac Newton(1642 –1727) retomou a concepção deque a matéria – inclusive a luz – era formada decorpúsculos. Mas a idéia se popularizou a partirde 1802, quando o químico John Dalton (1766-1844),seu conterrâneo, formalizou que tudo era feito deátomos. No final do século 19, em parte por influ-ência desses dois cientistas, a realidade dos áto-mos se tornou um importante tema de debate,principalmente na Inglaterra.

MISTERIOSA RADIAÇÃO • Naquela época, as pes-quisas sobre a eletricidade despertavam grandeinteresse entre os físicos. Vários se dedicavam,por exemplo, a decifrar a natureza de uma miste-riosa radiação que brotava do pólo negativo(catodo) de ampolas de vidro em cujo interior ha-via gases rarefeitos – aperfeiçoados, esses equi-pamentos deram origem aos tubos de TV. Experi-mentos desse tipo levaram o físico inglês JosephThomson (1856-1940) à conclusão de que os raioscatódicos eram partículas subatômicas de carganegativa: os elétrons. O átomo havia sido frag-mentado. E, para Thomson, ele se assemelhava aum pudim cuja massa (positiva) era recheada deameixas (elétrons).

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