Viagem rumo ao (ainda misterioso) centro da matéria

Há pouco mais de 100 anos, o físico neozelandês Ernest Rutherford (1871-1937) realizou uma experiência que nos levou à ideia que se tem atualmente do átomo. Esse experimento mostrou – de forma inesperada – que o átomo era formado por um núcleo contendo cargas elétricas positivas e que, orbitando em torno deste último, havia elétrons, partículas negativas descobertas cerca de 15 anos antes.

Até hoje, essa imagem do átomo é bastante comum: é usada em propagandas, desenhos animados e filmes, e, se procurarmos na internet pela expressão ‘imagens do átomo’, iremos encontrar uma enorme coleção de figuras com um núcleo – caracterizado por um amontoado de cargas positivas (prótons) – e um monte de ‘bolinhas’ (elétrons) girando em volta desse ‘caroço central’, onde está cerca de 99,9% da massa do átomo!

Para termos uma ideia (ainda que grosseira) das proporções de um átomo, podemos considerar o elemento químico hidrogênio, cujo núcleo é formado por um próton, orbitado por um elétron.  Se o primeiro tivesse o tamanho de uma bola de futebol posicionada no centro do gramado do estádio do Maracanã, o elétron seria, então, uma bolinha do tamanho de uma cabeça de alfinete cuja órbita teria um raio que chegaria às arquibancadas superiores.

Certamente, os físicos poderiam até reclamar dessa visão pouco fiel do átomo, mas ela nos permite perceber as diferenças nas dimensões entre o tamanho do átomo e do núcleo. O primeiro tem cerca de 10-10m (um décimo de um bilionésimo de metro), enquanto o núcleo é aproximadamente 100 mil vezes menor: da ordem de 10-15m. Portanto, é obvio que estamos falando de coisas muito pequenas.

 

Origem das massas 

Outro aspecto a ser lembrado é que os átomos são neutros – isso se dá pelo fato de eles terem um número idêntico de elétrons e prótons – e alguns são muito ‘pesados’. Por exemplo, o núcleo de chumbo tem 82 prótons! Essa grande quantidade de constituintes nucleares se torna um problema: como tantas dessas partículas, com a mesma carga elétrica (positiva), podem ficar tão juntas, já que teriam que se repelir? Mais: isso se dá em um espaço da ordem de 10-15m!

A força elétrica de repulsão entre os prótons de um núcleo com muitas dessas partículas é enorme – principalmente, pelo fato de elas estarem muito próximas

A força elétrica de repulsão entre os prótons de um núcleo com muitas dessas partículas é enorme – principalmente, pelo fato de elas estarem muito próximas. Portanto, prótons só podem ficar juntos se existir uma força de atração mais intensa que a elétrica.  Essa é a chamada de força nuclear, que é pelo menos 100 vezes mais forte que a força elétrica.

Em 1932, o físico britânico James Chadwick (1891-1974) descobriu novas partículas neutras – pouco depois, denominadas nêutrons – que coexistem com os prótons no núcleo atômico. Desde então, foram feitas experiências com diferentes núcleos atômicos e se verificou que prótons e nêutrons sentem a força nuclear com a mesma intensidade. Essa é uma propriedade muito importante da força nuclear, pois ela nos ensina que só podemos diferenciar um nêutron de um próton por meio de uma força 100 vezes mais fraca, a força eletromagnética. Por exemplo, um modo de fazer isso é atirando um elétron contra esses dois constituintes nucleares e verificando se ele sofreu um desvio em sua trajetória. Se isso ocorria, então, tratava-se de um próton; caso contrário, era um nêutron.

Cada elemento químico se diferencia de outro pelo número de prótons que tem no núcleo.  No entanto, um mesmo elemento químico pode ter uma quantidade diferente de nêutrons. Por exemplo, um átomo de hidrogênio pode ter, além do próton, um nêutron em seu núcleo – nesse caso, esse tipo de hidrogênio é denominado deutério. Ou pode ter o núcleo formado por um próton e dois nêutrons – nesse caso, ele é chamado trítio. Tanto o deutério quanto o trítio são ditos isótopos do hidrogênio, e um mesmo elemento químico pode ter vários isótopos.

Observando-se diferentes núcleos, foi possível determinar a massa do próton e do nêutron.  A massa de ambos é aproximadamente 1,9 mil vezes a massa do elétron.  Isso significa que toda a matéria visível do universo – aquela que é vista em estrelas, planetas e no gás interestelar – deve-se à massa desses dois constituintes nucleares.

Portanto, para entender a origem de toda a massa que observamos no universo – o que inclui nós e outros animais, bem como plantas e minerais –, precisamos entender a origem da massa dessas duas partículas.

Vale lembrar que conhecemos apenas cerca de 5% da massa do universo – a parte visível dele. O restante da massa é composto por aquilo que os astrofísicos denominam energia escura (algo em torno de 70%) e matéria escura (aproximadamente 25%), ambas ainda de natureza misteriosa.

 

Geleia nuclear

O núcleo atômico pode ser considerado uma ‘geleia’ formada por prótons e nêutrons.  Na verdade, os físicos descrevem o núcleo por meio de um modelo chamado ‘gota líquida’, no qual essa geleia fica balançando ou oscilando segundo o número de prótons e nêutrons presentes no núcleo. Se o número de prótons for pequeno, a condição de estabilidade do núcleo é a seguinte: o número de nêutrons não ser muito diferente do número de prótons. Nesse caso, a ‘geleia’ (ou ‘gota líquida’) oscila devagar, e o núcleo é estável.

Núcleos atômicos ‘grandes’ ficam estáveis se tiverem um número de nêutrons um pouco maior que o de prótons

No entanto, núcleos atômicos ‘grandes’ ficam estáveis se tiverem um número de nêutrons um pouco maior que o de prótons. Isso compensa levemente a repulsão elétrica no interior do núcleo, pelo fato de termos muitos prótons. Mas, quando o número de prótons e nêutrons está longe da condição de estabilidade, a ‘geleia’ começa a oscilar loucamente, e o núcleo pode se desintegrar, emitindo (ou ‘cuspindo’) alguma partícula, para atingir uma situação de maior equilíbrio. O estudo dessas propriedades do núcleo faz parte do que se chama física nuclear.

Experiências com o núcleo atômico foram muito além daquela realizada por Rutherford. Passou-se a atirar elétrons de altíssima energia contra alvos ricos em prótons e nêutrons.  Para as os outros quatro quarks são produzidos em condições especiais – colisão de partículas em aceleradores, por exemplo – e vivem, em média, frações de segundo partículas elementares, como o elétron, existe uma relação entre energia e o ‘tamanho’ da partícula, conforme previsto pela chamada mecânica quântica (teoria que lida com os fenômenos no domínio atômico e subatômico). 

Essa relação é a seguinte: quanto maior a energia que imprimimos a uma partícula elementar, menor é a região com a qual ela interage ao colidir contra um alvo (elétron, próton, núcleo etc.). Em termos práticos, isso significa que elétrons altamente energéticos podem ‘enxergar’ os prótons e nêutrons muito detalhadamente.

No final da década de 1960 e início da seguinte, realizou-se uma série de experiências nas quais elétrons de muito alta energia colidiram contra prótons e nêutrons. Os elétrons pareciam interagir com partículas que estavam no interior desses constituintes nucleares. Os resultados levaram a uma conclusão surpreendente: prótons e nêutrons não eram fundamentais! Ou seja, eram formados por partículas menores, inicialmente chamadas ‘pártons’. Essa descoberta deu o Nobel de Física de 1990 aos físicos norte-americanos Jerome Friedman, Henry Kendall (1926-1999) e ao canadense Richard Taylor.

Na década de 1960, além do próton e do nêutron, já existiam tantas partículas que ‘sentiam’ a tal força forte nuclear que o físico norte-americano Murray Gell-Mann, ganhador do Nobel de Física de 1969, propôs que aquele extenso ‘cardápio subatômico’ fosse composto por constituintes menores, para os quais ele deu o nome ‘quarks’.

Na década seguinte, ficou claro que pártons e quarks eram os mesmos indivíduos.  E, pouco depois, ficou claro que os quarks não eram os únicos pártons: havia também os ‘glúons’ (do inglês glue, cola). São os glúons que mantêm os quarks ‘colados’ para que estes formem o próton, o nêutron e todas as outras partículas que ‘sentem’ a força forte.

 

Liberdade e confinamento

Nos últimos 40 anos, tem sido feito um esforço enorme para se entender a força forte entre quarks e glúons. Por exemplo, descobriu-se que o próton é formado por dois quarks do tipo up e um do tipo down, cujas cargas são, respectivamente, 2/3 e -1/3 da carga do elétron – somadas (2/3 + 2/3 – 1/3), elas dão + 1, que é a carga elétrica do próton. O nêutron é formado de dois quarks down e um up – daí sua carga elétrica total (- 1/3 – 1/3 + 2/3) ser zero.

Outra descoberta importante sobre os quarks e a força forte: nunca se observou uma dessas partículas isoladamente, e se verificou que a força entre elas aumenta com a distância – como se os quarks estivessem presos por uma mola.

Quando esticamos essa mola ao extremo, tentando separar um quark de outro, temos que aplicar tanta energia que a mola acaba se rompendo, e essa energia é usada para criar um novo par de quarks, os quais, imediatamente, combinam-se com aqueles que já existiam, de forma que sempre veremos essas partículas formando ‘trios’ – como no próton e nêutron – ou, então, uma dupla quark-antiquark, ou seja, partícula-antipartícula – esta última caracterizada por ter basicamente as mesmas propriedades de uma partícula, mas o sinal trocado.

Partículas formadas por três quarks são denominadas bárions. Por sua vez, mésons são aquelas constituídas por parquark-antiquark. Há também as formações ‘exóticas’ ainda não bem entendidas, como os tetraquarks e os pentaquarks.

Essa propriedade – isto é, nunca se ver um quark livre – é chamada confinamento. Entender de forma rigorosa por que isso ocorre é ainda um problema em aberto na física atual.

Outro marco da pesquisa nessa área foi a descoberta de que os quarks, além das cargas e massas, tinham uma propriedade única, não presente nas demais partículas: a chamada cor. Na verdade, não é cor como a entendemos, mas, sim, uma característica que diz que cada quark pode existir em três formas diferentes.

São, ao todo, três cores e três anticores.  Como cada glúon carrega uma cor e uma anticor, deveriam, portanto, existir nove glúons (32 = 9). Mas o fato é que um deles é ‘branco’ e, por não carregar cor, é excluído. Por sua vez, os quarks mudam de cor ao trocarem glúons.

Como dissemos, quarks (e antiquarks) têm cores (e anticores), mas as partículas formadas por eles devem ser necessariamente ‘brancas’, para obedecer às regras da mecânica quântica. Por exemplo, um próton tem um quark de cada cor, enquanto um méson é sempre formado por um par de quarks com cor e anticor.

A ‘cor’ não é mais do que um ‘número quântico’ ou uma propriedade intrínseca da partícula, assim como a cor de nossos olhos ou de nosso cabelo. A teoria que descreve a interação forte é uma teoria do mundo microscópico, o qual segue leis da mecânica quântica. Essa teoria é chamada cromodinâmica quântica (ou mecânica quântica das cores), e é conhecida usualmente pelos físicos como QCD (siglas deseu nome em inglês).

 

Altas e baixas energias 

Os experimentos de colisões entre elétrons e prótons trouxeram mais surpresas: a interação forte (ou QCD) ficava fraca conforme se aumentava a energia!  A explicação teórica dessa propriedade garantiu o Nobel de 2004 para três físicos norte-americanos, David Gross, David Politzer e Frank Wilczek.

Quando a interação fica mais fraca, os físicos têm um método que permite calcular o resultado de colisões. Esse método chama-se teoria de perturbação, que nada mais é do que fazer uma pequena correção em cima de um resultado conhecido, sendo que esse ajuste é proporcional à intensidade da força.

Essa teoria possibilitou prever com precisão os resultados de experimentos nos quais partículas que interagem por meio da força forte colidiam com altíssimas energias.  Por sinal, quando falamos em altas energias, falamos em energias muito maiores do que as que conhecemos no dia a dia e que só são criadas em grandes aceleradores ou que ocorreram no início do universo – porém, no caso, confinadas a regiões extremamente pequenas do espaço, da ordem do domínio subatômico.

No entanto, em baixas energias, a QCD ainda é uma teoria pouco conhecida.  E, mesmo quando consideramos colisões de altas energias em aceleradores, temos que nos lembrar de que, depois de uma colisão inicial, a energia é distribuída entre várias partículas criadas nesses choques. Desse modo, voltamos ao mundo das baixas energias, para o qual, como foi dito, não temos bons métodos de previsão dos resultados experimentais que envolvem a força forte.

Para tratar da interação forte (ou QCD) de quarks e glúons a baixas energias, temos alguns métodos aproximados e modelos matemáticos. Esses métodos nos permitem determinar algumas propriedades dos quarks e glúons. Uma delas é que os quarks do tipo up e down têm uma massa que não é maior do que 10 vezes a massa do elétron.

Isso nos leva a um problema enorme: como explicar a massa do próton e do nêutron da ordem de 1,9 mil vezes a massa do elétron, se a soma das massas que compõem essas partículas não é maior do que 30 vezes a massa do elétron?

O problema acima se complica quando consideramos resultados teóricos que indicam que o glúon a baixas energias se comporta de forma diferente do que em altas energias.  Em altas energias, o glúon age como uma partícula sem massa. Porém, em baixas energias, ele parece ser bem ‘gordinho’ e, além disso, não ter algo que se poderia definir exatamente como massa, mas, sim, como uma propriedade que indica que ele não se propaga (ou ‘anda’) tão rápido como se pensava. Infelizmente, esse comportamento complica ainda mais o entendimento da massa dos quarks e, consequentemente, daquela do próton, pois o cálculo desta última depende de como o glúon se propaga.

Entender a origem da massa do próton e do nêutron – ou como essas massas dependem da massa dos quarks (e talvez dos glúons), de forma a entender os valores observados experimentalmente – é um problema fundamental da física – e, em particular, da QCD –, pois, se não entendemos a origem da massa do próton, também não entendemos a origem da massa visível do universo.

 

Sugestões para leitura

FRITZCH. H. Quarks and the nature of the universe.  New York: Basic Books, 1989.

CLOSE, F. A cebola cósmica – os quarks e a natureza do universo. Lisboa: Edições 70, 1987.

ROSENFELD, R. Feynman & Gell-Mann: Luz, Quarks, Ação. São Paulo, Editora Odysseus.

WEINBERG, S. The discovery of subatomic particles. New York: Scientific American Library, 1983.

Na internet

Pôster sobre o núcleo (em inglês).

 

Adriano Natale
Instituto de Física Teórica
Universidade Estadual Paulista (SP)

 

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