Do que são feitas as coisas? – Ciência Contemporânea – Parte 1 SUMÁRIO INTRODUÇÃO PARTÍCULAS – MODELO NUCLEAR AVALANCHE DE NOVAS PARTÍCULAS CONCLUSÃO

INTRODUÇÃO Não é de hoje que as pessoas  perguntam: "Do que o mundo é feito?" “Do que são feitas as coisas?” “O que as mantém unidas?" “Por que tantas coisas neste mundo compartilham as mesmas características?”  Este deveria ser o último dos três artigos. Entretanto, por ter-se tornado muito longo o dividimos em duas partes. Assim esta é a Parte 1 que apresentará , basicamente , a enxurrada de novas partículas elementares, descobertas graças ao desenvolvimento tecnológico dos detectores de partículas. Refere-se ao período que, arbitrariamente e só para fins didáticos, chamamos Ciência Contemporânea. Esse período tem início em 1928 com a constatação de Paul Dirac da primeira evidência da anti-matéria e finda no início deste século XXI.

Partículas – Modelo Nuclear Conforme foi apresentado no artigo anterior, o Modelo Nuclear de Rutherford/Bohr/Sommerfeld/Chadwick era assim constituído: um núcleo, formado por prótons e nêutrons; uma “eletrosfera” dividida em camadas ou níveis eletrônicos, e os elétrons nessas camadas, apresentando energia constante; e os elétrons girando em torno do núcleo em órbitas elípticas. Ou seja, as partículas elementares até então descobertas eram: elétrons prótons; e nêutrons. É sobre as características dessas partículas elementares que trataremos a seguir.

ELÉTRON Partícula Elementar Em física das partículas, Partícula Elementar é a partícula da qual outras são compostas. Por exemplo, átomos são compostos de partículas menores : elétrons; prótons; e nêutrons. A busca incessante da Ciência é encontrar as partículas, ou a partícula que constrói todas as outras. A partícula Fundamental. SPIN Número quântico associado, sem rigor, às possíveis orientações que partículas subatômicas carregadas e alguns núcleos atômicos podem apresentar , quando imersas em um campo magnético. Teorias e estudos experimentais têm mostrado que o spin, presente nessas partículas elementares, não pode ser explicado por postulações clássicas, onde partículas menores tendem a orbitar em volta de um centro de massa. O spin que essas partículas apresentam é uma propriedade física intrínseca, como a propriedade de carga elétrica e massa.

O elétron é uma partícula elementar O elétron é uma partícula elementar. Os elétrons são indestrutíveis, muito pequenos, imutáveis e eternos. Os atributos do elétron como massa, carga elétrica e spin são suficientes para caracterizá-lo. O elétron é uma das partículas mais leves dentre todas. Cerca de 2.000 vezes mais leve que o próton. O valor do spin do elétron é caracterizado pelo número ½. O número quântico de spin significa que o elétron pode existir em apenas dois tipos de estados distintos de spin. Algumas fontes de produção de elétrons são naturais, outras são artificiais. São fontes naturais: os raios cósmicos e o decaimento beta, que é o subproduto de uma desintegração radioativa. São fontes artificiais: os sólidos podem ao serem aquecidos ou bombardeados com íons. Por exemplo, numa válvula qualquer o cátodo emite elétrons ao ser aquecido;

os metais ao serem simplesmente aquecidos - Canhão de elétrons; os sólidos, ao serem incididos por radiação - Efeito fotoelétrico. PRÓTON Partícula "sub-atômica" que , junto com nêutron forma os núcleo s atômicos de todos os elementos. Convencionou-se que o próton tem carga eléctrica positiva. A massa real de um próton é de, aproximadamente, 1,673 · 10−27 kg, entretanto, atribui-se-lhe uma massa relativa de valor 1. É 2000 vezes mais pesado que o elétron. A carga elétrica real do próton é de, aproximadamente, 1,6 · 10−19 coulombs. Porém, do mesmo modo que à massa, atribuiu-se uma carga relativa de +1. NÊUTRON Partícula “sub-atômica” que forma em companhia com o Próton os núcleos atômicos de todos os elementos. Tem massa levemente superior ao Próton e não tem carga élétrica.

Avalanche de Novas Partículas Paul Dirac ANTI-MATÉRIA Em 1928, Paul Dirac (1902-1984), físico inglês enquanto trabalhava equações matemáticas, estas revelaram o inusitado: a existência de partículas de carga positiva com massa igual à do elétron. Esse elétron positivo – batizado pósitron – foi recebido com desconfiança. Era a primeira evidência de algo que os físicos hoje aceitam com naturalidade: a antimatéria. Carl D. Anderson Em 1932, Carl Anderson (1905- 1991) físico norte-americano detectou o pósitron . Pouco depois, percebeu-se que todas as partículas teriam sua correspondente antipartícula. Duas décadas depois, foram capturados o antipróton e o antinêutron. A antimatéria é parte da natureza, apesar de rara no universo atual.

DECAIMENTO BETA Decaimento é processo pelo qual: núcleos atômicos se transformam em núcleos menores e de outro elemento; ou partículas elementares transformam-se em outras partículas elementares. Essa segunda forma de decaimento é estranha, porque o produto final não é menor do que a partícula elementar inicial, mas sim partículas diferentes. Ao mesmo tempo em que se descobria o Nêutron , uma crise entrou em cena. Motivo: o decaimento beta, processo em que um nêutron radioativo expulsava um elétron e o núcleo virava o de outro elemento. Com a perda do elétron o nêutron transforma-se num próton.   Os balanços de massas e cargas fechavam, mas algo intrigava os físicos: As contas do balanço energético dessa forma de radioatividade não fechavam. Faltava um resquício – desprezível, é verdade – de energia que não era observado nos experimentos. Em 1930, uma carta do físico austríaco Wolfgang Pauli (1900-1958) propunha a solução para o mistério:

PARTÍCULA COLA INTRANUCLEAR uma partícula sem carga, de massa possivelmente nula, responderia pela energia que faltava. A aceitação dessa partícula sem carga e sem massa foi surpreendente . Mais tarde foi batizada como Neutrino pelo físico italiano Enrico Fermi (1901- 1954). Teóricos passaram a empregar essa partícula- fantasma com entusiasmo, mesmo que ela só viria ser detectada em 1956. PARTÍCULA COLA INTRANUCLEAR HIDEKI YUKAWA Em 1935, o físico japonês Hideki Yukawa (1907-1981) lançou uma idéia ousada, para responder à pergunta – aparentemente simples –que ainda intrigava os físicos: o que mantém o núcleo do átomo coeso? A idéia ousada de Hideki Yukawa: “se a interação eletromagnética se dá pela troca de fótons entre as partículas com carga elétrica, por que algo semelhante não poderia ocorrer entre prótons e nêutrons”? Surgia assim o Méson – em grego, ‘médio’ –, pois sua massa estaria entre a do próton e a do elétron. O Méson seria a força forte mantenedora da coesão do núcleo do átomo, cola intranuclear.

MÚON Em 1936 Carl D. Anderson , enquanto estudava a radiação cósmica, detectou a presença de partículas, que se curvavam, ao passar por um campo eletromagnético, de forma diferente aos elétrons e a outras partículas conhecidas. Partícula com as características do Méson de Yukawa. Mas, em 1945, mostrou-se que a partícula detectada por Carl, praticamente, não interagia com o núcleo atômico. Era o Múon. Partícula proveniente do Cosmo e que atinge normalmente a Terra e, portanto, atinge tudo que está nela. O Múon – é um “elétron pesado”, que interage fracamente com um próton com uma determinada reação. CESAR LATTES CECIL POWELL MÉSON PI (PÍON) Em 1947, Cecil Powell (1903-1969), físico inglês, sua equipe da Universidade de Bristol (Inglaterra) e com participação determinante do físico brasileiro César Lattes (1924-2005) detectaram na observação de raios cósmicos o Méson de Yukawa – hoje, conhecido como Méson pi (ou Píon) .

Em 1948, Lattes e o norte-americano Eugene Gardner (1913-1950) detectaram píons produzidos artificialmente no acelerador de partículas da Universidade da Califórnia, em Berkeley (USA) . Essa descoberta mostrou que a produção e a detecção de partículas podiam ser feitas de modo mais controlado com o desenvolvimento de aceleradores mais potentes e detectores mais precisos. Nessa mesma época começaram a ser detectadas partículas que se formavam em pares e que ‘viviam’ muito mais tempo que o previsto. As partículas estranhas são mésons K ou káons. Essas partículas estranhas correspondem a qualquer um subgrupo de mésons instável, que consistem em uma forma eletricamente carregada com uma massa 966 vezes maior do que um elétron e uma forma neutra, com uma massa 974 vezes maior do que um elétron, produzido como resultado de uma colisão de partículas de alta energia. Desde então já foi descoberta a existência de mais de 200 partículas elementares, separadas em partículas estáveis e instáveis.

partículas com massas muito pequenas; NEUTRINO Os neutrinos estão entre as partículas mais abundantes no Universo. Seu número é próximo do número de fótons. As estrelas emitem muitos neutrinos. O Sol, por exemplo, emite 1038 neutrinos por segundo. É um número astronômico. Além dessas fontes naturais , os Neutrinos são produzidos por uma variedade de interações, especialmente em decaimentos de partículas. CARACTERÍSTICAS DOS NEUTRINOS partículas com massas muito pequenas; partículas com carga elétrica nula mas, ainda assim, provavelmente, têm antipartículas; por não terem carga forte ou elétrica quase nunca interagem com quaisquer outras partículas. A maioria dos neutrinos passa direto através da terra sem ter sequer interagido com um único átomo; são partículas mutantes, vão continuamente mudando de um tipo para outro, enquanto viajam pelo espaço. Esse comportamento chama-se oscilação de neutrinos. É caso único entre todas as partículas elementares; e são de difícil detecção;

TIPOS DE NEUTRINOS Existem três tipos de neutrinos e três antipartículas correspondentes. Isso é possível, teoricamente, pois existe a possibilidade de que o neutrino seja sua própria antipartícula. WOLFGANG PAULI Em 1931, Wolfgang Pauli (1900-1958 ), físico austríaco, propôs a existência do neutrino do elétron. CLYDE COWAN FREDERICK REINES Em 1956, os físicos norte-americanos Frederick Reines (1918-1998) e Clyde Cowan (1919-1974) , a partir da hipótese de Pauli, observaram o primeiro neutrino, o neutrino do elétron. Por isso Reines recebeu o prêmio Nobel de Física, em 1995.

BÓSON DE HIGGS Desde 1950, com o advento dos grandes aceleradores, teve início a descoberta de muitas outras novas partículas. Cada uma ganhou uma letra grega. Eram tantas que, nas palavras de um físico, temeu-se que o alfabeto grego não fosse suficiente. PETER HIGGS Em 1964, o físico inglês Peter Higgs (1929 - ) a partir das idéias de outro pesquisador, Philip Anderson, anunciou pela primeira vez “O Bóson de Higgs” . Partícula elementar escalar maciça hipotética anunciada antecipadamente, cuja comprovação empírica ainda não foi possível. Era o elemento que os cientistas carecem para justificar a composição material do Universo; é esta chave que os pesquisadores anseiam por encontrar. O bóson de Higgs seria o responsável por dar massa a outras partículas. Representa a chave para explicar a origem da massa das outras partículas elementares.

O TAU tem massa 4000 vezes maior do que a do próton. Embora extremamente maciços, os bósons de Higgs são difíceis de detectar, porque só existiriam ”virtualmente”. Emergiriam no mundo e submergiriam após brevíssimos instantes, tempo curto demais para seu registro. Para ver um bóson de Higgs, os físicos têm de produzir um, espatifando partículas umas contra as outras a velocidades extremas. A energia da colisão se converte em matéria e, se a energia for alta o suficiente, um bóson de Higgs de verdade pode irromper. Em seguida, prediz a teoria, desfaz-se (“decai”, como dizem os físicos em seu jargão) numa coleção de outras partículas. TAU MARTIN PERL Em 1976 Martin Perl (1927 - ) físico estadunidense descobre o TAU (τ) no SLAC - Stanford Linear Accelerator Center.  O TAU tem massa 4000 vezes maior do que a do próton. Os TAUS são por demais efêmeros. Seu tempo de vida é um bilhão de vezes menor do que a vida média do Múon.

LEON LEDERMAN JACK STEINBERGER MELVIN SCHWARTZ Em 1962, os físicos norte-americanos Leon Lederman (1922-1979), Melvin Schwartz (1932 – 2006) e Jack Steinberger ( 1921 - )descobriram o neutrino do múon utilizando o laboratório de Brookhaven, em Nova Iorque. Em 2000, uma equipe conhecida por Donut (sigla, em inglês, para Observação Direta do Neutrino do Tau), trabalhando no Fermilab nos EUA, descobriu o neutrino do tau. As massas desses neutrinos são incertas. Mas é certo que essas partículas possuem massa. Elas possuem um valor mínimo e outro máximo. A cada ano, devido às observações, esses valores decrescem.

O decaimento do TAU é análogo ao do múon e ocorre com uma freqüência de 17% . QUARK Em 1964, o físico norte-americano Murray Gell-Mann (1929 -), que ganharia o Prêmio Nobel de 1969, sugeriu outra hipótese: a matéria poderia ser subdividida em partes ainda menores, chamadas por ele de quarks. Em 1994, uma equipe internacional do Laboratório Fermilab, nos Estados Unidos (EUA), confirmou a existência da mais pesada das subpartículas fundamentais da matéria, o quark top. O quark top já fora detectado no ano anterior, por outro grupo de pesquisadores, no mesmo laboratório. Com a confirmação, os físicos completaram a lista de subpartículas que compõem toda a matéria existente na natureza. Murray Gell-Mann

Os QUARKS são um tipo de partícula elementar de matéria, com as maiores massas dentro de uma mesma família. A maior parte da matéria que vemos em nossa volta é feita de prótons e nêutrons, os quais são compostos de QUARKS. A constatação da existência dos QUARKS decorre de observações indiretas. O que se observa é que o comportamento de partículas como os prótons e nêutrons revelam a existência de uma estrutura compatível com a existência de QUARKS . São características dos QUARKS : somente são identificados isoladamente; nunca são encontrados livres, voando pelo espaço. Os QUARKS são confinados, presos uns aos outros; possuem uma carga elétrica fracionária, diferente da do próton e do elétron, que têm cargas inteiras de +1 e -1, respectivamente; e têm dois tipos de carga: a eletromagnética e outra denominada carga de cor. Existem seis tipos de quarks, mas os físicos, usualmente ,falam em termos de três pares: up/down ;  charmoso/estranho ; e top/bottom ;

Conclusão A consistência do Modelo de Rutherford/Bohr/Sommerfeld/Chadwick com essa avalanche de descobertas de novas partículas elementares, bem como com a divisão de prótons e nêutrons fora totalmente abalada. As mais de 200 novas partículas requeriam dos físico s a construção de um modelo de estrutura atômica da matéria , simples e elegante como os anteriores. Ficou ratificado a tendência da Ciência responder a pergunta “de como são feitas as coisas” com uma partícula fundamental que daria massa às outras partículas. O Bóson de Higgs , chamado por alguns como “a partícula divina”, é a versão contemporânea . A resposta dada pela Ciência Contemporânea foi o “MODELO PADRÃO” , que será , basicamente, o conteúdo da Parte 2, o próximo artigo.

Formatação e Organização do Texto: J. Coêlho FONTES: brasilescola.com; ecientificocultural.com; educar.sc.usp.br; infoescola.com; orion.med.br; phisichsact.wordpress.com sprace.org.br; e wikipédia.org. IMAGENS: aapt.org; bnl.gov; cdcc.sc.usp.br; dec.ufcg.edu.br; images.nobelprize.org; mesonpi.cat.cbpf.br; nasa.gov; noticias.terra.com.br; phy.bris.ac.uk; Web.fccg.org; e MÚSICA: A Dança Ritual do Fogo – Manuel de Falla – Do balé “El Amor Brujo”. Formatação e Organização do Texto: J. Coêlho