Set
30
2024
By admin
Alberto Reis (CBPF)
No apagar das luzes do século XIX, uma descoberta acidental abriu uma janela para um mundo novo. Henri Becquerel, um cientista francês, percebeu que sais de urânio emitem ``emanações" misteriosas, que podiam atravessar uma folha de papelão grosso e sensibilizar um filme fotográfico. Era um fenômeno que não podia ser explicado pelas teorias existentes. A novidade atraiu imediatamente a atenção de muitos cientistas. Dentre eles, uma jovem polonesa, Maria Skodlowska, que viria a se tornar mundialmente conhecida como Marie Curie, a única mulher agraciada com dois Prêmios Nobel. Marie Curie usou, pela primeira vez, o termo radioatividade para se referir às ``emanações" misteriosas de Becquerel.
Marie Curie logo se deu conta de que a radioatividade se origina no interior átomos. Poucos anos depois, a estrutura interna dos átomos foi desvendada: um minúsculo núcleo contendo praticamente toda a massa do átomo, cercado por uma nuvem de elétrons. Marie Curie apontou corretamente o núcleo atômico como a origem da radioatividade. Passaram-se algumas décadas até que se soubesse o que de fato ocorre dentro de um núcleo atômico: um nêutron transforma-se espontaneamente em um próton. Nesse processo, o núcleo expele um elétron e uma partícula extremamente leve e elusiva, o neutrino. Elétrons e neutrinos são {\em partículas elementares}, ou seja, que não tem uma estrutura interna observável, pelo menos até o presente. São, literalmente, pontinhos de matéria.
Mais algumas décadas foram necessárias para descobrir o que se passa dentro do nêutron, que, ao contrário do que se imaginava, não é uma partícula elementar. No seu interior, existe uma estrutura extremamente complexa, até hoje não entendida em todos os detalhes.
Hoje sabemos que o interior dos nêutrons, assim como o dos prótons, é o reino dos {\em quarks e glúons}. Os quarks também são partículas elementares, mas muito diferentes dos elétrons, pois estão permanentemente aprisionadas pelos glúons dentro de prótons e nêutrons. Os quarks possuem carga elétrica, mas esta é apenas uma fração da carga do elétron. Os quarks interagem entre si de algumas maneiras. Como são carregadas, sofrem atração ou repulsão elétrica. Sofrem também a chamada força forte, responsável por manter prótons e nêutrons coesos nos núcleos atômicos. Além destas, sofrem também a chamada força fraca, que é o que de fato está por trás da radioatividade observada por Becquerel.
Na visão moderna do mundo microscópico, as partículas elementares interagem umas com as outras trocando uma terceira partícula, que atua como uma espécie de mensageira. Imagine uma pista de patinação no gelo. Dois patinadores se deslocam um na direção do outro, cada um carregando uma bola pesada. Quando estão perto, um joga a sua bola para o outro. O impacto faz com que mudem de direção, mesmo sem se tocarem. A ``bola pesada", no caso da desintegração espontânea do nêutron, recebe o pomposo nome de bóson vetorial W, uma partícula que atua como ``mensageira" da força fraca. O bóson W tem um tempo de vida tão curto que não permite que seja observado diretamente.
O bóson W foi descoberto no CERN, na Suíça, em 1984, e é uma peça fundamental no que chamamos Modelo Padrão (MP) das partículas elementares. O MP é uma teoria que resume tudo o que aprendemos sobre as partículas elementares nos últimos 60 ou 70 anos. É uma teoria sólida, suas previsões têm sido testadas exaustivamente ao longo das últimas décadas, sempre com sucesso.
Pois bem, em 2022, a solidez foi abalada por uma medida feita no laboratório Fermilab, nos Estados Unidos. Os físicos desse laboratório fizeram uma medição da massa do bóson W. O resultado, 80.433,5 MeV (MeV é uma unidade de energia usada na microfísica), causou espanto, pois diferia do valor previsto pelo MP, 80.353 MeV. Os valores diferiam por apenas 0.0009\% , mas ainda assim, era uma diferença significativa.
Dois anos de angústia se passaram, até que os experimentos ATLAS e CMS, do LHC, no CERN, fizeram recentemente novas medições da massa do bóson W. Os resultados, 80.366,5 e 80.360,2 MeV, são compatíveis com o previsto pelo MP, considerando as incertezas experimentais. O MP passou por mais um teste. Alegria para uns, decepção para outros. Estamos, atualmente, na era dos testes de precisão do MP, à procura de uma falha, por menor que seja. Uma falha poderia nos dizer o que há além do MP, que partículas e forças, ainda desconhecidas, existiriam.
Apesar de todo o sucesso, sabemos que o MP é uma teoria incompleta. É certo que existem mais coisas do que o MP prediz. No inicio dos anos 2000, ficou demonstrado que os neutrinos têm massa, ainda que minúscula, em claro desacordo com o MP, segundo o qual os neutrinos são partículas sem massa. O mero fato de você estar lendo este texto também mostra que há algo mais do que conhecemos. Para cada partícula de matéria, existe uma antipartícula com as mesmas propriedades, mas com cargas invertidas: prótons têm carga elétrica positiva, a dos antiprótons é negativa. Deveria haver igual quantidade de matéria e antimatéria no Universo. Mas por uma razão desconhecida, só a matéria sobreviveu. Para onde quer que olhemos, só vemos prótons, e nenhum, ou quase nenhum antipróton. O MP prevê que matéria e antimatéria sofrem a força fraca de forma ligeiramente diferente. Os efeitos, no entanto, são sutis demais, e nem de longe poderiam produzir nosso Universo só de matéria. Onde foi parar a antimatéria?
Crédito da imagem: Colaboração CMS
