Para con­ti­nuar o pla­ne­ja­mento de nossa viagem espa­cial, pre­ci­sa­mos buscar res­pos­tas para uma das per­gun­tas que assom­bram a huma­ni­dade desde seus pri­mór­dios: do que a matéria e nós somos feitos? O que há no ‘vazio’ do espaço?

Das nuvens às partículas

Desde 1895, o físico C. T. R. Wilson (1869 — 1959) buscava enten­der os pro­ces­sos por trás da for­ma­ção de nuvens. Para isso, ele cons­truiu uma Câmara de Nuvens (Figura 1), que con­sis­tia em uma caixa fechada de vidro pre­en­chida com vapor super­sa­tu­rado (quando uma subs­tân­cia está como vapor sob con­di­ções que deveria estar líquido, podendo con­den­sar com qual­quer per­tur­ba­ção). Os cien­tis­tas da época acre­di­ta­vam que a causa da con­den­sa­ção (tran­si­ção do vapor para o estado líquido) em nuvens era causado por par­tí­cu­las de poeira na atmos­fera. Porém, após vários expe­ri­men­tos, Wilson mostrou que havia a con­den­sa­ção do vapor mesmo em meios sem poeira, con­cluindo que outro pro­cesso deveria causar o fenômeno.

Mais ou menos na mesma época, diver­sos tra­ba­lhos revo­lu­ci­o­na­ram a forma como se enten­dia a cons­ti­tui­ção da matéria. Come­çando com a des­co­berta dos raios‑x por Wilhelm Conrad Röntgen (1845 — 1923) e da radi­o­a­ti­vi­dade por Antoine Henri Bec­que­rel (1852 — 1908). Assim, cien­tis­tas como Ernest Ruther­ford (1871 — 1937) e J. J. Thomson (1856 — 1940) estu­da­ram as causas desses fenô­me­nos, o pri­meiro, a res­peito da radi­o­a­ti­vi­dade e o segundo, sobre pro­cesso de for­ma­ção dos raios‑x nos raios cató­di­cos. Com isso, novos modelos atô­mi­cos foram desen­vol­vi­dos. Além disso, Ruther­ford des­co­briu a exis­tên­cia de outros dois tipos de partículas/radiação, a alpha e a beta. Já em 1899, o cien­tista Paul Ulrich Villard (1860 — 1934) des­co­briu a radi­a­ção gama. É impor­tante res­sal­tar que os con­cei­tos de onda e par­tí­cula se mis­tu­ram a partir do início da Mecâ­nica Quân­tica, com o pos­tu­lado de Louis de Broglie (1892 — 1987) sobre a natu­reza ondu­la­tó­ria da matéria.

E o que isso tem a ver com o estudo de for­ma­ção de nuvens? Dentro do con­texto das des­co­ber­tas citadas, Wilson começou a sus­pei­tar que a causa da con­den­sa­ção do vapor eram, na verdade, par­tí­cu­las car­re­ga­das que, ao pas­sa­rem pela câmara, inte­ra­giam (atraindo, repe­lindo ou coli­dindo) com as molé­cu­las do vapor, per­tur­bando o sistema e con­den­sando sua tra­je­tó­ria. Assim, ele uti­li­zou tubos de raios cató­di­cos para ilu­mi­nar sua câmara de nuvens e obser­vou a for­ma­ção de diver­sos traços sob dife­ren­tes con­di­ções. Além disso, Wilson uti­li­zou fontes radi­o­a­ti­vas dentro de sua câmara. As imagens abaixo mostram foto­gra­fias tiradas por Wilson dos traços for­ma­dos por par­tí­cu­las alpha, que se des­co­briu pos­te­ri­or­mente serem com­pos­tas por dois prótons e dois nêu­trons (um núcleo de Hélio)!

Novas téc­ni­cas simi­la­res a de Wilson sur­gi­ram com o passar dos anos. Entre elas, o uso de emulsão foto­grá­fica para regis­trar per­ma­nen­te­mente as tra­je­tó­rias ao invés de vapor, inven­tada pelo cien­tista Cecil Powell (1903 — 1969). Essa nova técnica per­mi­tiu a des­co­berta de muitas outras par­tí­cu­las, como o Múon e o Méson Pi. A Figura 3 mostra o regis­tro da tra­je­tó­ria de Mésons Pi e Tau.

Porém, a origem da radi­a­ção não estava total­mente com­pre­en­dida. Em uma de suas notas de labo­ra­tó­rio, Wilson escreve: “Existem íons no ar normal (per­ma­nen­te­mente) ou quando expos­tos à radi­a­ção solar?”.

Essa questão só pôde ser res­pon­dida com a des­co­berta dos raios cós­mi­cos pelo cien­tista Victor Hess (1883 — 1964), que mediu um aumento da radi­a­ção com um ele­tros­có­pio (Figura 4) con­forme subia atmos­fera acima em um balão! Essa des­co­berta mostrou que, ao con­trá­rio do que muitos cien­tis­tas da época acre­di­ta­vam, essa radi­a­ção não vinha da crosta ter­res­tre, mas do espaço; motivo pelo qual Robert Mil­li­kan cunhou o termo Raios Cós­mi­cos. Isso mesmo, a todo ins­tante estamos sendo bom­bar­de­a­dos por diver­sas par­tí­cu­las, mas não entrem em pânico, os Raios Cós­mi­cos não são peri­go­sos para quem está na super­fí­cie terrestre!

Os raios cós­mi­cos são par­tí­cu­las (como Prótons, Nêu­trons, Fótons) e íons (como de Hidro­gê­nio e Ferro) extre­ma­mente ener­gé­ti­cos, podendo chegar a velo­ci­da­des muito pró­xi­mas da luz. Acre­dita-se que os raios cós­mi­cos sejam emi­ti­dos por objetos extra­ga­lác­ti­cos, como estre­las, super­no­vas e núcleos ativos de galá­xias. Porém, eles não cos­tu­mam chegar à super­fí­cie ter­res­tre pois, em sua maioria, são absor­vi­dos pela atmosfera.

Outro tipo de radi­a­ção abun­dante no “vazio” do espaço é a Radi­a­ção Cósmica de Fundo. Essa radi­a­ção é com­posta por fótons com energia até a faixa de micro-ondas, e apre­senta um espec­tro do tipo de radi­a­ção de corpo negro, dis­tri­buída homo­ge­ne­a­mente no espaço. Isso sig­ni­fica que ela é a radi­a­ção térmica emitida pelo uni­verso, da era cósmica em que ele era quente e denso, com tem­pe­ra­tura de apro­xi­ma­da­mente 2725 Kelvin (2451,85 °C). Esta é uma das prin­ci­pais evi­dên­cias do modelo cos­mo­ló­gico do Big Bang.

Por­tanto, o espaço defi­ni­ti­va­mente não é vazio, mas cheio de partículas/radiação. Novos métodos de detec­ção con­ti­nuam sendo desen­vol­vi­dos, pos­si­bi­li­tando obser­va­ções mais pre­ci­sas do Uni­verso. Da mesma forma, expe­ri­men­tos são desen­vol­vi­dos para simular con­di­ções simi­la­res ao início do Uni­verso, como os do LHC, res­pon­sá­veis pela obser­va­ção do Bóson de Higgs. Porém, como toda res­posta na ciência traz mais per­gun­tas… Que par­tí­cu­las são essas? E de onde elas vêm?

Saiba Muito Mais

Um sopão de partículas

A partir do des­co­bri­mento de novas par­tí­cu­las e da evo­lu­ção das téc­ni­cas de medida cons­truiu-se, pouco a pouco, uma nova teoria na física, o Modelo Padrão. Segundo este, existem dois prin­ci­pais grupos de par­tí­cu­las: os Fér­mi­ons, que cons­ti­tuem a matéria, e os Bósons, que inter­me­diam as forças ele­men­ta­res. O info­grá­fico abaixo apre­senta todas as par­tí­cu­las conhe­ci­das até o momento. No círculo exte­rior, estão os Fér­mi­ons divi­di­dos entre Léptons e Quarks. No círculo inte­rior a esse, estão os Bósons e no centro o Bóson de Higgs. Esses tipos de par­tí­cu­las não possuem estru­tura interna (pelo menos até onde conhe­ce­mos), sendo cha­ma­das de elementares!

Mas o que dife­ren­cia essas par­tí­cu­las? As par­tí­cu­las são sepa­ra­das em dife­ren­tes grupos con­forme suas pro­pri­e­da­des físicas. As 3 prin­ci­pais pro­pri­e­da­des são: massa, carga elé­trica e spin. No grupo dos fér­mi­ons, os quarks e léptons são clas­si­fi­ca­dos con­forme sua carga elé­trica. Os quarks possuem carga fra­ci­o­ná­ria (1/3 ou 2/3), enquanto que os léptons possuem carga inteira (-1 ou 0). Um fato muito curioso é que, por terem cargas fra­ci­o­ná­rias, os quarks nunca foram encon­tra­dos sozi­nhos, eles sempre se com­bi­nam tota­li­zando uma carga inteira! Por exemplo, um próton é com­posto por dois quarks up e um down, resul­tando na carga +1. Além disso, a dife­rença dentro de um mesmo grupo de fér­mi­ons, está rela­ci­o­nada às massas de cada partícula.

Certo, mas o que dife­ren­cia os bósons dos fér­mi­ons? O spin. Enquanto os fér­mi­ons conhe­ci­dos possuem spin ½, os bósons conhe­ci­dos pos­suiam spin igual a 1 até 2012. Desde então, o Bóson de Higgs, com spin 0, teve sua exis­tên­cia com­pro­vada; sendo essa a par­tí­cula que inte­rage com as demais par­tí­cu­las ele­men­ta­res dando origem às suas massas. Aliás, a pre­vi­são da exis­tên­cia do Bóson de Higgs em 1964, pos­te­ri­or­mente com­pro­vada em 2012, foi uma das peças fun­da­men­tais para a con­so­li­da­ção do Modelo Padrão. 

Em uma des­cri­ção sim­pli­fi­cada, os Fér­mi­ons formam a matéria e os Bósons repre­sen­tam as forças (inte­ra­ções) entre a matéria. As quatro forças conhe­ci­das são a gra­vi­ta­ci­o­nal, ele­tro­mag­né­tica e as nucle­a­res forte e fraca. Parece estra­nho pensar que uma par­tí­cula pode trans­mi­tir uma força, mas existem ana­lo­gias que per­mi­tem ima­gi­nar como isso pode ocorrer. Uma delas é pensar que essas inte­ra­ções são como duas pessoas (Fér­mi­ons) jogando uma bola (Bóson) uma para a outra (Figura 6).

E essa é só a ponta do iceberg do que se conhece sobre o mundo das par­tí­cu­las. Com esse blocos fun­da­men­tais, diver­sos prin­cí­pios da Mecâ­nica Quân­tica são estu­da­dos, como a Dua­li­dade Onda-Par­tí­cula, o Prin­cí­pio da Incer­teza, o Prin­cí­pio da Exclu­são de Pauli e muito mais. Entre­tanto, é impor­tante res­sal­tar que, apesar de muito bem esta­be­le­cido no meio cien­tí­fico, o Modelo Padrão está em cons­tante desen­vol­vi­mento, com diver­sas lacunas a serem estudadas.

Camila Raupp da Luz / Equipe AMLEF 2021

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• Dica cine­ma­to­grá­fica 1: o docu­men­tá­rio “Par­ti­cle Fever” dis­po­ní­vel na Netflix mostra todo o pro­cesso de detec­ção do Bóson de Higgs. Não deixem de assistir!
• Dica cine­ma­to­grá­fica 2: a des­co­berta da radi­o­a­ti­vi­dade trouxe diver­sos bene­fí­cios e male­fí­cios à huma­ni­dade. O filme “Radium Girls” retrata o nega­ci­o­nismo a res­peito da radi­o­a­ti­vi­dade fazer mal à saúde durante os anos 20.

Referências

• CHALONER, C. The most won­der­ful expe­ri­mento in the world: A history of the cloud chamber. 1997. The British Journal for the History of Science, 30(3), 357–374. Dis­po­ní­vel neste link. Acesso em 12/09/21.
• LONGAIR, Malcolm. C.T.R Wilson and the cloud chamber. Sci­en­ce­Di­rect. 2014. Dis­po­ní­vel neste link. Acesso em: 06/10/2021.
• An index to C. T. R. Wilson’s labo­ra­tory records and note­bo­oks in the Library of the Royal Society. Dis­po­ní­vel neste link. Acesso em 06/10/2021.
• FRIEDLANDER, Michael. A century of cosmic rays. Nature 483, 400–401. 2012. Dis­po­ní­vel neste link.
• Cecil Powell — Bio­graphi­cal. NobelPrize.org. Nobel Prize Outre­ach AB 2021. Dis­po­ní­vel neste link.
• CAIRES, Luiza. “Maior ace­le­ra­dor de par­tí­cu­las do mundo passa por um upgrade. O que vêm por aí?”. 2019. Dis­po­ní­vel neste link. Acesso em 13/09/21.
• TONG, David. The Stan­dard Model: The Most Suc­ces­s­ful Sci­en­ti­fic Theory Ever. Quanta Mgazine. 2021. Dis­po­ní­vel neste link. Acesso em 18/10/2021.
• CHINELLATO, Carola. A origem dos raios cós­mi­cos. FAPESP. 2017. Dis­po­ní­vel neste link. Acesso em 21/10/2021.
• Raio Cósmico. Wiki­pé­dia. 2021. Dis­po­ní­vel neste link. Acesso em 21/10/2021.