As 7 partículas subatômicas mais importantes
Por Rodrigo Rezende* e Salvador Nogueira**
Fogo, terra, água e ar. Os filósofos gregos do século 6 a.C. acreditavam que esses 4 elementos formavam tudo o que existe. E eles não estavam tão errados assim. Hoje sabemos que você, as pedras, as estrelas, os seres extraterrestres ou qualquer outra coisa que dê para imaginar são o resultado de alguns poucos ingredientes, e da forma como eles interagem entre si.
Olhe para a cutícula na unha do seu dedo indicador. Estique mentalmente esse pedacinho de pele até que ele fique do tamanho de um prédio de 100 andares. Se isso acontecesse, o átomo ficaria com a espessura de uma folha de papel. Acredite se quiser, nesse espaço exíguo cabe um universo: o mundo quântico, habitado pelas partículas subatômicas. Se existe algo que pode ser chamado de elemento fundamental da natureza, não é terra, nem água, nem átomo, nem próton ou nêutron, e sim essas partículas. Duas delas, os quarks e elétrons, formam toda a matéria que você vê. Outras 4 são bloquinhos de energia pura e trabalham pra manter os quarks unidos, deixar seu corpo no chão, iluminar as coisas…
Também existe um patinho feio nessa história: o neutrino, uma partícula sem casa, que vive do lado de fora dos átomos. E que atravessa seu corpo o tempo todo sem deixar vestígios. Nosso mergulho no mundo subatômico começa por ele. E termina numa enrascada que faz a ciência de hoje parecer tão limitada quanto as ideias dos filósofos gregos.
1. Neutrino
Em 1 segundo, mais de 120 bilhões de partículas minúsculas e quase sem massa terão atravessado seus olhos a uma velocidade próxima a 300 mil quilômetros por segundo. E, até o final desta reportagem, cerca de 10 milhões delas serão criadas dentro de você. Sabe qual o efeito de toda essa atividade? Praticamente nenhum. Isso porque o neutrino, a forma de matéria mais leve que existe, interage tão pouco com as outras coisas que é chamado de partícula fantasma. Ele surge dentro do núcleo atômico, quando um próton se transforma em nêutron (ou vice-versa). Isso acontece nos átomos de hidrogênio do Sol. E dentro de você também. Certos átomos de potássio que formam seu corpo estão emitindo neutrinos agora mesmo. Mas ele não vem do nada, claro: é que sempre sobra alguma energia quando essas transformações acontecem. Essa força, segundo Einstein, se converte em massa, e o processo dá origem, entre outras coisas, a um novo e levíssimo neutrino. Mas nem todos os elementos que formam o Universo são tão fantasmagóricos e anti-sociais. Um deles, pelo contrário, é bem interativo. O nosso número 2.
2. Elétron
O neutrino está vagando por aí, solto pelo espaço. Já o elétron, seu primo mais gordo, também é meio nômade, mas costuma morar numa espécie de habitat natural: a periferia do átomo. E a perifa do átomo, também conhecida por eletrosfera, é gigantesca. Se o núcleo do átomo fosse do tamanho de uma bola de futebol, o “pedaço” habitado pelos elétrons seria do tamanho de um estádio. Apesar de terem massa desprezível, os elétrons são os responsáveis pelas maravilhas da civilização: chocam-se contra a tela da TV e acendem a imagem, movem-se no filamento da lâmpada e produzem luz, espremem-se contra o fundo do ferro de passar e produzem calor, transformam em dados as batidas do teclado de quem escreveu este texto e alimentam a gráfica que imprimiu a revista. O elétron foi a primeira partícula subatômica a ser descoberta, em 1897, e a única da “velha geração” que continua a ser fundamental. Diferentemente dos pesadões próton e nêutron, que já foram tidos como elementos fundamentais, mas acabaram rebaixados. Eles são feitos de outras partículas, encontradas em 1964. Os…
3. Quarks
“Três quarks para muster mark.” Foi dessa frase do livro Finnegann’s Wake, do irlandês James Joyce, que o físico Murray Gell-Mann tirou o nome dos blocos de partículas formadores de prótons e nêutrons. Um nome que não significa nada. Mas os quarks significam muito: eles são os tijolos que a natureza usa para construir prótons e nêutrons, as superpartículas que formam o núcleo atômico. Cada uma delas é feita de 3 quarks. Pudera: eles são como uma panelinha de amigos fiéis. Existem só em grupos de 3 – ninguém nunca observou um quark sozinho em laboratório – e possuem um tipo de “carga elétrica” denominada cor, que pode ser azul, vermelha ou verde. Dentro de suas panelinhas, eles ficam trocando de cor (ou carga) o tempo todo, como modelos trocando loucamente de vestido, num desfile frenético dentro do átomo. Os quarks estão confinados dentro de seu grupo por uma força absurdamente alta, que os puxa violentamente de volta cada vez que eles tentam abandonar a turma. E essa força também é formada por uma partícula. É o…
4. Glúon
Os glúons são como estilistas de quark no desfile subatômico. Eles ficam circulando de um quark a outro dentro da panelinha e são os responsáveis pela troca da cor dos vestidos. Essas partículas funcionam como uma espécie de mola, que deixa os quarks livres quando estão próximos ao centro do grupo, mas os puxam de volta com muita força quando eles se afastam. A força formada pelo glúon é a mais poderosa do Universo, quase infinitamente mais forte do que a gravidade que nos une ao chão. Responde pelo nome de força nuclear forte e mantém o núcleo do átomo coeso. Mas às vezes o elástico arrebenta, e o núcleo do átomo se desfaz. Esse processo é chamado fissão nuclear, quando o átomo é partido em dois, ou de decaimento radioativo, quando pedaços do núcleo atômico se soltam, espalhando-se por aí. Essa bagunça atômica, a radioatividade, é causada por partículas desordeiras, verdadeiras destruidoras de átomo. São os nada famosos…
Essas partículas são como valentões de colégio: grandes e pesadas, passam a vida tratando a cotoveladas os quarks, elétrons e neutrinos. A gangue da força fraca é formada por 3 integrantes: os bósons W-, W+ e Z, todos eles com mais de 86 vezes o peso de um próton inteiro. Eles tocam o verdadeiro terror dentro do núcleo, chegando até a expulsar partículas de dentro dos átomos mais pesados (daí a radiação). Apesar da violência, essa força é menos intensa que a nuclear forte, cerca de 100 mil vezes mais poderosa. É por causa disso que os valentões ganharam o apelido de “força fraca”. Na realidade, a gangue da força fraca é uma dissidência de outro bando, muito maior e mais poderoso. No início do Universo, eles estavam associados a outras partículas, com as quais compunham uma força chamada de eletrofraca, que não existe mais. Bilhões dessas antigas companheiras da força fraca saltam desta página direto para os seus olhos a cada segundo. Estamos falando do radiante…
6. Fóton
O sinal da TV, do rádio, do celular, os raios X, a força que prende o ímã da pizzaria na sua geladeira. Tudo isso é composto de fótons. Eles são mais conhecidos como as partículas que formam a luz visível. Mas essa é só uma de suas atribuições. O que o fóton faz é carregar a 2ª força mais poderosa do Cosmos: a eletromagnética, bilhões e bilhões de vezes mais poderosa que a gravidade e apenas 100 vezes menos intensa que a nuclear forte. O que você entende como toque é nada mais que a repulsão eletromagnética entre o papel e a sua pele. Uma repulsão que acontece por causa dos fótons que sua mão e a revista trocam quando se aproximam. Pense nisso quando fizer sexo: tudo o que você sente ali é uma grande troca de fótons… Bom, de quebra, a força eletromagnética também é a principal responsável por manter os elétrons em torno do núcleo. E é ela que comanda as ligações químicas dos átomos e moléculas. Ufa! Mas existe outra força por aí. Justamente a que você mais percebe no dia-a-dia. É a velha gravidade, que seria o produto do…
7. Gráviton
Dissemos “seria” porque, acredite se quiser, a força que empurrou a maçã na cabeça de Newton e que mantém a Terra orbitando em torno do Sol ainda não é compreendida pela física quântica, para a qual toda força é feita de alguma partícula de energia. A responsável pela gravidade tem até nome: gráviton. Mas, quando os físicos tentam espatifar átomos em aceleradores de partículas para analisar o que sai lá de dentro, cadê o gráviton? Ninguém sabe, ninguém viu. Ele continua sendo uma hipótese e um buraco no chamado Modelo Padrão, a teoria da física que explica tudo o que você viu aqui. Na verdade, o gráviton pode ser o calcanhar-de-aquiles da física. Há quem diga que só vai ser possível entender a gravidade se olharmos ainda mais fundo na matéria. Para que a maçã de Newton faça sentido, talvez seja necessário pisar num mundo ainda mais misterioso que o da mecânica quântica: o das supercordas – entidades fantasmagóricas que viveriam num mundo de 11 dimensões e estariam, segundo alguns teóricos, por trás dos 7 elementos. Mas isso é assunto para outra reportagem.
Bônus: Bóson de Higgs
A tal “partícula de Deus”, uma das protagonistas da história da ciência em 2012, também é fundamental para a composição do universo. Mas atua nos bastidores. Sem ela, as partículas de matéria como os quarks e elétrons não teriam massa. Sem massa, as partículas não formariam átomos e, bem… os átomos não formariam você (entenda melhor aqui). A experiência que tornou público este milagre da ciência causou muito barulho. É que só faltava provar a existência desta partícula para que o Modelo Padrão fosse totalmente comprovado, apesar da controvérsia do gráviton. Um grande salto para o homem, mas um passo minúsculo para o universo. A “descoberta” do bóson de Higgs explica 4,6% de tudo o que existe. Falta o resto.
* Autor do texto originalmente publicado na edição de maio de 2008 da SUPER. Clique e confira o texto completo.
** Autor do texto originalmente publicado na edição de agosto de 2012 da SUPER. Clique e confira o texto completo.
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