TRAJETÓRIAS DA FÍSICA DE PARTÍCULAS

O MÉSON PI

Pequenas partículas
para grandes questões

Do que são feitas as coisas? Essa é uma das perguntas mais fundamentais que a ciência se propõe a responder, e que a antecede por muitos séculos. Pensadores desde a Antiguidade buscavam essa resposta, que ganhou diversas versões ao longo da história: água, ar, terra, fogo e éter são alguns dos exemplos de substâncias que, em algum momento, já foram consideradas como as componentes fundamentais que formam todo o Universo. Hoje, a física de partículas elementares é a área da ciência que leva adiante essa pergunta ancestral, e que revoluciona a nossa maneira de enxergar o Universo a cada nova descoberta.

A ideia de que todos os corpos do Universo seriam formados por uma espécie de partícula extremamente pequena e indivisível, o átomo, surgiu inicialmente na Grécia Antiga, mas começou a ganhar popularidade na ciência por volta do século 19. Desde então, descobriu-se a existência de muitas partículas ainda mais leves, e que os próprios átomos seriam compostos por algumas delas. O elétron foi a primeira dessas descobertas, ainda em 1897, e desde então cada nova partícula fundamental encontrada veio a compor o que hoje é chamado de Modelo Padrão de Partículas Elementares. O Modelo Padrão é considerado uma das mais belas teorias da Física, um sistema que explica como as estruturas do nosso Universo são formadas através da interação entre apenas 17 partículas elementares.

MODELO PADRÃO

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Na cativante série de divulgação científica Cosmos: A Personal Voyage, o astrônomo Carl Sagan diz a conhecida frase: “Nós somos uma maneira do Cosmos se autoconhecer”. O ser humano, de fato, compartilha uma parte dos mesmos blocos construtores do universo ao seu redor. Partículas elementares que formam partículas maiores, moléculas e estruturas cada vez mais complexas, desde a tela de um celular, até um corpo humano ou as estrelas e astros de tamanhos colossais. Entender as partes que formam o universo também é, portanto, entender a si mesmo. Mas as motivações para desvendar as componentes básicas do universo não se limitam a questões existenciais. O conhecimento profundo de como interagem e se estruturam essas partículas permitiu o desenvolvimento de tecnologias que se aplicam desde à construção dos muitos dispositivos eletrônicos que nos rodeiam, até ao tratamento médico de doenças e a restauração de obras de arte.

No Brasil, a pesquisa científica em Física começou a ganhar fôlego na década de 1930, quando foi fundada a Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras da Universidade de São Paulo (FFCL-USP). Neste cenário, o estudo de partículas esteve presente desde o início, na forma de pesquisa em raios cósmicos. Os chamados raios cósmicos são partículas carregadas que vêm do espaço, como prótons e núcleos de hélio, que se chocam com moléculas de ar na atmosfera terrestre, produzindo partículas mais leves na colisão, causando um efeito em cascata. Na época, as pesquisas em raios cósmicos foram introduzidas na FFCL pelo físico ítalo-ucraniano Gleb Wataghin, primeiro diretor do Departamento de Física, em torno do qual se formou um grupo de pesquisa composto por alguns dos primeiros físicos e físicas de renome do Brasil, como César Lattes, Sonja Ashauer, Marcello Damy de Souza Santos e Mário Schenberg.

No Brasil, a pesquisa científica em Física começou a ganhar fôlego na década de 1930, quando foi fundada a Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras da Universidade de São Paulo (FFCL-USP). Neste cenário, o estudo de partículas esteve presente desde o início, na forma de pesquisa em raios cósmicos. Os chamados raios cósmicos são partículas carregadas que vêm do espaço, como prótons e núcleos de hélio, que se chocam com moléculas de ar na atmosfera terrestre, produzindo partículas mais leves na colisão, causando um efeito em cascata. Na época, as pesquisas em raios cósmicos foram introduzidas na FFCL pelo físico ítalo-ucraniano Gleb Wataghin, primeiro diretor do Departamento de Física, em torno do qual se formou um grupo de pesquisa composto por alguns dos primeiros físicos e físicas de renome do Brasil, como César Lattes, Sonja Ashauer, Marcello Damy de Souza Santos e Mário Schenberg.

Com uma forte política de intercâmbio entre físicos brasileiros e estrangeiros, a Física brasileira como um todo ganhou força rapidamente. Foi entre 1947 e 1948 que ganhou seu maior destaque até então, com a participação do brasileiro César Lattes em dois acontecimentos de grande importância na história da Física: o primeiro foi a descoberta do méson pi, hoje também chamado de píon, uma partícula resultante da colisão de raios cósmicos com a atmosfera. Esse episódio gerou grande repercussão entre a comunidade internacional de Física por confirmar a existência da partícula responsável por manter prótons e nêutrons ligados no núcleo atômico. O segundo grande acontecimento, do qual Lattes participou no ano seguinte, foi a produção artificial do méson pi em um acelerador de partículas. Com a repercussão dessas conquistas, os anos seguintes foram marcados por um impulso político e otimismo com a Física brasileira que foram direcionados para a criação, em 1949, do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), tendo César Lattes como um de seus fundadores.

Nesse contexto, o uso de aceleradores no estudo de partículas ganhou uma importância central. Até então, um dos principais métodos para se estudar e descobrir novas partículas era indiretamente, por meio da interação entre os raios cósmicos e os átomos e moléculas presentes na atmosfera. Com a possibilidades de colidir e descobrir novas partículas dentro de máquinas criadas pelo ser humano, o uso de aceleradores passaria a definir nos anos seguintes uma nova maneira de se fazer Física. A área de física de partículas elementares começava a tomar a forma pela qual a conhecemos hoje.

Aceleradores cada vez maiores e mais potentes foram produzidos nas décadas que se seguiram, e no mesmo ritmo, novas partículas elementares foram descobertas. Na década de 1980, físicos brasileiros foram convidados a colaborar com dois grandes centros de pesquisa internacionais: o Fermilab, laboratório de física de partículas que possuía na época o então maior acelerador de partículas do mundo, o Tévatron, no qual foi descoberta a partícula quark top; e o Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (CERN), que abriga o atual maior acelerador do mundo, o Grande Colisor de Hádrons (Large Hadron Collider, ou LHC, no original), e foi responsável pela detecção das partículas bósons W e Z em 1983, e do bóson de Higgs em 2012.

A cada nova partícula elementar descoberta, o ser humano parece chegar mais próximo de uma resposta para aquela pergunta tão antiga: “do que são feitas as coisas?”. Mas o universo aparenta sempre estar pronto para mostrar que não possui escassez de mistérios: apesar de o Modelo Padrão de Partículas Elementares descrever com sucesso a existência e as interações possíveis entre as 17 partículas que parecem compor o universo visível à nossa volta, acredita-se, por diferentes motivos, que a teoria ainda esteja incompleta. Um desses motivos é a existência de matéria escura, que se pensa ser um tipo de partícula com propriedades diferentes de todas as conhecidas até hoje e, apesar de ainda não ter sido identificada, sabe-se que ela compõe mais da metade de toda a matéria do universo.

O ICTP-SAIFR preparou este especial multimídia com a intenção de divulgar o conhecimento em física de partículas e a participação brasileira nesse campo de pesquisa tão fundamental. Por meio de uma experiência interativa com vídeos, depoimentos de pesquisadores, imagens e textos, esperamos aproximar a física de partículas nacional e internacional de todos os curiosos que gostariam de conhecê-la melhor e apresentar um vislumbre do porquê é necessário olhar para elementos tão pequenos na busca por respostas para as maiores questões do universo.

Reportagem: Ana Luiza Sério (ICTP-SAIFR), Artur Alegre (ICTP-SAIFR), Malena Stariolo (ICTP-SAIFR);
Consultoria Científica: Rogerio Rosenfeld (ICTP-SAIFR/IFT-UNESP);
Edição: Malena Stariolo (ICTP-SAIFR).

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