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From The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind , um relato interno da história operacional do LHC e a busca pelo boson Higgs, por Don Lincoln. Publicado pela Johns Hopkins University Press. Reimpresso com a permissão da editora.
O matemático da era Vitoriana Augustus de Morgan escreveu:
Grandes pulgas têm pulgas pequenas nas costas para morder
E as pulgas pequenas têm pulgas menores, e assim ad infinitum.
E as pulgas grandes, por sua vez, têm pulgas maiores para continuar,
Enquanto estas têm ainda maiores, e maiores ainda, e assim por diante.
Esta passagem frequentemente citada é uma paródia à poesia de Jonathan Swift, de 1733: A Rhapsody , que foi escrita sobre poesia. Contudo, os cientistas tomaram essas linhas como metáfora para o mundo natural. À medida que se aprende sobre o micro mundo, rapidamente se enfrenta a observação de que toda a matéria é feita de moléculas. As moléculas, por sua vez, são feitas de átomos que são eles próprios feitos de elétrons e núcleos atômicos. Os núcleos são feitos de prótons e neutrões e estes são compostos de quarks.
No entanto, tanto quanto sabemos, os quarks e os electrões são isso mesmo. Esse é o fim da linha até onde vai a estrutura. Ao contrário do átomo ou próton, que têm uma estrutura rica com interacções complexas entre os seus componentes, acredita-se actualmente que os quarks e electrões não têm qualquer estrutura interna. Tanto em teoria como fisicamente, eles são considerados como pontos matemáticos.
Claro que qualquer pessoa com uma onça de imaginação não pode deixar de dizer: “Agora espere só um minuto. Porque é que os quarks e os próprios leptões não poderiam ter uma estrutura interna?” Bem, só há uma resposta possível e que é “eles poderiam”. Os quarks e os electrões (e, por extensão, todos os leptões) podem ser feitos de objectos ainda mais pequenos. Ou eles (de forma bastante improvável) podem realmente ser fundamentais (ou seja, não têm partes menores, em outras palavras, sem estrutura).
Antes de prosseguirmos, vamos considerar os tamanhos envolvidos. Tudo no micro mundo é pequeno. Uma única molécula é tão pequena que você poderia colocar um milhão delas lado a lado em um único milímetro. Elas são tão pequenas que você não pode usar a luz comum para vê-las. E ainda assim, objectos tão pequenos são enormemente grandes: um bilião de vezes maiores do que a fronteira da investigação.
As moléculas são compostas de átomos, que são cerca de um décimo do tamanho das moléculas. O quadro mental de um átomo como um pequeno sistema solar, com o sol como núcleo e elétrons planetários, é falho e, no entanto, não é sem mérito. Ele destaca o fato de que um átomo consiste, em sua maioria, de espaço vazio, com os elétrons girando freneticamente, longe de um núcleo pequeno e denso. O raio do núcleo é cerca de 10.000 vezes menor do que o átomo e ocupa apenas um trilhão do volume.
O núcleo do átomo é composto por prótons e nêutrons, bem unidos. A minha imagem mental do núcleo é uma massa de ovos de rã ou berlindes depois de terem sido manuseados por uma criança com dedos muito pegajosos. Cada próton ou nêutron tem cerca de 10 -15 metros de largura, e você precisaria de um trilhão de ovos de rã de ponta a ponta para cobrir um único milímetro. Isso é pequeno.
Os prótons e neutrões contêm dentro deles quarks e gluões. A maneira mais simples de pensar num próton é que há dois quarks para cima e um para baixo presos num campo de força de gluões. Pense em três bolas de plástico numeradas numa daquelas máquinas de lotaria com ar comprimido e terá a ideia básica.
Mas a imagem mental dos quarks como bolas de plástico tem uma grande falha. As bolas não são muito menores que uma máquina de lotaria. Os quarks são pequenos. Talvez uma melhor imagem mental do próton são três pequenas manchas de isopor na mesma máquina.
Então, o que sabemos sobre o tamanho dos quarks? Há pouco eu disse que eles não têm tamanho, e é certamente assim que a teoria actual os trata. No entanto, como experimentador, estou mais preocupado com as medidas. O leitor deve estar curioso sobre quais as medidas que revelaram o tamanho de um quark para ser. E agora a resposta… um rufar de tambores, por favor… eles não o fizeram. Isto não significa que não saibamos nada sobre o tamanho deles. Nós estudamos esta questão bastante a fundo, e sabemos precisamente o quão bom é o nosso equipamento. Se os quarks (e elétrons) fossem maiores que cerca de dez mil vezes menores que um próton, teríamos visto que eles têm um tamanho. Em todas as nossas experiências, nunca vimos sequer a mais pequena pista credível de um tamanho. Portanto, concluímos que, embora não possamos dizer qual o tamanho de um quark ou elétron, podemos dizer com segurança que se os quarks têm tamanho, eles são menores do que dez mil vezes o tamanho de um próton.
Se esta ideia é difícil de entender, vamos considerar o quão pequeno é um objecto que se pode ver com os olhos. Você pode facilmente ver um grão de areia. Com muito esforço, talvez consiga ver o menor pedaço de farinha no seu armário. Mas é só isso. Com o olho nu, não consegues ver nada mais pequeno. Assim, quando você decide olhar um germe com seu olho, você pode concluir que ele não tem tamanho, mas a conclusão estritamente correta que você deve tirar é que os germes são menores do que uma pequena mancha de farinha.
Com um equipamento melhor, digamos um microscópio potente, pode-se ver que os germes têm de facto um tamanho mensurável. Portanto, uma vez que você tenha atingido a limitação do seu equipamento, você simplesmente precisa obter um microscópio mais poderoso. O microscópio que é o LHC e seus dois detectores primários irão observar o tamanho dos quarks se eles não forem menos de 20 ou 30 milésimos do tamanho de um próton … ou eles irão definir um limite que é cerca de duas ou três vezes menor do que se pensava atualmente.
Embora as observações, a intuição e a idoneidade de Morgan possam ser suficientes para sustentar uma suspeita casual de que outros níveis de matéria podem ocorrer em tamanhos cada vez menores – uma nova camada ou conjunto de camadas na cebola cósmica – existem também razões mais científicas. Por exemplo, considere a tabela periódica. Enquanto Mendeleev pretendia que fosse um esquema organizacional, com a formulação da teoria do átomo nuclear e da mecânica quântica nas primeiras décadas do século XX, tornou-se claro que a tabela periódica foi na verdade a primeira indicação de estrutura atômica, meio século antes de entendermos verdadeiramente a mensagem da tabela.
Enquanto a história contada pela tabela periódica indicava claramente a estrutura atômica, a história da radiação nuclear também sugere a estrutura do núcleo. Por exemplo, o césio ( 137 55 Cs, com cinquenta e cinco prótons e oitenta e dois nêutrons) emite um elétron e torna-se bário ( 137 56 Ba, com cinquenta e seis prótons e oitenta e um nêutrons).
Vamos tomar estes exemplos históricos e aplicar o raciocínio ao mundo moderno. Percebemos que as lições históricas nem sempre se aplicam. Mas às vezes, elas se aplicam.
A nossa “tabela periódica” de partículas é mostrada na imagem acima. Sua organização é diferente da tabela periódica de produtos químicos. Na figura, há seis tipos de quarks. Os quarks superior, de charme e superior têm todos carga +⅔ (num sistema onde a carga de um próton é +1) e a massa do quark de charme excede a do quark superior, que por sua vez é ultrapassada pelo quark superior. Da mesma forma, os quarks inferior, estranho e inferior têm todos carga elétrica -⅓, com a massa aumentando à medida que se vai para a direita.
Na tabela periódica moderna, as unidades “quimicamente semelhantes” são as filas, em contraste com as colunas da tabela de Mendeleev. Vemos que existem três “gerações” ou cópias de carbono do mesmo padrão quark e lepton. Isto lembra muito as pistas que a tabela periódica química nos dava na segunda metade do século XIX.
Há outra semelhança histórica a considerar. Tal como os vários núcleos atómicos poderiam decompor-se noutros núcleos, também os quarks e os leptões podem decompor-se. Um quark superior pode se decompor em um quark inferior e um boson W. Da mesma forma, o muão pode decompor-se em um elétron e dois neutrinos. Outros tipos de quarks e leptões também são possíveis. Na verdade, todas as partículas da segunda e terceira gerações acabam por se decompor nas partículas da primeira geração. Uma pista crucial é que a única força que pode transformar um quark ou lepton em outro (dizemos “mudar o ‘sabor’ do quark ou lepton”) é a força fraca. Além disso, especificamente só o W boson com carga elétrica pode fazer o trabalho.
Não há provas concretas de que a presença de gerações quark e lepton indicam que os quarks e leptons são compostos por partículas menores (até agora não descobertas). No entanto, a analogia histórica é fortemente sugestiva e certamente merece maior atenção. O fato de que, ao emitir um bóson W, pode-se mudar o sabor do quark ou do lepton é uma pista extremamente valiosa que está gritando algo importante para os físicos.
Eu só queria ter a inteligência para entender o que estava dizendo.
No entanto, mesmo sem a percepção crucial que racha o enigma, podemos especular inteligentemente sobre o assunto e (muito mais importante) peneirar através dos nossos montes de dados, procurando por pistas adicionais. Como em todas as pesquisas de novos fenômenos físicos, você tem que fazer um palpite educado sobre o que procurar e depois procurar por ele. Então, quais são as prováveis assinaturas experimentais da estrutura da quark?
Historicamente, um dos melhores lugares para procurar tem sido as colisões mais violentas. Você esmaga dois objetos juntos e vê quantas colisões há em cada nível de violência. Especificamente, você olha para a quantidade de “violência lateral”. Tecnicamente, chamamos a este momento transversal, que significa perpendicular à viga. Existem razões técnicas para esta escolha, mas principalmente porque você tem que acertar algo com força para que ele se desvie de sua direção original.
Hoje, a maioria dos físicos tem uma atitude de “esperar e ver”, preferindo ver o que o universo nos dará. Mesmo assim, nomes foram propostos para estes objetos menores que quarks, sendo o mais popular “preon” (para pré-quark). No entanto, cada físico teórico que inventou uma teoria inventou o seu próprio nome, tendo sido sugeridos sub-quarks, maons, alphons, quinks, rishons, tweedles, helons, haplons e Y-particles. Eu próprio gosto dos nomes quinks ou tweedles.
Qual será a próxima grande descoberta? Eu não faço ideia. Pode muito bem ser um dos tópicos aqui mencionados. Ou, ainda mais emocionante, pode ser algo totalmente inesperado; algo que nos atinge do nada. Como eles dizem, o tempo o dirá.