Traduzido por Catarina Quintans

Parte do detector ATLAS Imagem cortesia do CERN

A 10 de Setembro de 2008, às 10:28, o maior acelerador de partículas do mundo – o Grande Acelerador de Hadrões (LHC), foi ligado. Mas porquê? No primeiro de 2 artigos, Rolf Landua do CERN e Marlene Rau do EMBL, investigam as grandes questões por resolver da física de partículas, e o que o LHC nos pode ensinar sobre os primeiros instantes do Universo, desde 10-12 segundos após o Big Bang.

Quando o Universo se formou, há 13700 milhões de anos, no Big Bang, uma imensa concentração de energia foi transformada em matéria, em menos de um bilionésimo de segundo. As temperaturas, densidades e energias envolvidas foram extremamente elevadas. De acordo com a lei de Einstein E=mc², para criar uma partícula de matéria com dada massa (m) precisamos de uma quantidade de energia correspondente (E), em que a velocidade da luz (c) define o factor de conversão a que essa transformação ocorre. As grandes energias disponíveis no Big Bang podem ter dado origem a partículas de massa muito elevada. Os físicos propuseram essas partículas massivas hipotéticas, para explicar questões em aberto sobre a criação e a composição do nosso Universo.

Para investigar essas teorias, os cientistas construíram o Grande Acelerador de Hadrões (LHC). Se um tipo de partículas pode ser criado no LHC, o maior acelerador de partículas do mundo, podemos assumir que elas existiram nos primeiros instantes após o Big Bang. O LHC colidirá particulas à maior energia cinética que é tecnicamente possível atingir neste momento (essa energia corresponde à que se calcula ter existido 10^-12 segundos após o Big Bang), num choque a velocidades próximas da velocidade da luz. Disso devem resultar novas partículas, de maior massa que as produzidas em qualquer outra experiência anteriormente realizada, permitindo aos físicos testar as suas teorias. Contudo, ao contrário do sugerido por alguns meios de comunicação social, a energia das colisões no LHC será cerca de 1075 vezes inferior à do Big Bang, pelo que os receios de que um "Small Bang" possa ser recreado são infundados.

Os blocos constituintes da matéria: o Modelo Padrão

Desde os tempos dos filósofos gregos que as pessoas se interrogam acerca de o que é que o nosso mundo é feito. É possível explicar a enorme diversidade de fenómenos naturais – rochas, plantas, animais (incluindo os humanos), nuvens, trovoadas, estrelas, planetas e muito mais – de uma forma simples? As teorias e as descobertas dos físicos no século passado deram-nos uma resposta: tudo o que existe no Universo é feito de um pequeno número de blocos constituintes, chamados partículas de matéria, governados por 4 forças fundamentais. O nosso conhecimento actual de como estes se inter-relacionam constitui o Modelo Padrão das partículas e forças (ver imagem). Desenvolvido no início dos anos setenta, esta é agora uma teoria da física bem testada.

As partículas de matéria surgem em dois tipos distintos: os leptões e os quarks. Ambos são pontuais (inferiores a 10-19 m, a décima milésima parte do diâmetro de um átomo). Juntos, formam um conjunto de doze partículas, divididas em três famílias, cada uma constituida por dois leptões e dois quarks. A família fundamental, com um quark-up e um quark-down, um electrão e um neutrino (os dois leptões referidos), é suficiente para explicar o nosso mundo visível. As oito partículas de matéria nas outras duas famílias são instáveis, e parecem diferir da família fundamental apenas por terem massa mais elevada. Embora o prémio Nobel da Física de 2008 tenha sido atribuido pela explicação para a existência dessas outras partículas massivasw1, os físicos continuam a tentar perceber porque é que elas são exactamente oito.

O Modelo Padrão da física de partículas. Clique para ampliar a imagem Imagem cortesia do CERN

As partículas de matéria podem ‘comunicar’ entre elas de quatro formas distintas, por troca de diferentes tipos de partículas mensageiras, chamadas bosões (um tipo para cada uma das quatro interacções). Estes podem ser vistos como pequenos pacotes de energia com propriedades específicas. A intensidade e o alcance destas quatro interacções (as forças fundamentais) são responsáveis pela hierarquia observada na matéria.

Três quarks são mantidos juntos pela força forte, de longo alcance, formando hadrões (partículas feitas de quarks) - os protões (dois quarks-up e um -down) e os neutrões (um quark-up e dois -down) dos núcleos atómicos. Os quarks-up têm carga eléctrica +2/3, e os quarks-down -1/3, o que explica a carga positiva dos protões e neutra dos neutrões.

Porque é que os electrões são atraídos pelo núcleo, formando o conjunto um átomo? Como os protões têm carga eléctrica positiva e os electrões carga eléctrica negativa, eles são atraídos por via da interacção electromagnética, de longo alcance, que força os electrões a orbitarem em torno do núcleo pesado. Por sua vez, conjuntos de átomos podem formar moléculas, que são o material básico da vida.

Visto que todas estas partículas têm massa, elas atraem-se também entre si, através da gravitação – mas esta força de longo alcance, o terceiro tipo de interacção, é tão fraca (cerca de 38 ordens de grandeza mais fraca que o electromagnetismo) que só se torna importante quando muitas partículas actuam em conjunto. A atracção gravitacional combinada de todos os protões e neutrões da Terra é o que nos impede de flutuarmos pelo espaço.

Por fim, existe a força fraca (na verdade, mais forte que a gravidade, mas a mais fraca das outras três) – de muito curto alcance – que permite que quarks de um tipo se transformem noutro, ou que leptões de um tipo se transformem noutro. Sem estas transformações, não existiria a radiação de decaímento beta, em que um neutrão se converte num protão, isto é, em que um quark-down se transforma num quark-up (para uma explicação sobre a radiação de decaímento beta, ver Rebusco et al, 2007). Além disso, também o Sol não brilharia: a energia radiada pelas estrelas provem de um processo de fusão (para uma explicação adicional, ver Westra, 2006), em que um protão se converte num neutrão pela transformação de um quark-up num quark-down – por outras palavras, o decaímento beta inverso.

Embora o Modelo Padrão tenha servido bem o propósito de explicar as leis fundamentais da natureza, esta não é toda a história. Um certo número de questões permanecem sem resposta, e as experiências do LHC irão abordar alguns desses problemas.

Um problema ‘massivo’ – o campo de Higgs

Peter Higgs visita a experiência CMS, que poderá encontrar o fugidio bosão de Higgs Imagem cortesia do CERN

Uma das questões em aberto é: porque é que as partículas (e portanto, a matéria) têm massa? Se as partículas não tivessem massa, não poderia existir estrutura no Universo, porque tudo o que haveria seriam partículas sem massa individuais a deslocarem-se à velocidade da luz. Mas a massa das partículas é responsável por alguns problemas matemáticos.

Nos anos 60, uma ideia foi desenvolvida para explicar a força fraca e a força electromagnética, numa única teoria poderosa, que descreve a electricidade, o magnetismo, a luz, e alguns tipos de radioactividade, todos como sendo manifestações de uma mesma força a que se chamou força electrofraca. Mas de forma a que esta unificação possa funcionar em termos matemáticos, é necessário que as partículas portadoras da força tenham massa. Contudo, não era claro de início como dar massa às partículas, matematicamente. Em 1964, os físicos Peter Higgs, Robert Brout e François Englert inventaram uma possível solução para este embróglio: sugeriram que as partículas adquirem massa por interacção com um campo de forças invisível, chamado o campo de Higgs. A sua partícula mensageira associada é conhecida como o bosão de Higgs. Esse campo está presente em todo o cosmos: qualquer partícula que interaja com ele (esta interacção pode ser imaginada como uma espécie de fricção) obtem uma massa. Quanto mais interagem, mais massivas se tornam – enquanto que partículas sem interacções com o campo de Higgs não adquirem qualquer massa (ver desenho).

Esta ideia permitiu conciliar de forma satisfatória as teorias estabelecidas com os fenómenos observados. O problema é que ninguém nunca detectou esse bosão fugidio. A dificuldade em encontrá-lo (se é que ele existe) é que a teoria não prevê a sua massa, e por isso a pesquisa tem de ser feita por tentativa e erro.

Usando colisões de partículas de alta energia, os físicos criam novas partículas – e procuram, entre elas, o bosão de Higgs. A pesquisa tem decorrido nos últimos 30 anos, com energias cada vez maiores, mas a partícula continua por detectar – supostamente, as energias usadas até agora não foram suficientemente elevadas. Ao que parece, a partícula de Higgs tem de ter uma massa pelo menos 130 vezes superior à do protão. Os cientistas acreditam que a energia gerada no LHC – 7 vezes superior à de qualquer outro colisionador até hoje – deve ser suficiente para detectar o bosão de Higgs.

O mecanismo de Higgs. Clique para ampliar a imagem Imagem cortesia do CERN

Duas das experiências do LHC, chamadas ATLAS e CMS, procurarão evidências do decaímento da partícula de Higgs, que se pensa ser muito instável. Provar a sua existência seria um enorme passo para a Física de partículas, por completar o nosso conhecimento acerca da matéria. Contudo, se o bosão de Higgs não for encontrado, isso significará que, ou ele é ainda mais massivo do que o LHC permite detectar, ou simplesmente não existe de todo. Nesse caso, uma das teorias alternativas propostas poderá ser afinal a verdade. Caso contrário, os físicos terão de voltar aos seus quadros negros, e inventar uma teoria totalmente nova para explicar a origem da massa.

Este evento é um exemplo de dados simulados no detector CMS. Aqui, um bosão de Higgs é produzido, decaindo em dois jactos de hadrões e dois electrões. As linhas representam os percursos possíveis das partículas produzidas pela colisão protão-protão no detector, sendo a energia depositada por essas partículas mostrada a azul Imagem cortesia do CERN

O lado negro do Universo

Há outro aspecto importante da física de partículas que o Modelo Padrão não pode explicar: observações recentes mostraram que tudo o que "vemos" no Universo (estrelas, planetas, poeira) corresponde a apenas uns meros 4% da sua massa total e energia (na forma de radiação e campos do vácuo, tais como o campo de Higgs). A maior parte do Universo, porém, é feita de substâncias invisíveis, que não emitem radiação electromagnética – ou seja, não podemos detectá-las de forma directa, com telescópios ou instrumentos semelhantes. Estas substâncias só interagem com a matéria "normal" através da gravitação, não através das outras três forças fundamentais. Portanto, apenas podemos detectá-las por via dos seus efeitos gravitacionais, o que as torna muito difíceis de estudar. Estas substâncias misteriosas são conhecidas como energia negra e matéria negra (como exposto em Warmbein, 2007, e Boffin, 2008).

Observações recentes sugerem que a matéria negra constitui cerca de 26% do Universo. A primeira evidência da sua existência surgiu em 1933, quando observações astronómicas e cálculos dos efeitos gravitacionais revelaram que tem de haver algo mais nas galáxias e à sua volta do que o detectado pelos telescópios. Actualmente os investigadores acreditam não só que o efeito gravitacional da matéria negra permite às galáxias rodarem mais depressa que o esperado para a sua massa visível, mas também que o campo gravitacional da matéria negra desvia a luz dos objectos por detrás dela (lentes gravitacionais: para uma breve descrição, ver Jørgensen, 2006). Estes efeitos podem medir-se, e podem ser usados para estimar a densidade de matéria negra, mesmo se não podemos observá-la de forma directa. Mas, o que é a matéria negra? Uma ideia é que sejam partículas super-simétricas. um conjunto completo de partículas hipotéticas, parceiras das doze partículas já descritas no Modelo Padrão (ver diagrama).

Imagem composta, que mostra um ‘anel’ fantasma de matéria negra no aglomerado de galáxias Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652). Fotografia tirada usando o Telescópio Espacial Hubble. Imagem cortesia da NASA, ESA, M.J. Jee e H. Ford (Universidade Johns Hopkins); Origem da imagem: Wikimedia Commons

O conceito de super-simetria postula que por cada partícula de matéria ou mensageira conhecida (como o electrão e o fotão – a partícula mensageira da força electromagnética) existe um parceiro super-simétrico (no caso do exemplo, o s-electrão e o fotino). Num mundo super-simétrico, estas partículas teriam massas e cargas identicas às dos seus parceiros do Modelo Padrão, mas o seu momento angular intrínseco (o chamado spin, medido em unidades da constante de Planck) diferiria de 1/2. As partículas de matéria em geral têm spin 1/2, enquanto que as partículas mensageiras têm spin 1. Alterar o spin das partículas de 1/2 significa transformar partículas de matéria em mensageiras, e vice-versa.

Super-simetria: por cada partícula do Modelo Padrão postula-se um parceiro super-simétrico. Clique para ampliar a imagem Imagem cortesia do CERN

Mas o que é que a super-simetria tem a ver com a matéria negra? Se a teoria da super-simetria está correcta, então o Big Bang terá criado muitas partículas super-simétricas. A maior parte delas seriam instáveis, e terão decaído noutras; mas as mais leves de todas poderiam ser estáveis. E são estas partículas super-simétricas mais leves que podem existir pelo Universo, e formar agregados, como grandes esferas de matéria negra, que se pensa actuarem como estrutura para a formação de galáxias e estrelas dentro delas.

Contudo, nenhuma dessas partículas super-simétricas foi jamais detectada – mais uma vez, talvez por as suas massas serem tão grandes, e estarem fora do alcance dos aceleradores de partículas menos poderosos que o LHC, como sucede com o bosão de Higgs. Ou seja, se elas existem, mesmo as mais leves terão de ser muito pesadas: em vez de terem a mesma massa que as parceiras do Modelo Padrão (como originalmente proposto), terão de ter massas muito maiores. A super-simetria é igualmente usada como explicação possível para outros quebra-cabeças ainda mais complexos da física de partículas. Por isso, se alguma das experiências do LHC detectar e medir as propriedades dessas partículas, esse será um avanço muito significativo na nossa compreensão do Universo.

O anti-universo perdido?

Já falámos de matéria, matéria negra e energia negra – mas no Universo inicial, havia mais ainda: temos boas razões para acreditar que numa pequena fracção de segundo após o Big Bang, o Universo era constituído por igual quantidade de matéria e de anti-matéria. Quando da energia se formam partículas, como no Big Bang ou em colisões ultra-energéticas, elas são sempre criadas em conjunto com as suas correspondentes anti-partículas. Assim que uma partícula de anti-matéria encontra uma de matéria, elas aniquilam-se mutuamente, e o processo de aniquilação transforma de novo as suas massas em energia. Portanto, no Big Bang, matéria e anti-matéria deveriam ter sido produzidas em iguais quantidades, e ter-se depois aniquilado entre elas, totalmente. Contudo, enquanto que toda a anti-matéria do Big Bang desapareceu, uma pequena quantidade de matéria restou, no fim do processo: é o que nos constitui hoje. Como é que isso pôde acontecer?

A anti-matéria é como uma imagem-no-espelho da matéria. Por cada partícula de matéria, existe uma anti-partícula com a mesma massa, mas propriedades inversas: por exemplo, o electrão, de carga negativa, tem uma anti-partícula associada de carga positiva, chamada positrão. A anti-matéria foi postulada em 1928 pelo físico Paul Dirac. Ele desenvolveu uma teoria que combina a mecânica quântica e a teoria da relatividade restrita de Einstein, para descrever as interacções dos electrões que se deslocam a velocidades próximas das da luz. A equação básica derivada por ele tem duas soluções, uma para o electrão, e outra que descreve a partícula com a mesma massa mas carga oposta (que hoje sabemos ser o positrão). Em 1932, foram encontradas as evidências experimentais que provaram que a teoria é correcta, com a descoberta do positrão nos raios cósmicos. Os raios cósmicos colidem a altas energias com partículas da atmosfera terrestre: nessas colisões, positrões e anti-protões são gerados a todo o momento.

Imagem cortesia do CERN

Nos últimos 50 anos ou mais, laboratórios como o CERN produziram regularmente anti-partículas em colisões, e estudaram-nas, demonstrando com grande precisão que as suas propriedades estáticas (massa, carga e momento magnético) são de facto idênticas às das correspondentes partículas de matéria. Em 1995, o CERN foi o primeiro laboratório a criar artificialmente anti-átomos completos, com anti-protões e positrões.

Se inicialmente as quantidades de matéria e anti-matéria eram iguais, porque é que não se aniquilaram entre elas totalmente, restando apenas radiação? O facto de a matéria ter sobrevivido, enquanto que a anti-matéria desapareceu, sugere que um desequilíbrio ocorreu algures numa fase inicial, deixando uma ínfima porção mais de matéria que de anti-matéria. É dessa quantidade residual que as estrelas e as galáxias – e nós mesmos – somos feitos. Os físicos interrogam-se actualmente sobre o que possa ter causado um tal desequilíbrio.

Uma das experiências do LHC (LHCb) procura compreender melhor o desaparecimento da anti-matéria, estudando as taxas de decaímento dos quarks b – que pertencem à terceira família (ver o diagrama do Modelo Padrão) – e comparando-as com as dos quarks anti-b. Já sabemos que essas taxas diferem, mas espera-se que medidas mais precisas ajudem a esclarecer melhor o mecanismo exacto por detrás desse desequilíbrio.

A sopa primordial

Para dar resposta a todas as questões anteriores, os físicos farão colidir protões no LHC. Contudo, parte do tempo de funcionamento anual será dedicado a acelerar e colidir feixes de iões de chumbo, e os produtos das colisões serão analisados pela experiência ALICE, a quarta grande experiência do LHC (além do ATLAS, CMS e LHCb). Cerca de 10-5 segundos após o Big-Bang, numa fase "posterior" do Universo, em que ele já tinha arrefecido a uns meros 2 biliões de graus, os quarks juntaram-se, formando protões e neutrões, que mais tarde formaram os núcleos atómicos (ver imagemda História do Universo). E desde então os quarks permanecem juntos, por acção dos gluões, os mensageiros da força forte (ver diagrama do Modelo Padrão). Devido ao facto de a intensidade da força forte entre quarks e gluões aumentar com a distância, contrariamente às outras forças, não foi possível observar quarks ou gluões individuais, a partir dos protões, neutrões ou outras partículas compostas, como os mesões. Os físicos falam de quarks e gluões confinados nas partículas compostas.

As fases da evolução do Universo, do Big Bang até hoje. Clique para ampliar a imagem Imagem cortesia do CERN

Suponhamos porém que era possível reverter o processo de confinamento. O modelo Padrão prevê que a temperaturas muito altas, em combinação com densidades muito elevadas, os quarks e gluões possam existir livres, num novo estado da matéria conhecido como plasma de quarks e gluões, uma espécie de "sopa" muito quente e densa dessas partículas. Uma tal transição deverá ocorrer quando a temperatura exceder 2 biliões de graus – cerca de 100 000 vezes mais quente que o núcleo do Sol. A uns poucos milionésimos do segundo, cerca de 10^-6 s após o Big Bang, a temperatura e a densidade do Universo eram suficientemente elevados para que este se encontrasse no estado de plasma de quarks e gluões. A experiência ALICE vai recriar essas condições num volume equivalente ao de um núcleo atómico, e analisar de forma detalhada os traços resultantes, para testar a existência do plasma e estudar as suas características.

No segundo artigo (Landua, 2008), Rolf Landua introduz-nos às tecnologias usadas no LHC, e nas suas quatro grandes experiências, ATLAS, CMS, LHCb e ALICE.

Referências

Boffin H (2008) “Intelligence is of secondary importance in research.” Science in School 10: 14-19. www.scienceinschool.org/2008/issue10/tamaradavis

Jørgensen, UG (2006) Are there Earth-like planets around other stars? Science in School 2: 11-16. www.scienceinschool.org/2006/issue2/exoplanet

Landua, R (2008) O LHC: um olhar no interior. Science in School 10: 34-45. www.scienceinschool.org/2008/issue10/lhchow/portuguese

Rebusco P, Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fusion in the Universe: where your jewellery comes from. Science in School 5: 52-56. www.scienceinschool.org/2007/issue5/fusion

Warmbein B (2007) Making dark matter a little brighter. Science in School 5: 78-80. www.scienceinschool.org/2007/issue5/jennylist

Westra MT (2006) Fusion in the Universe: the power of the Sun. Science in School 3: 60-62. www.scienceinschool.org/2006/issue3/fusion

Referências da Internet

w1 – O prémio Nobel da física de 2008 foi atribuído conjuntamente a Yoichiro Nambu ‘pela descoberta do mecanismo de quebra espontânea de simetria da física sub-atómica’ e a Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa ‘pela descoberta da origem da quebra de simetria, que prevê a existência de pelo menos três famílias de quarks na natureza’. Para mais detalhes, ver: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2008/press.html

Recursos

Uma descrição muito mais detalhada do Modelo Padrão e das experiências do LHC pode encontrar-se no livro alemão de Rolf Landua:

Landua R (2008) Am Rand der Dimensionen. Frankfurt, Germany: Suhrkamp Verlag

O website da NASA tem uma boa descrição da teoria do Big Bang: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_theory.html

O website The Particle Adventure contem actividades para o ensino, incluindo uma boa explicação do Modelo Padrão: http://particleadventure.org

Para saber mais sobre o bosão de Higgs, ver:

The Heart of the Matter: Inside CERN: www.exploratorium.edu/origins/cern/ideas/higgs.html

Páginas interactivas da National Geographic sobre o bosão de Higgs: http://ngm.nationalgeographic.com/2008/03/god-particle/particle-interactive.html

O artigo da National Geographic correspondente: http://ngm.nationalgeographic.com/2008/03/god-particle/achenbach-text

Para aprender mais sobre a anti-matéria, ver:

O website Live from CERN, que explica o que é a anti-matéria, onde é produzida, e como ela faz parte das nossas vidas: http://livefromcern.web.cern.ch/livefromcern/antimatter

O website CERN com informação sobre o filme Anjos e Demónios e informação de referência sobre a anti-matéria: http://public.web.cern.ch/Public/en/Spotlight/SpotlightAandD-en.html

O website oficial do filme Anjos e Demónios: http://www.angelsanddemons.com

Um portal para os dez websites mais populares sobre a anti-matéria: www.anti-matter.org

Um vídeo online da BBC/OU/VEGA que explica a anti-matéria: www.vega.org.uk/video/programme/14

Para uma introdução à super-simetria, ver: http://hitoshi.berkeley.edu/public_html/susy/susy.html

Para saber mais sobre a matéria negra e a energia negra, ver:

Um pacote audio-visual para o ensino, sobre a matéria negra, pelo Perimeter Institute for Theoretical Physics: http://www.perimeterinstitute.ca/Perimeter_Explorations/
The_Mystery_of_Dark_Matter/The_Mystery_of_Dark_Matter

Um vídeo sobre a evidência de matéria negra, revelada pelo Telescópio Espacial, no website Space.com: www.space.com/common/media
/video.php?videoRef=150407Dark_matter

Um vídeo que descreve as pesquisas da física Patricia Burchat em matéria negra e energia negra: www.ted.com/index.php/talks/
patricia_burchat_leads_a_search_for_dark_energy.html

Um artigo que explica a energia negra no website da Physics World: http://physicsworld.com/cws/article/print/19419

Para informação sobre o plasma de quarks e gluões, incluindo uma banda-desenhada (disponível em inglês, francês, italiano e espanhol) sobre a sopa de quarks e gluões, ver o cantinho das crianças do website da experiência ALICE: http://aliceinfo.cern.ch/Public/Welcome.html

Rolf Landua é o responsável pelo grupo de Educação do CERN, onde trabalha desde 1980. Físico de partículas alemão, ele é co-autor da Fábrica de Anti-matéria no CERN , e dirigiu o projecto ATHENA que criou milhões de átomos de anti-hidrogénio em 2002. Ele é secretamente famoso por ter inspirado a personagem de Leonardo Vetra, um físico da anti-matéria do CERN que é assassinado nas primeiras páginas do bestseller de Dan Brown Anjos e Demónios. A partir do livro, um filme está a ser realizado em Hollywood, que deverá estrear em Maio de 2009. Ele dá um curso no CERN para professores de f'isica de toda a Europa; é convidado regularmente a intervir na rádio e na televisão, e teve um seu livro sobre a física de partículas no CERN recentemente publicado em língua alemã (Am Rand der Dimensionen, On the Border of the Dimensions, ver Recursos). Pelo seu empenho na promoção da educação em ciência nas escolas, recebeu em 2003 o prémio de Comunicação da Sociedade Europeia de Física.