O mundo subatômico

Qual é a matéria-prima de tudo o que existe no mundo físico? Estudos cosmológicos modernos levaram os cientistas à conclusão de que o Universo é preenchido por três tipos de matéria e energia:

• Matéria bariônica (ou ordinária)
• Matéria escura
• Energia escura

É surpreendente que a matéria que conhecemos, a bariônica (também chamada de matéria ordinária ou normal), componha apenas 4,6% do conteúdo do Universo. Entretanto, esta é a realidade.

Matéria escura e energia escura são de natureza desconhecida. Sabemos de sua existência pelos efeitos sobre os objetos cósmicos e a dinâmica do Universo. Saiba mais detalhes em nosso artigo sobre matéria e energia.

Nos tópicos seguintes deste artigo, quando falarmos em matéria, estaremos nos referindo à matéria bariônica. É dela que são feitos os nossos corpos, os objetos que vemos e tocamos ao nosso redor, o ar que respiramos, a água que bebemos. Ela também é matéria-prima de estrelas, planetas e outras estruturas cósmicas.

Mas será que nosso entendimento sobre a matéria bariônica é completo? O que sabemos sobre sua natureza mais íntima? Do que ela é formada? Sabemos que é feita de átomos, mas o que são eles, em sua essência?

Em meados do século V a. C., os filósofos gregos Leucipo e Demócrito lançaram a ideia do atomismo. Segundo eles, se cortarmos qualquer objeto ao meio e repetirmos o procedimento sucessivamente com as partes resultantes, obtendo assim pedaços cada vez menores, chegará um momento em que teremos uma partícula de matéria que não poderá mais ser dividida.

Demócrito afirmou: "tudo o que existe são átomos e vazio". Estava lançado o conceito de que tijolos fundamentais, interagindo entre si no vácuo, constroem tudo o que é físico. O átomo (do grego a = não; tomos = divisão) era, nessa época, imaginado como uma partícula sólida, muitíssimo pequena e, por definição, indivisível.

O modelo foi muito contestado (inclusive por Aristóteles), mas Leucipo e Demócrito plantaram a semente que germinou, e a ideia foi se desenvolvendo ao longo do tempo. Por meio de muitos estudos, experimentos e descobertas, que deram origem a entendimentos cada vez mais consistentes, chegamos à Teoria Atômica atual.

Hoje, sabemos que o átomo não tem nada de sólido, como seu antecedente do atomismo grego. Com certeza é muito pequeno, menor do que podemos imaginar, mas de forma alguma é indivisível. Existem níveis ainda mais profundos, conforme veremos mais à frente.

Os átomos se unem por ligações químicas formando moléculas, as quais constituem todas as substâncias, estejam elas no estado sólido, líquido ou gasoso. Há outros estados possíveis, como o plasma e o Condensado de Bose-Einstein, dos quais trataremos em artigos mais avançados.

Uma substância é matéria que se apresenta com uma composição bem definida e constante, além de possuir propriedades físicas e químicas exclusivas. São exemplos: água, oxigênio, ouro, prata, hidrogênio, etc.

Outra definição importante é a de elemento, que é uma substância que não pode ser reduzida a substâncias mais simples por meio de separação química. Um exemplo é o elemento hidrogênio, cuja molécula é formada por dois átomos de hidrogênio. Átomos de um mesmo elemento são idênticos.

A água não é um elemento, pois suas moléculas são formadas por ligações entre átomos diferentes. Um elemento é uma substância, mas nem toda substância é um elemento. A figura a seguir representa a formação de duas moléculas da substância água a partir de uma molécula de oxigênio e duas de hidrogênio:

Podemos representar átomos e moléculas de maneiras variadas. Na figura acima, foram usados modelos espaciais (os desenhos) e fórmulas moleculares das substâncias. Outras opções são a fórmula estrutural e o modelo de esferas e bastões.

Conforme já dissemos, os átomos não são indivisíveis. Eles têm estrutura interna, composta de prótons, nêutrons e elétrons.

O próton tem carga elétrica positiva, e o elétron, negativa. O nêutron, como o próprio nome sugere, é eletricamente neutro. Em um átomo estável, a quantidade de prótons é igual à quantidade de elétrons.

Os prótons e nêutrons ficam unidos no núcleo, e os elétrons localizam-se nas órbitas ao redor. O que diferencia os átomos entre si é a quantidade dessas partículas que está presente em cada um deles.

A região que contém as órbitas dos elétrons é chamada de eletrosfera. Ao longo da história, vários modelos descritivos de como são os átomos foram propostos e, atualmente, considera-se mais adequada aquela que representa a eletrosfera como uma nuvem eletrônica.

Um átomo de hidrogênio, o elemento mais leve, tem apenas um próton no núcleo e um elétron em sua órbita. O segundo mais leve é o hélio, com dois prótons, dois nêutrons e dois elétrons.

A quantidade de prótons de um átomo é o seu número atômico, simbolizado pela letra Z. O número de massa (A) é a soma do número atômico com o número de nêutrons. Ou seja, A é a quantidade total de prótons e nêutrons no núcleo.

Confira abaixo a representação esquemática de alguns átomos, com a distribuição dos elétrons em níveis de energia (modelo de Bohr) e seus respectivos valores de Z e A:

Cabe ressaltar que massa atômica e número de massa não são a mesma coisa. A primeira é uma grandeza física, cuja medida é associada a uma unidade de massa atômica, representada por u. Por exemplo, a massa atômica do hidrogênio é igual a 1,0079 u. Por outro lado, o número de massa é sempre um número inteiro, que corresponde à quantidade de prótons e nêutrons.

1 u corresponde a 1/12 da massa de um átomo de carbono e equivale, em gramas, a 1,66054 x 10^-24 g. A informação da massa de todos os átomos conhecidos pode ser encontrada por consulta à tabela periódica dos elementos, que mostraremos mais abaixo.

Combinando as imagens acima, veja esquematicamente como átomos de hidrogênio e oxigênio se unem para formar uma molécula de água:

Há uma diferença imensa entre as dimensões do núcleo e da eletrosfera. Um átomo é de 10.000 a 100.000 vezes maior que seu núcleo, e este é muito denso, concentrando a maior parte da massa. Além disso, as dimensões de um elétron são desprezíveis em comparação com o tamanho da eletrosfera em que ele se encontra.

Isto significa que um átomo é, em sua maior parte, espaço vazio (sem matéria). Veja, no exemplo abaixo, como o núcleo de um átomo de hélio é ínfimo em comparação com sua eletrosfera:

A tabela periódica dos elementos classifica informações sobre os átomos de cada um dos 118 elementos, os quais são dispostos de acordo com seu comportamento, número atômico, configuração eletrônica e características periódicas. As linhas são os períodos, e as colunas, os grupos:

No início dos anos 1970, desenvolveu-se o Modelo Padrão da Física de Partículas (Standard Model), também chamado de Modelo Padrão das Partículas Elementares. Este é o paradigma atual, resultado de descobertas e teorias que vêm se consolidando desde os anos 1930. A Física de Partículas é um campo muito ativo de pesquisas, e ainda há muitos mistérios a serem desvendados.

No entanto, o Modelo Padrão é uma teoria física muito bem testada e explica consistentemente os resultados de quase todos os experimentos, conseguindo prever uma grande variedade de fenômenos.

A teoria parte do princípio de que toda a matéria do Universo é feita de alguns blocos básicos, chamados de partículas fundamentais (ou elementares), e essa matéria é governada por quatro forças fundamentais. O modelo explica as relações existentes entre esses blocos e três das quatro forças. Ou seja, não é completo, pois não inclui a força da gravidade.

Os elétrons são partículas elementares, pois não há como subdividi-los, mas os prótons e nêutrons são formados por partículas ainda menores do que eles.

Todas as partículas elementares da matéria são férmions ou bósons. Os férmions são de dois tipos básicos, os quais formam toda a matéria do Universo: os quarks e os léptons. As partículas formadas por quarks, como os prótons e nêutrons, são chamadas de hádrons. Em cada um dos dois grupos, identificam-se seis partículas, as quais são classificadas em pares e gerações.

Os férmions mais leves e estáveis são da primeira geração, enquanto que os mais pesados e menos estáveis estão na segunda e terceira gerações. Toda a matéria estável do Universo é feita de partículas da primeira geração. As partículas mais pesadas decaem rapidamente em unidades mais leves.

Os seis tipos (metaforicamente, "sabores") de quarks estão pareados da seguinte forma:

• 1ª geração: up / down.
• 2ª geração: charm / strange.
• 3ª geração: top / bottom.

Em um hádron, cada quark pode se apresentar em qualquer uma de três "cores" diferentes, comumente identificadas como vermelho, verde e azul. A distribuição é arbitrária, mas as três devem estar presentes. A "mistura" gera objetos variadamente "coloridos".

A atribuição de cores foi proposta pelo físico norte-americano Oscar Greenberg, para resolver o paradoxo das partículas formadas por quarks idênticos, os quais, teoricamente, não poderiam estar juntos. No entanto, eles se diferenciam por uma propriedade análoga à carga elétrica (que pode ser positiva ou negativa), porém com três estados possíveis (as "cores"), ao invés de dois.

Veja abaixo uma distribuição de cores na estrutura de quarks de um próton. Observe a presença de dois quarks up, porém de cores diferentes:

Os integrantes do outro grupo de férmions, os léptons, também se agrupam em três gerações:

• 1ª geração: elétron / elétron neutrino.
• 2ª geração: múon / múon neutrino.
• 3ª geração: tau / tau neutrino.

Elétron, múon e tau têm carga elétrica e apresentam uma massa considerável. Seus pares, os neutrinos, são eletricamente neutros e têm muito pouca massa.

São quatro as forças fundamentais em ação no Universo: força forte, força fraca, força eletromagnética (eletromagnetismo) e força gravitacional. Elas operam em níveis distintos e cada uma com sua própria intensidade:

• A mais fraca das forças é a gravidade. Em compensação, a influência gravitacional tem alcance infinito.
• O eletromagnetismo é bem mais forte do que a gravidade, e também tem alcance infinito.
• Como o próprio nome sugere, a força forte é, de fato, a mais forte das quatro forças fundamentais. Ela mantém quarks unidos.
• Quanto à força fraca, ela não é tão fraca assim, pois é muito mais forte que a gravidade, mas é, de fato, a mais fraca dentre as outras três. Ela está presente no decaimento radioativo de átomos.

As três forças explicadas pelo Modelo Padrão são decorrentes do intercâmbio de partículas mensageiras (mediadoras), que pertencem ao grupo dos bósons. As partículas de matéria transferem quantidades discretas (quanta) de energia, através da troca de bósons com outras partículas.

Cada uma dessas três forças tem seu próprio bóson. A força forte é mediada pelo glúon, o eletromagnetismo pelo fóton, e dois bósons respondem pela força fraca, o bóson W e o bóson Z. A partícula mediadora para a gravidade é chamada de gráviton, mas ela pertence ao terreno das hipóteses, pois sua existência nunca foi detectada. Na verdade, no contexto do Modelo Padrão, ou seja, nas dimensões subatômicas, a força gravitacional é tão fraca que sua influência pode ser desprezada.

A força forte e a força fraca agem sobre domínios restritos, apenas no nível das partículas subatômicas. A força forte (também chamada de força nuclear forte) é a mais poderosa do Universo. É ela que mantém unidos os quarks que formam prótons e nêutrons.

A força fraca (ou força nuclear fraca) é responsável pelo decaimento beta (ilustração a seguir), um tipo de radioatividade em que um nêutron se transforma em um próton dentro do núcleo, liberando um elétron e um antineutrino (não se assuste com o nome, mais à frente falaremos sobre a antimatéria).

O conceito de antimatéria foi introduzido em 1928 pelo físico britânico Paul Dirac, cuja teoria lhe rendeu o Prêmio Nobel de Física de 1933. Combinando a Teoria Quântica com a Relatividade Especial, ele propôs uma equação para descrever o comportamento de um elétron em velocidade relativística (velocidade comparável à da luz).

Assim como a equação x² = 4 tem dois resultados possíveis (2 e -2), a equação de Dirac também leva a duas soluções: uma para um elétron com energia positiva e outra para um elétron com energia negativa. Entretanto, a Física Clássica impõe que a energia de uma partícula seja sempre uma grandeza positiva.

O dilema é resolvido pela suposição de existência da antimatéria: para cada tipo de partícula existente, há uma correspondente antipartícula, similar porém com carga elétrica oposta. A antipartícula do elétron, por exemplo, é o antielétron, ou pósitron, que tem carga positiva.

Seguindo o mesmo padrão, temos o antipróton, análogo do próton mas com carga negativa. E o antinêutron, para o qual não há sentido em se dizer que tem carga elétrica oposta, pois também é eletricamente neutro. Mas ele se diferencia do nêutron por ser formado por antiquarks.

Quando matéria e antimatéria entram em contato, elas se aniquilam mutuamente, desaparecendo em um flash de energia. Aqui temos uma grande questão, ainda não resolvida pelos cosmólogos e conhecida como o problema da assimetria: considerando que o Big Bang deve ter criado montantes iguais de matéria e antimatéria, por que a matéria predominou sobre a antimatéria?

Muito se tem falado no meio científico sobre a descoberta do bóson de Higgs, ousadamente apelidado de "a partícula de Deus". Mas o que é ele, exatamente?

Em nossa atual descrição da natureza, cada partícula é uma onda em um campo. O exemplo mais familiar é a luz, que é simultaneamente uma onda no campo eletromagnético e um feixe de partículas chamadas de fótons.

No caso do bóson de Higgs, o Campo veio primeiro. O Campo de Higgs foi proposto em 1964 como um novo tipo, que preenche todo o Universo e fornece massa para todas as partículas elementares. Era nulo imediatamente após o Big Bang, mas emergiu espontaneamente à medida que o Universo esfriou, chegando a um determinado nível crítico de temperatura.

As partículas, por si mesmas, não possuem massa, que adquirem quando interagem com o Campo, e quanto mais intensa for essa interação, mais massivas ficarão. Os fótons, por exemplo, não possuem massa porque não interagem com o Campo. No entanto, outras partículas elementares, incluindo elétrons, quarks e bósons, interagem e, por isso, têm variadas massas.

Este processo de ganho de massa pela interação com o Campo de Higgs chama-se Mecanismo de Brout-Englert-Higgs, ou simplesmente Mecanismo de Higgs, por ter sido proposto em artigos publicados pelos teóricos Robert Brout e François Englert, e por Peter Higgs de modo independente.

O Campo, assim como todas as forças, também tem uma partícula associada: o bóson de Higgs, manifestação visível do Campo de Higgs. Ou seja, o bóson de Higgs é uma onda nesse campo.

O bóson de Higgs não pode ser descoberto, no sentido de ser encontrado em algum lugar. Ele precisa ser criado através de uma colisão entre partículas. Uma vez criado, ele se transforma (tecnicamente, "decai") em outras partículas, as quais podem ser identificadas com detectores de partículas.

Em experimentos realizados no CERN (vide ilustração abaixo), Os físicos procuram por traços dessas partículas dentre os dados coletados pelos detectores. A grande dificuldade é que elas também são produzidas em muitos outros processos, enquanto que o decaimento do bóson de Higgs ocorre por volta de uma vez a cada bilhão de colisões.

Com toda essa dificuldade, uma cuidadosa análise estatística de um imenso volume de dados teve como resultado, em 2012, a revelação do tênue sinal proveniente do bóson de Higgs. Mas como os cientistas podem saber que era ele mesmo?

Esta partícula não tinha carga elétrica, tinha vida curta e decaía de uma forma que, segundo a teoria, o bóson de Higgs deve decair. Para obter uma confirmação definitiva, os físicos precisavam checar o “spin” - o bóson de Higgs é a única partícula que tem um spin zero.

Após examinar um volume de dados duas vezes e meia maior que o anterior, eles finalmente concluíram, em março de 2013, que, de fato, algum tipo de bóson de Higgs havia sido descoberto, e a principal implicação é que isto prova a existência do Campo de Higgs.

Isto foi só o início! Nos dez anos que se seguiram, os físicos examinaram a força com que o bóson interage com outras partículas, para ver se corresponderia às previsões teóricas.

A força de interação pode ser medida experimentalmente pela observação da produção e do decaimento do bóson: quanto mais pesada for uma partícula, maior é a probabilidade de o bóson de Higgs decair nela ou ser produzido a partir dela. A interação com leptons tau foi descoberta em 2016 e a interação com quarks top e bottom em 2018.

Mas ainda há muito o que se aprender sobre o bóson de Higgs. É uma partícula única ou há tipos diferentes? Ele pode ajudar na explicação sobre como o Universo se formou, com a matéria triunfando sobre a antimatéria? Obtém massa interagindo consigo mesmo, de alguma forma? E por que sua massa é tão pequena, sugerindo a existência de um mecanismo totalmente novo?

Outra possibilidade: poderia a matéria escura e outras novas partículas serem localizadas e identificadas graças a interações com o bóson de Higgs?

Dez anos após a descoberta, a jornada está apenas começando!

No decorrer dos anos 1970, os físicos chegaram à conclusão de que o eletromagnetismo e a força fraca podem ser descritos através de uma teoria única, e esta constitui a base do Modelo Padrão da Física de Partículas.

Trata-se da Teoria Eletrofraca, formalmente proposta por Steven Weinberg, Abdus Salam e Sheldon Glashow. Esta unificação implica que o eletromagnetismo, a eletricidade, a luz e alguns tipos de radioatividade sejam todos manifestações de uma força básica subjacente, a força eletrofraca.

Equações da Teoria Eletrofraca descrevem de forma consistente a força eletrofraca e as partículas mensageiras a ela associadas (portadoras de força): os fótons e os bósons W e Z. Entretanto, o modelo traz consigo um paradoxo.

O problema é que, em tese, essas partículas mensageiras deveriam emergir sem massa. Isto é verdade no caso do fóton, mas sabe-se que os bósons W e Z possuem massa, que corresponde a quase 100 vezes a massa do próton.

O Mecanismo de Higgs soluciona esse impasse, pois fornece massa aos bósons W e Z quando estes interagem com o Campo de Higgs.

O Modelo Padrão da Física de Partículas é muito bem sucedido em explicar inúmeros resultados experimentais e, ainda, em fazer previsões de fenômenos observáveis. E a descoberta do bóson de Higgs, bem como de sua massa, encaixou-se como uma luva na teoria.

Entretanto, o modelo não é completo. Além de não incluir a força gravitacional, também não explica a natureza da matéria escura, nem da energia escura, e muito menos o problema da assimetria da antimatéria.

Se considerarmos a distribuição da densidade energética, mostrada no início deste artigo, chegaremos à óbvia conclusão de que o Modelo Padrão cobre apenas 4,6% de toda a matéria que preenche o Universo. A teoria é muito consistente, porém limitada aos níveis de energia que consegue alcançar.

Por isso, cientistas realizam experimentos e fazem estudos visando descobertas que permitam a expansão do alcance do Modelo Padrão. O bóson de Higgs, por exemplo, nos termos em que é descrito, é a mais simples manifestação do Mecanismo de Higgs. Podem existir outros tipos de bósons de Higgs, previstos em teorias alternativas.