O Píon e o Pioneirismo de Lattes

 

Na semana passada eu discuti o centenário da descoberta dos raios cósmicos e a relevância particular desse evento para a física no Brasil. O resumo da estória (e da história) é que ao investigar a composição dos raios cósmicos o físico brasileiro Cesar Lattes descobriu uma partícula nova que hoje conhecemos como píon, descoberta essa que rendeu o Nobel ao chefe de Lattes. Mas o que é o píon e o que ele tem de especial?

Na década de 30 do século passado já sabíamos que os átomos são compostos de um núcleo feito de prótons e nêutrons e de elétrons em órbita ao redor do núcleo, em semelhança ao que ocorre com o sistema solar. O fato de que prótons e elétrons possuem cargas elétricas de sinais distintos gera a atração entre o núcleo e a nuvem eletrônica, mantendo os elétrons presos ao núcleo do mesmo modo que a atração gravitacional do Sol mantém os planetas em órbita ao seu redor.

Ilustração de um átomo. Em vermelho estão represenados os elétrons, em azul prótons e em amarelo nêutrons. Note que a ilustração não está correta em termos de escala.

Não é difícil perceber que esse modelo tem um problema. A saber que o núcleo possui apenas prótons, que tem carga positiva, e nêutrons, que são eletricamente neutros, o que significa que a força elétrica gera uma repulsão entre os prótons no intuito de os separar e assim desfazer os núcleos. Espero que fique claro que tem alguma coisa faltando. Falta uma outra força que segure o núcleo íntegro. A essa força chamamos de força nuclear forte*.

Um dos fatos interessantes da mecânica quântica, a teoria que rege o comportamento do mundo na escala atômica, é que todas as interações, e portanto as forças, entre dois objetos quaisquer têm de ser transmitidas via uma partícula. No caso da força eletromagnética a visão quântica nos diz que um objeto carregado emite uma certa partícula associada ao campo elétrico e que a troca dessa partícula por corpos carregados é que corresponde à força elétrica. Essa partícula associada ao campo eletromagnético é chamada fóton.

Dois elétrons (as curvas grossas) mudam sua trajetória ao trocar um fóton (curva ondulada). Essa é a origem da força elétrica de repulsão entre eles do ponto de vista quântico

Assim se existe uma interação entre os componentes do núcleo deve ter uma partícula associada a essa força. Em 1935 Hideki Yukawa se propôs a fazer a teoria dessa partícula. Porém existia uma dificuldade. Ao passo que a força eletromagnética pode ser sentida a longas distâncias, se tentarmos colidir um próton e um nêutron veremos que é necessário que eles cheguem muito próximos uns dos outros para sentir a interação. A longas distâncias a força nuclear forte é desprezível. A diferença está na massa da partícula portadora da força. No caso de interações a longa distância a massa deve ser nula, como no caso do fóton. Mas para a interação ter curto alcance a partícula portadora deve ter massa**. De fato sabendo que a interação nuclear só é relevante nas escalas de distância do tamanho do núcleo podemos inferir que a partícula associada deve ter uma massa de aproximadamente um quinto da massa do próton.

Assim até 1947 vivíamos o mesmo contexto histórico que presenciamos até a descoberta recente do Higgs. Sabíamos que para a teoria das interações nucleares estar correta era necessário que existisse uma partícula ainda não observada. Foi então que Cesar Lattes encontrou nos raios cósmicos um candidato a partícula, o píon,  que transmite a força nuclear forte. Ele registrou em placas fotográficas traços de uma partícula que depois se transformava em uma partícula distinta. Estudando a partícula resultante da transformação foi capaz de medir a massa da originante como um sexto da massa do próton, muito próximo do valor teorizado por Yukawa. Além disso o fato que o píon não podia atravessar uma espessura muito grande de matéria implicada que ele interage fortemente com os núcleos, confirmando que essa partícula nova estava ligada a força nuclear forte.

A placa fotográfica de Lattes. A linha que desce na vertical é o píon originário dos raios cósmicos. No final da placa ele se transforma em uma outra partícula similar ao elétron, que segue para a direita na horizontal.

Assim a descoberta do píon confirmou a teoria de Yukawa sobre o funcionamento da força que mantém o núcleo dos átomos íntegro, balanceando a repulsão elétrica dos prótons. Em 1949 Yukawa recebeu o Nobel pela parte teórica e em 1950 Cecil Powell, o chefe da colaboração da qual fazia parte Lattes, recebeu o Nobel pela descoberta experimental. Deste modo a descoberta do píon foi uma confirmação de que a teoria quântica nos permitia de fato entender o mundo dos átomos e núcleos.

*Existe um motivo para o nome força nuclear forte, a saber que existe uma outra interação nuclear mais fraca que de modo bem não-imaginativo chamamos de força nuclear fraca. Os detalhes dela ficam para uma próxima vez, mas por ora deixe-me dizer que ao passo que a força nuclear forte é responsável por manter a estrutura no núcleo a força nuclear fraca está relacionada com a emissão de radioatividade pelo núcleo.

**Incidentalmente essa é a relevância do bóson de Higgs. A força nuclear fraca também é de curto alcance, o que implica que a partícula dessa força tem que ter massa diferente de zero. Mas a teoria das interações fracas funciona apenas com partículas de massa zero. Assim precisamos de um mecanismo que dê massa às partículas da força nuclear fraca para que a teoria corresponda ao mundo que observamos. O mecanismo de Higgs é o modo através do qual as partículas da força fraca que são naturalmente sem massa adquirem massa e assim um curto alcance. O mecanismo é tal que para fornecer a massa é necessário que exista uma nova partícula associada ao mecanismo, o bóson de Higgs!

PS: Talvez no afã de deixar o texto compacto eu cometi o crime razoavelmente imperdoável de comentar que no início da graduação o Lattes tinha uma inclinação teórica. Foi o contato com o professor Giuseppe Occhialini que o levou a física experimental, em particular com o trabalho com emulsões fotográficas em física nuclear e quando o Occhialini foi para a Inglaterra trabalhar com o Powell ele levou o Lattes junto, onde ambos contribuíram para a descoberta do píon. O professor Occhialini foi um dos pioneiros da física do Brasil, fazendo parte da geração inicial de docentes da USP. Ele, e o professor Gleb Wataghin, estão para a física no país assim como o Claude Lévi-Strauss está para a antropologia.

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