Em busca das partículas fundamentais da matéria

MARCELO GLEISER
especial para a Folha

Demócrito e Leucipo, filósofos gregos do século 5 a.C., sugeriram que tudo no mundo é feito de átomos. Embora o átomo dos gregos seja diferente do átomo moderno, a idéia de que a matéria é feita de entidades fundamentais, indivisíveis, sobreviveu até hoje, como uma das heranças culturais da Grécia Antiga, assustadora em sua intuição de como funciona o mundo.

O átomo moderno não é perfeitamente denso nem indivisível como o dos gregos. Sabemos que os átomos têm um núcleo, composto por prótons e nêutrons, por sua vez orbitado por elétrons. O átomo mais simples, o de hidrogênio, tem apenas um próton e um elétron, enquanto o de urânio tem 92 prótons e 92 elétrons e pode ter 146 nêutrons!

Nas décadas de 30 a 50, os físicos estudaram processos envolvendo partículas em níveis de energia cada vez maiores. Basicamente, o método usado para estudar a composição fundamental da matéria é a força bruta. A idéia é colidir objetos a energias altíssimas em máquinas conhecidas como aceleradores de partículas e ver o que acontece. Por exemplo, podemos provocar a colisão entre um próton e um núcleo de um átomo de ouro, observando o resultado da colisão em detectores de partículas, máquinas capazes de "fotografar" o que acontece durante e após a colisão.

O que foi descoberto com esses experimentos e com as observações de raios cósmicos _partículas vindas do espaço que ao colidirem com a atmosfera têm papel semelhante ao dos aceleradores de partículas_ surpreendeu os cientistas. Esses experimentos revelaram centenas de outras partículas "elementares", resultados da transformação entre energia e massa prevista pela teoria da relatividade especial de Einstein. A energia de movimento das partículas é transformada em matéria, em novas partículas, durante a colisão. É como se colidíssemos bolas de tênis e criássemos elefantes e caminhões como resultado!

A descoberta dessas centenas de partículas levou os físicos a questionar o próprio conceito de "partícula elementar". Afinal, centenas de tijolos fundamentais da matéria, não são lá muito fundamentais. Essa situação embaraçosa mudou nos anos 60, com a sugestão do físico americano Murray Gell-Mann de que essas partículas eram compostas por outras menores que ele chamou de "quarks", termo tirado de um texto de James Joyce.

A idéia é simples. Do mesmo modo que os vários átomos podem ser explicados por combinações de prótons, nêutrons e elétrons, essas várias partículas podem ser explicadas por combinações de apenas alguns quarks. Com isso, físicos chegaram a um novo tipo de classificação das partículas fundamentais da matéria: as que são compostas por quarks e as que não são compostas por eles. As partículas que não são compostas por quarks são chamadas de léptons, do grego leve. O elétron, por exemplo, é um lépton.

A distinção entre esses dois tipos de partículas é baseada na interação entre elas. Todas as partículas compostas por quarks interagem através da força nuclear forte, responsável pela coesão do núcleo atômico. Como o núcleo é feito de prótons e nêutrons, e prótons sofrem uma repulsão elétrica, algo mais forte que essa repulsão tem de estar agindo. Essa "cola" nuclear é a força nuclear forte. Portanto, prótons e nêutrons são feitos por quarks, três para ser exato.
Hoje sabemos que existem seis quarks, todos observáveis em aceleradores de partículas. O mais pesado, o "top" quark, foi observado pela primeira vez ano passado no Fermilab, em um laboratório perto de Chicago. A esses seis quarks são adicionados seis léptons. Com isso, chegamos aos 12 tijolos fundamentais da matéria, versão atual. Mas o que acontecerá quando aumentarmos ainda mais as energias de nossos aceleradores?