O mundo invisível das partículas elementares

Na semana passada, escrevi sobre um detector de partículas chamado Atlas, que entra em funcionamento em 2007 na Suíça. Ele vai detectar os menores tijolos que compõem toda a matéria que existe no Universo, as partículas elementares. Alguns leitores pediram que explicasse melhor como esses experimentos são feitos. Aí vai.

Primeiro, uma questão de escalas. Quando estudamos partículas elementares, estamos lidando com as menores distâncias que podem ser examinadas. Um átomo, composto de prótons e nêutrons no núcleo e elétrons girando à sua volta, tem um diâmetro em torno de um bilionésimo de centímetro. Um próton é aproximadamente 100 mil vezes menor do que isso.

Não dá para estudar objetos tão pequenos por métodos usuais -com a ajuda de um microscópio, por exemplo. A luz dele tem tanta energia que empurraria a partícula para longe. O estudo desses objetos é feito em máquinas conhecidas como aceleradores de partículas. Os detectores são parte dos aceleradores.

Talvez o primeiro físico a ter usado um "acelerador" de partículas com sucesso tenha sido o inglês J. J. Thomson, o descobridor do elétron. Em 1897, Thomson usou um filamento aquecido como fonte de "raios catódicos". Esses raios, quando submetidos a um campo elétrico, são acelerados. Que campo elétrico é esse? Pensemos na gravidade, que conhecemos bem.

Os aceleradores promovem uma transmutação, revelando as sutilezas do universo subatômico

Soltamos uma pedra, ela cai no chão. Na verdade, ela é acelerada para baixo pela atração gravitacional da Terra. Um elétron tem massa pequenina; o que importa mesmo é que tem também uma carga elétrica. E cargas elétricas opostas se atraem, feito massas em gravidade mas muito mais fortemente, enquanto que cargas iguais se repelem. Tal como a Terra, que tem um campo gravitacional imenso devido à sua massa enorme, se pusermos muitas cargas juntas criamos um campo elétrico grande também. Com isso, podemos usar um campo elétrico para acelerar elétrons ou qualquer partícula que tenha carga. Quando um elétron sai do filamento aquecido (feito num tubo de TV antigo), ele é acelerado por um campo elétrico, como se fosse uma pedra caindo. Essa aceleração causa um aumento de velocidade, como o de uma pedra caindo.

Esse é, essencialmente, o princípio físico dos aceleradores de partículas: eles usam campos elétricos fortíssimos para acelerar partículas que têm carga elétrica. Voltando à analogia com a gravidade, os aceleradores são como torres muito altas, de onde físicos deixam cair suas pedras, ou melhor, partículas. O acelerador do Cern (Centro Europeu de Pesquisa Nuclear), a casa do detector Atlas, tem forma de túnel circular. Por que o círculo? A idéia é injetar um monte de partículas (prótons, no caso) indo no sentido horário e um monte no sentido anti-horário, girando cada vez mais rápido.

Ao mesmo tempo, campos magnéticos são usados para fazer com que permaneçam no túnel circular. (Como isso ocorre fica para outro dia.) Quando as partículas atingem as velocidades desejadas, os dois feixes são apontados um de frente para o outro. Nessa chuva de partículas voando em direções opostas ocorrem colisões. Essas colisões, com as maiores energias que podemos simular na Terra, despedaçam as partículas em seus componentes fundamentais e criam muitas outras, transformando energia em matéria. Os aceleradores promovem essa transmutação e os detectores a registram, revelando as sutilezas fascinantes do invisível mundo subatômico.