Cientistas portugueses na capa da Nature
Um grupo de oito investigadores portugueses foi convidado a estar entre os melhores do mundo numa experiência que visava medir com precisão o raio do protão. O resultado final foi inesperado e promete abalar algumas certezas da física nuclear: afinal, o protão é mais pequeno do que se julgava.
"Quando descobrirmos como é constituído o núcleo dos átomos, teremos encontrado o maior segredo de todos, com excepção da vida. Teremos a base de tudo, da terra que pisamos, do ar que respiramos, da luz do Sol, do nosso corpo físico, de tudo no Mundo, por mais grandioso ou pequeno que seja.” Esta profecia foi atribuída ao neo-zelandês Ernest Rutherford, o pai da física nuclear. Não deixa de ser curioso que, quase cem anos depois de ela ter sido proferida, ainda resta muito por saber sobre uma das pedras basilares de toda a matéria – o núcleo do átomo.
A prová-lo está a recente revelação de que o protão, um dos elementos constituintes do núcleo atómico, a par do neutrão, pode ser mais pequeno do que está oficializado. A notícia foi capa da Nature em Julho e teve o condão de fazer os teóricos da física nuclear saltar das suas cadeiras, pois isso significa que algumas das teorias, tidas como das mais precisas que actualmente existem, podem estar incompletas ou erradas em alguns pormenores.
A conclusão é fruto de um conjunto de experiências coordenadas e realizadas no Paul Scherrer Institute (PSI), em Villigen, na Suíça, e protagonizadas por uma equipa internacional de 32 investigadores. Entre eles contam-se oito portugueses (seis da Universidade de Coimbra e dois da Universidade de Aveiro), responsáveis pelo sistema de detecção de raios X que integra o equipamento experimental.
“Foi uma grande surpresa”, confessa Joaquim Santos, coordenador do Centro de Instrumentação da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, a instituição que lidera as investigações a cargo dos portugueses. “O objectivo desta experiência era apenas o de melhorar, em dez vezes mais, a precisão com que era conhecido o raio do protão.”
De facto, o valor oficial para o raio do protão cifra-se, neste momento, nos 0,8768 fentómetros, sendo que cada fentómetro equivale a uns exíguos 0,000.000.000.000.001 metros. A ambição da equipa do PSI passava por acrescentar mais uma casa decimal ao valor em fentómetros.
Mas, como por vezes acontece, as grandes descobertas surgem quando menos se espera. Foi este o caso. Além de precisarem o valor com mais uma casa decimal, os investigadores ainda deram de caras com um novo tamanho: 0,84184 fentómetros para a distância do raio. Abusando de mais um valor incrivelmente diminuto, a revelação aponta para que o protão seja 0,000.000.000.000.03 milímetros (!) mais pequeno do que se julgava. Eis como o protão foi encolhido em cerca de quatro por cento.
Antes de dissecar as possíveis consequências desta descoberta inesperada, existe uma questão que salta logo à frente. Como é possível obter números tão liliputianos e com uma precisão tão extraordinária?
O núcleo ganha um novo parceiro
O átomo de hidrogénio é o sistema atómico mais simples que a natureza produz, razão pela qual os cientistas o adoptam como modelo de estudo. O seu núcleo é muito peculiar, pois dentro dele não existe um neutrão (como se verifica nos outros átomos), somente uma partícula com carga positiva (o protão), enquanto que a orbitá-lo, como se fosse um planeta em torno do Sol, está outra partícula mas com carga negativa (o electrão). A comparação com um sistema solar está longe de ser perfeita, mas é uma boa analogia inicial para perceber melhor a dinâmica de um átomo.
Tal como acontece com os planetas, ao orbitar à volta do protão, o electrão pode ter várias e diferentes órbitas, com cada uma delas a corresponder a uma determinada energia. Para um electrão se mover de uma órbita para outra, o sistema tem de receber ou perder energia. Melhor dizendo: “Sempre que o electrão está numa orbital mais exterior”, com mais energia, “diz-se que está num estado excitado, e quando passa para uma orbital interior ele emite energia”, explica Joaquim Santos.
De forma ingénua, podemos afirmar que os núcleos e os electrões atraem-se e repelem-se devido ao incessante jogo de sedução entre as quantidades de carga positiva e negativa que têm. Desta “estranha” relação podem advir coisas tão simples como a corrente eléctrica que vai alimentar a lâmpada do nosso quarto ou o laser de um leitor de DVD.
Mas a chave para o sucesso da experiência passou por substituir o parceiro do núcleo atómico do hidrogénio, o electrão, por uma outra partícula subatómica, o muão. Em vez de fazer testes com o hidrogénio electrónico, os investigadores do PSI recorreram, assim, a um “átomo exótico”, o hidrogénio muónico.
A escolha é prontamente dissecada pelo cientista de Coimbra: “Substituímos o electrão pelo muão pela simples razão de que é uma partícula parecida com o electrão mas 200 vezes mais pesada. Portanto, as orbitais do muão estão 200 vezes mais próximas do protão.” Deste modo, os efeitos da carga eléctrica do protão são mais claros e podem ser mais bem estudados. É como ter “uma bola de futebol a um metro de distância, em que os seus detalhes e costuras são mais nítidos do que se estiver a cem metros”.
Ao estudar os níveis de energia que correspondem ao hidrogénio muónico, torna-se possível determinar o raio do protão com maior exactidão. Para isso, basta medir a diferença de energia entre esses níveis, usando para o efeito as formulações da electrodinâmica quântica (QED, da sua designação em inglês), a teoria que descreve a interacção da radiação electromagnética (da luz, por exemplo) com os átomos (a matéria).
Primeiro o muão, depois o laser…
Mas vamos por partes. A experiência que foi feita na Suíça dividiu-se em três actos que culminaram num auge. Primeiro, para substituir o electrão por um muão no átomo de hidrogénio, é necessário criar um feixe de muões que possa ser disparado sobre hidrogénio. Uma das peculiaridades do muão é ele existir apenas durante dois microssegundos (dois milionésimos de segundo), em virtude de ser uma partícula instável. Na verdade, passado o seu curto tempo de vida, ele decai e transforma-se num electrão.
Neste curtíssimo espaço de tempo, é produzido um feixe de muões num acelerador de partículas, o qual é prontamente conduzido até uma garrafa de hidrogénio. “Os muões, ao chegarem e pararem dentro dessa garrafa, comportam-se como se dessem um chuto ao electrão”, exemplifica o investigador português. “Afastam o electrão de um átomo e ficam muito mais perto do protão.”
A habilidade parece corriqueira, mas é uma técnica que levou décadas a aperfeiçoar. Aliás, o protão do hidrogénio muónico só não foi medido há mais tempo porque isso envolve construir um feixe intenso de muões, retirar os electrões que surgem com o decaimento de alguns muões e, por fim, diminuir a velocidade das partículas que são produzidas. Esta redução é fundamental: “Quando os muões surgem, são muito velozes, sendo necessário travá-los, de modo a que reduzam a sua velocidade e cheguem à garrafa de hidrogénio praticamente parados.”
O segundo desafio foi arranjar um laser que dispare energias equivalentes às diferenças de energia das orbitais do muão. Para isso, é necessário que o comprimento de onda desse laser (a distância entre as cristas das ondas electromagnéticas que estão associadas ao feixe) seja regulável, de modo a obter o exacto nível de energia que permite excitar um muão e mudá-lo para uma órbita exterior. “Só quando o laser tem essa energia bem definida é que consegue fazer essa função, e é assim que podemos saber, com grande exactidão, qual é a diferença de energia entre as órbitas”, acrescenta Joaquim Santos
Como se tudo isto não fosse suficiente, logo que o fugaz muão surge na garrafa de hidrogénio o laser tem de ser disparado para o seu interior em menos de um microsegundo, com uma energia significativa capaz de apanhar o átomo exótico. Forte, rápido e peculiar. Atributos nada fáceis de conjugar, mas que foram alcançados pela equipa liderada pelo alemão Theodor Hänsch, também envolvida no projecto. O culminar foi a atribuição do Nobel da Física de 2005 a Hänsch, precisamente pelo tipo de laser que ajudou a criar.
…e por fim, o raio X português
E onde é que entram os investigadores portugueses? “O que o laser faz é excitar estados de energia que vão depois decair e levar à emissão de um fotão X”, descreve João Veloso, investigador da Universidade de Aveiro. “Quando a energia/comprimento de onda do laser é igual à diferença de energia dos estados, temos uma ressonância”, adianta ainda. Daqui resulta um pico de intensidade na emissão dos fotões X, ou se preferirmos dizer, de raios X. O papel da equipa portuguesa consistiu em desenvolver o sistema de detecção da radiação que é emitida.
Os oito cientistas portugueses foram convidados pelo PSI em 1998, quando o projecto ainda estava a ser delineado. Nessa altura, todos eles estavam na Universidade de Coimbra, e só mais tarde, com a investigação já a decorrer, dois deles se transferiram para a Universidade de Aveiro. “O PSI contactou-nos por causa dos desenvolvimentos que tínhamos feito com detectores de radiação X”, avanços esse que envolviam “detectores baseados em gás”, conta João Veloso. Um dos atributos especiais deste tipo de equipamento era a sua grande área de detecção. “Entretanto, apareceu outro tipo de detectores, dotados de semicondutores (os fotodíodos de avalanche), que se mostraram mais adequados à experiência.”
Apesar de serem mais pequenos, devido à nova tecnologia implantada, a vantagem é que podiam aproximar-se mais da garrafa de hidrogénio. Após neutralizarem o perigo de interferência que podia ser provocado por algumas partículas de alta energia, nomeadamente das que derivam da radiação gerada pelos próprios processos físicos desenvolvidos na experiência, o equipamento estava pronto a funcionar.
Os princípios que regem o funcionamento do sistema de detecção são fáceis de entender. Os semicondutores convertem os raios X emitidos num determinado número de electrões, detectando em seguida a carga eléctrica que foi depositada. Sendo assim, quando um raio X tem o dobro da energia, a carga produzida também é igual ao dobro. Será a partir do valor da carga eléctrica detectada que é possível saber a energia libertada, e daqui deduzir a diferença de energia entre as órbitas do muão.
Deste modo, com o feixe de muões, o sistema laser e o detector de raios X, este último sob responsabilidade portuguesa, temos os três pilares necessários para que a experiência desse os seus frutos. O resultado acabou por ser melhor do que o esperado.
Incertezas: das teorias ao LHC
Eureka! Após três tentativas falhadas, em 2003, 2005 e 2007, a máquina de medir protões conseguiu ter êxito no dia 5 de Julho do ano passado. Passou um ano até a descoberta ser anunciada, pois era necessário analisar os resultados e verificar se os instrumentos utilizados estavam bem calibrados. Uma vez garantido que tudo estava certo, os 32 físicos formalizaram a notícia pelos quatro cantos do mundo. O átomo parece ser mais pequeno em quatro por cento. E daí, qual o problema?
O problema é que “isso pode ter consequências muito grandes junto da QED, uma teoria aceite universalmente e que relaciona as interacções entre luz e matéria”, desabafa João Veloso. “A partir de agora, os teóricos que desenvolvem esta teoria terão muito trabalho pela frente. Algumas das possibilidades são a inclusão de novos parâmetros na teoria, ou estarmos perante uma nova física, onde novos e diferentes tipos de interacção terão de ser considerados.” O assunto pode interferir com o domínio prático, pois é a teoria QED que explica o funcionamento básico de algumas tecnologias do nosso quotidiano, como os lasers ou as ampolas de raios X que são usadas para fins clínicos.
No entender do coordenador da equipa portuguesa, outro dos paradigmas universais que poderão sofrer o ricochete da nova descoberta é a constante de Rydberg. “Esta está relacionada com as energias orbitais sucessivas que os electrões nos átomos podem ocupar. É um parâmetro, um valor, que está associado a esses níveis de energia.” Se ficar definitivamente comprovado que o raio do protão é menor, “a constante terá de mudar”. A situação pode causar ainda mais alvoroço, já que “a sua precisão era conhecida até doze casas decimais e não se esperava que pudesse ter um valor diferente”. O que antes era dado como certo é agora posto em dúvida.
E o que dizer do Grande Acelerador de Hadrões (LHC), a obra faraónica que custou mais de três mil milhões de euros e que promete puxar os limites da física até aos confins do compreensível? É preciso não esquecer que, para as suas experiências, são usadas partículas subatómicas pertencentes à família dos hadrões, principalmente… protões. “Se estamos a disparar coisas mais pequenas do que pensávamos, vamos obter sinais com menos intensidade e a probabilidade de colisão é menor”, conclui Joaquim Santos. “Obviamente, a performance da máquina não está em causa, mas ela poderá render menos do que se esperava.” Todavia, os dois investigadores portugueses afinam pelo mesmo diapasão, afiançando que tudo isto não passa de “pura especulação”.
E a seguir?
Quando se apresentam resultados experimentais que não coincidem exactamente com as teorias mais precisas, todo o cuidado é pouco. Apesar de tudo, os investigadores portugueses do PSI aparentam estar muito tranquilos. “Para já, quando é feita uma publicação na Nature, esta passa por um processo de arbitragem bastante apertado, pois são consultados os maiores especialistas na área”, lembra João Veloso. “Entretanto, no eco que já se obteve, não houve vozes contra a credibilidade desta experiência. Acho que a comunidade científica aceita o valor.”
“Defendemo-nos muito bem, não só calibrando com grande precisão os nossos aparelhos (porque são muitos), como também medindo outros valores e tentando através deles chegar ao raio do protão”, adianta, por sua vez, o coordenador da Universidade de Coimbra. “Chegámos à conclusão de que tudo é consistente.” A batata quente é assim passada às teorias existentes, com o dedo apontado a uma falha ou lacuna no seu formalismo.
Uma forma de confirmar os dados actuais consiste em fazer mais e novas experiências, aumentando o seu nível de complexidade. Por agora, já foram feitos alguns testes no átomo de deutério. Na sua forma original, este átomo é uma variante do hidrogénio, com a diferença de ter no núcleo mais uma partícula, esta dotada de carga neutra, o neutrão. Tal como antes, o electrão foi substituído por um muão, com os resultados obtidos a confirmarem os valores obtidos para o hidrogénio.
O passo seguinte será dado em 2012. O novo alvo é o átomo de hélio, um núcleo com dois protões e dois neutrões, a que se juntam dois electrões a orbitá-lo. A fasquia eleva-se. Os oito portugueses terão de estudar as melhores alternativas face às novas experiências que serão desenvolvidas. A energia dos raios X que serão libertados com o hélio muónico será quatro vezes maior do que a do hidrogénio. Os mesmos detectores serão testados na nova investigação, tal como outros mais, de modo a ver quais os que têm maior eficiência e sensibilidade na detecção da radiação. Nos próximos tempos, emoção é o que não faltará aos elementos de Coimbra e Aveiro.
Equipa com quinas
Todas as experiências em torno da medição do raio do protão decorreram no Paul Scherrer Institute, na Suíça. Com uma força de trabalho de 1300 pessoas e um orçamento anual de quase 190 milhões de euros, é considerado o maior centro de investigação da Suíça.
Para levar a cabo o projecto, em 1998 o instituto decidiu reunir um conjunto de investigadores de vários países, especializados em diversas áreas de investigação: física dos aceleradores, física atómica, sistemas laser e tecnologia de detecção de radiação, a área de especialidade dos cientistas portugueses.
Ao todo, foram reunidos 32 investigadores, vindos da Alemanha, da Suíça, de França, dos Estados Unidos e da Formosa. Portugal esteve presente com oito especialistas: da Universidade de Coimbra, Joaquim Santos (coordenador da equipa), Luís Fernandes, José Matias, João Cardoso, Fernando Amaro e Cristina Monteiro; da Universidade de Aveiro, João Veloso e Daniel Covita.
Uma brevíssima história do átomo
Cerca de 400 a.C. – O grego Demócrito aperfeiçoa a ideia de que a matéria não é contínua mas granular, feita de fragmentos indivisíveis ou atomos.
1897 – Joseph Thomson descobre a natureza granular da electricidade, ou seja, encontra o electrão. Era a primeira vez que se descobria uma partícula elementar, facto que valeu ao inglês o Nobel da Física em 1906.
1911 – Laureado com o Nobel em 1908, três anos depois o neo-zelandês Ernest Rutherford revelou que os núcleos dos átomos concentram uma carga positiva, o protão.
1932 – O protão não está sozinho no núcleo. Quem o provava era James Chadwick, depois de detectar partículas destituídas de carga eléctrica a que deu o nome de “neutrões”. Os três principais componentes do átomo eram finalmente conhecidos. Para não destoar dos restantes colegas, em 1935 o físico inglês também recebeu o Nobel da Física.
Como se mede o raio de um protão?
Depois de produzidos, os muões são desacelerados através de um campo magnético intenso.
Em seguida, atravessam um dispositivo em espiral dotado de um campo magnético uniforme (um solenóide), usado para focar os muões e separá-los dos electrões produzidos.
Uma vez formado o hidrogénio muónico, este é “excitado” através de um feixe laser.
Quando o muão decai para uma órbita inferior, são emitidos raios X que os fotodíodos de avalanche (quadrado rosa) vão detectar. O nível de radiação atinge o seu pico quando a energia do laser é igual à diferença de energia das órbitas.
Do espaço sideral para o laboratório
O norte-americano Carl David Anderson (1905–1991) já tinha entrado para a história da física nuclear em 1932, com a descoberta do positrão, a antipartícula do electrão. O facto valeu-lhe o Nobel da Física em 1936.
Todavia, o investigador não descansou sobre os louros conquistados: no mesmo ano em que foi a Estocolmo receber o prémio, subiu ao topo de montanhas para estudar os raios cósmicos. Esta radiação é constituída por partículas extremamente energéticas (em grande parte protões) que se deslocam quase à velocidade da luz pelo espaço sideral.
Davidson dedicou o seu tempo a estudar o momento em que essas partículas entram de rompante na atmosfera terrestre, colidindo com os núcleos dos átomos da atmosfera, a dez mil metros de altura. As suas observações detectaram que algumas das partículas que se formavam com as colisões tinham trajectórias invulgares, menos curvadas do que as dos electrões mas mais acentuadas do que as dos protões.
Concluiu estar-se perante uma partícula que tinha mais massa do que um electrão, mas menos do que um protão. Hoje em dia, essa partícula é conhecida por “muão”. Quando foi descoberta, tornara-se a primeira partícula para o qual os cientistas não encontravam um papel óbvio na estrutura atómica. A sua utilidade para a Natureza parecia nula, um contra-senso em forma de quebra-cabeças. Houve até um físico que se insurgiu e clamou: “Mas quem foi que os encomendou?”
Mais tarde, ficou a saber-se que o muão, apesar de ser 200 vezes mais pesado do que o electrão, é muito semelhante a este, inclusivamente no valor da carga eléctrica negativa (daí que possa substitui-lo na órbita de um núcleo atómico).
Em pleno século XXI, são os centros de investigação em física nuclear que tentam encomendá-los para as suas experiências, como a que foi feita para medir o protão. De tal modo que já os produzem nos seus aceleradores de partículas, a exemplo do que faz o PSI.
Ao chocarem protões contra folhas de grafite, são criadas partículas subatómicas denominadas de “piões”, parecidas com os muões mas mais pesadas e com um menor tempo de vida. Expirado o “prazo de validade”, estas decaem para muões. Passados os dois microsegundos de existência dos muões, estes transformam-se em partículas estáveis, os seus irmãos electrões.
J.P.L.
SUPER 149 - Setembro 2010
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