O professor David Gross ganhou o prêmio Nobel de Física em 2004, juntamente com os professores Hugh David Politzer e Frank Wilczek, pela descoberta da liberdade assintótica na teoria da interação forte.

Física Teórica – Minha namorada do ensino médio

A ciência despertou minha curiosidade desde muito cedo. Quando eu estava no ensino médio, tinha enorme interesse em ler livros de divulgação científica como One Two Three… Infinity, de George Gamow, que exploravam conceitos de matemática e física. No meu aniversário de 13 anos, ganhei um livro muito especial, escrito por ninguém menos que Albert Einstein, de um parente de seu colaborador e coautor do livro, Leopold Infeld. Foi quando me apaixonei pela física teórica. Estava fascinado pela ideia de usar a matemática e minha própria mente para entender o universo. A partir daí, sabia que desejava ser um físico teórico e, de fato, me tornei um – e ainda sou.

Minha paixão pela física teórica amadureceu com os anos, mas é basicamente o mesmo amor que eu sentia quando era adolescente. Ainda me sinto animado para entender os quebra-cabeças básicos do nosso universo, e um deles é: de que é feito o universo? 

Qual é a importância da física de partículas? 

O que exatamente é a matéria? De que ela é composta? Esses são os tipos de perguntas a que tentamos responder na física de partículas. Hoje em dia, é do conhecimento geral que toda matéria – das estrelas ao nosso próprio corpo – é feita de átomos, os quais são formados de prótons, nêutrons e elétrons. Até o início de 1900, a estrutura do átomo não era compreendida. Entre 1908 e 1913, um físico da Nova Zelândia chamado Ernest Rutherford e seus alunos fizeram uma série de experimentos para explorar a estrutura do átomo [1]. Os pesquisadores pegaram pequenas partículas chamadas partículas alfa e fizeram-nas colidir com os átomos de uma película de ouro.

Algumas das partículas alfa passaram através da película sem ser detidas, enquanto outras pareciam ter esbarrado em algo rígido e se espalhado em várias direções (Figura 1A). Os resultados desses famosos experimentos revelaram que quase todo o volume do átomo é espaço vazio, estando a maioria de sua massa e toda a sua carga positiva concentradas em uma área muito pequena em seu centro, chamada núcleo. Essa foi uma grande descoberta, que marcou o começo da física de partículas. 

Alguns anos depois, Rutherford descobriu que a carga positiva do átomo é gerada por partículas chamadas prótons e que o número de prótons é igual ao número de elétrons em volta do núcleo [2]. Depois, foram necessários mais de dez anos para dar o próximo passo em direção à compreensão da estrutura do núcleo. Em 1932, um físico famoso chamado James Chadwick descobriu que o núcleo contém prótons e nêutrons [3]. 

A descoberta de Chadwick completou nosso entendimento básico do clássico modelo “sistema solar” do átomo, no qual os elétrons orbitam em torno do núcleo (Figura 1B). Mas de que são feitos os prótons e os nêutrons?

Como os aceleradores aumentaram nosso conhecimento

Desde o experimento pioneiro da película de ouro de Rutherford, a física das partículas fez muitos outros semelhantes, afastando uma partícula chamada partícula de sondagem de uma partícula diferente, chamada partícula-alvo, para estudar as propriedades desta última. Esse processo é chamado de sondagem.

Medimos o afastamento da partícula de sondagem (por exemplo, um elétron) em relação à partícula- alvo (por exemplo, um próton), quando a primeira é projetada em vários ângulos e com diversas quantidades de energia. Essa informação nos permite inferir a estrutura da partícula-alvo.  

Para entender o processo de sondagem, podemos usar a seguinte analogia: imagine uma sala cheia de pessoas. Você quer saber onde elas estão, mas não pode entrar na sala. O que pode fazer é jogar bolas na sala. Você joga uma, e nada acontece. Depois, joga outra em um ângulo ligeiramente diferente e ouve “Ai!”. Descobre, então, que há uma pessoa naquela direção. Se arremessar muitas bolas em muitas direções diferentes e em várias velocidades, poderá enfim ter uma ideia de como as pessoas estão organizadas na sala. O mesmo princípio se aplica quando afastamos uma partícula de outra – aprendemos sobre a estrutura da partícula-alvo a partir da informação obtida da dispersão das partículas de sondagem.

Rutherford espalhava partículas alfa sobre o núcleo a fim de sondar sua estrutura, um procedimento que conseguia realizar em seu laboratório. Mas, se quisermos conhecer ainda mais profundamente a estrutura da matéria, e sondar a estrutura de partículas subatômicas como prótons e nêutrons, ou se quisermos descobrir novas partículas subatômicas, deveremos usar partículas de sondagem com energias muito mais altas do que as usadas por Rutherford. A razão é que, como as partículas subatômicas são mantidas unidas por forças fortes, temos de usar altas energias para separá-las e, assim, estudar suas estruturas. Para tanto, usamos aceleradores – dispositivos que imprimem às partículas de sondagem velocidades muito altas. 

No começo da minha carreira científica, nos anos 1960 e 1970, novos aceleradores estavam sendo construídos e usados. Dois deles influenciaram minha carreira: o Bevatron da Universidade da Califórnia, Berkeley, onde eu fazia graduação, e o linear do Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) da Universidade de Stanford (Figura 2).

Em comparação com os aceleradores mais avançados que temos hoje (principalmente o Grande Colisor de Hádrons do CERN), o Bevatron e o linear não conseguiriam acelerar as partículas de sondagem a velocidades muito elevadas. Na verdade, eles conseguiam produzir energias de cerca de seis giga elétrons-volts (GeV; um elétron-volt é igual à energia que um elétron adquire quando é acelerado pela voltagem de um volt), o que é cerca de mil vezes menos que as energias dos aceleradores de hoje. No entanto, esses aceleradores eram eficientes o bastante para permitir aos cientistas descobrirem novas partículas semanalmente.

Esse foi um momento extremamente emocionante na física de partículas, e tudo o que eu queria era estar ali, onde havia ação. Embora os experimentos se multiplicassem, tínhamos muita pouca compreensão teórica das estruturas das partículas subatômicas e das interações que governam seu comportamento. Concentrei-me em um problema muito básico: de que o próton é feito?

A estrutura dos prótons

No acelerador linear SLAC, os elétrons, que são partículas pontuais simples (ou seja, partículas concentradas em um volume extremamente pequeno), foram usados para sondar prótons e estudar sua estrutura. Na época, ninguém sabia do que eles eram feitos. Uma hipótese sugeria que o próton, assim como o elétron, era uma partícula pontual, e não composto de partes menores. Outra dizia que era feito de um material desconhecido e uniformemente distribuído.

Para surpresa de todos, os resultados do acelerador SLAC não condiziam com nenhuma das hipóteses, mas pareciam indicar que o próton era constituído por outras partículas pontuais. No entanto, ninguém jamais tinha visto as partículas pontuais que supostamente compunham o próton. E  não importava a força com que atingíamos o próton com as partículas de sondagem: as partículas pontuais não se moviam (ao contrário, quando átomos colidem, seus elétrons voam para longe). Além disso, os resultados da sondagem pareciam indicar que as partículas pontuais no próton se deslocavam como se nenhuma força agisse sobre elas. Isso era muito estranho, pois sabíamos que as partículas pontuais estavam fortemente ligadas aos prótons – mas não podíamos explicar o que as mantinha ali. 

 Em minha busca de uma explicação para essas descobertas surpreendentes, recorri a duas teorias anteriores. Uma delas foi proposta pelos físicos Murray Gell-Mann e George Zweig no início dos anos 1960 [4, 5]. Gell-Mann e Zweig perceberam que os dados fornecidos pela medição de partículas subatômicas com forte interação poderiam ser explicados matematicamente, presumindo-se que elas fossem feitas de três tipos de partículas mais básicas – que Gell-Mann chamou de quarks (Figura 3A). A princípio, essa suposição foi considerada apenas um “truque” matemático que nada tinha a ver com a realidade. Mas, com o passar do tempo, algumas das previsões desse modelo revelaram-se bastante precisas e, graças aos novos resultados de experiências com aceleradores, a ideia dos quarks parecia merecer uma investigação mais aprofundada.

A outra teoria que usei foram generalizações da teoria do eletromagnetismo de Maxwell. Essa teoria explica a força da eletricidade e do magnetismo com base na existência de um único tipo de carga, chamada carga elétrica. 

É possível sugerir generalizações tendo como ponto de partida a teoria de Maxwell, como a de que outros tipos de cargas podem ser usados para explicar outras forças da natureza. Na física, existem quatro forças básicas: a força eletromagnética, responsável pela eletricidade e o magnetismo; a força fraca, responsável pela radioatividade (para aprender mais sobre radioatividade, ver aqui); a força forte, que junta prótons e nêutrons no núcleo dos átomos, e a gravidade, responsável pela atração mútua de objetos maciços. Eu pretendia explicar a força forte, que mantém os prótons e os nêutrons juntos. 

Depois de fazer algumas contas complicadas com base nessas duas teorias, desenvolvi uma nova teoria chamada cromodinâmica quântica (QCD). A QCD explica as propriedades dos quarks e as forças que atuam sobre eles.

Segundo a QCD, há três tipos de cargas (opostas a um só tipo – a carga elétrica – no eletromagnetismo clássico) e oito tipos de forças que atuam entre essas cargas. Uma das maiores conquistas da QCD é sua capacidade de explicar a surpreendente descoberta de que os quarks se comportam como partículas livres dentro do próton. Meus colegas e eu encontramos uma explicação matemática para o motivo pelo qual a força forte que atua entre os quarks se torna cada vez mais fraca à medida que os quarks se aproximam – um fenômeno chamado liberdade assintótica [6, 7] (Figura 3B).

A descoberta da liberdade assintótica levou a um grande avanço no estudo das partículas físicas e por ela recebi o prêmio Nobel de Física em 2014, juntamente com Hugh David Politzer e Frank Wilczek. A liberdade assintótica foi uma descoberta surpreendente porque outras forças da natureza ficam mais fracas à medida que as partículas se afastam. A liberdade assintótica explica por que não vemos quarks livres – quanto mais tentamos separá-los, mais forte se torna a força que os une. Isso significa que os quarks ficam “trancados” dentro dos prótons – um fenômeno chamado confinamento. 

Os estranhos quarks: os surpreendentes “blocos de construção” da matéria

Atualmente, acreditamos que os quarks são partículas pontuais que constituem os prótons, nêutrons e toda uma classe de partículas de forte interação chamadas hádrons.

Como vimos, os quarks estão confinados dentro das partículas que constituem e movem-se como bolas saltando dentro de uma bola maior. Os quarks têm três tipos de cargas: carga elétrica, sabor e cor (porém, não nos sentidos tradicionais de “sabor” e “cor”, que detectamos com a língua ou os olhos). Em termos de carga elétrica, os quarks podem ter uma carga que é uma fração da carga de um elétron ou próton: ou -1/3 (1/3 da carga negativa de um elétron) ou + 2/3 (2/3 da carga positiva de um próton).

Os quarks têm seis sabores, que chamamos de up, down, strange, charm, top e bottom (Figura 4A). Os sabores do quark estão relacionados com a força fraca responsável pela radioatividade. Os prótons são formados de dois quarks up e um quark down; os nêutrons são formados de dois quarks down e um quark up (Figura 4B). Além da carga elétrica e do sabor, os quarks podem ter uma destas três cores: vermelha, branca e azul. As cores são a fonte da força forte que une os quarks e explicam o nome cromodinâmica – chromos significa “cor” em grego.

A esta altura, você deve estar se perguntando se os próprios quarks são compostos de partículas ainda menores. Na história da física, temos progressivamente encontrado partículas cada vez menores que constituem a matéria: os átomos são feitos de elétrons e de núcleo, o núcleo é feito de prótons e nêutrons, os prótons e nêutrons são feitos de quarks… E se os quarks forem feitos de outra coisa?

Até agora, não há nenhuma evidência experimental de que os quarks sejam feitos de subquarks. Para obter uma prova experimental definitiva de que os quarks são verdadeiramente indivisíveis, nossos aceleradores necessitariam de energias extraordinariamente altas – da ordem de 100 trilhões de eV, o que é cerca de 100 trilhões (ou 10¹²) vezes mais que as energias usadas atualmente. Isso é muito difícil e dispendioso, e o caminho para chegar lá ainda não é claro.

No lado teórico, podemos extrapolar nosso conhecimento atual das forças básicas da natureza para distâncias muito curtas. Descobrimos então que a gravidade deveria desempenhar um papel importante nessas distâncias curtas, equivalente ao da força forte. Com os modelos atuais, não compreendemos essa interação entre a gravidade e a força forte, de modo que algo estranho pode ocorrer a distâncias muito curtas. As experiências indicam que ainda falta alguma coisa em nossa teoria e o estudo dos quarks talvez nos ajude a superar certas lacunas atuais na nossa compreensão dos blocos básicos de construção do universo. 

Teoria das cordas: um ponto de vista alternativo sobre a matéria

A teoria das cordas, que muitos cientistas (inclusive eu) têm estudado há décadas, é outra teoria interessante que poderia oferecer-nos uma nova maneira de entender o universo. Ela é muito complexa matematicamente e seus detalhes não caberiam neste artigo. Mas, em princípio, a teoria das cordas postula que todas as partículas elementares, incluindo os quarks, são feitas de um tipo de objeto chamado corda. Essa corda vibra de várias maneiras diferentes e cada padrão vibracional corresponde a uma partícula elementar específica. Por exemplo, se a corda vibra em um determinado padrão obtemos um quark, se vibra em um padrão diferente obtemos um elétron e assim por diante (Figura 5).

Se a teoria das cordas estiver correta, então os quarks e outras partículas elementares não contêm subpartículas, mas, ao contrário, são feitos de cordas vibrantes. Testar experimentalmente a teoria das cordas exigirá energias muito mais poderosas do que as disponíveis atualmente – portanto, os testes podem demorar um pouco, mas acho que esse é um desenvolvimento emocionante pelo qual vale a pena esperar. 

Recomendações para Mentes Jovens

Na física, como em todas as ciências, é importante para os cientistas serem criativos. Infelizmente, não sabemos como ensinar as pessoas a serem criativas, mas podemos servir de exemplo de criatividade e inspirar orientadores para nossos estudantes. A melhor coisa que estes podem fazer é observar como as pessoas bem-sucedidas e criativas trabalham e aprender seus “truques”. Trato meus alunos como colegas e, no trabalho, considero-os colaboradores em pé de igualdade. Isso pode ser desafiador para alguns alunos, mas outros se saem muito bem nesse tipo de relacionamento. O professor Frank Wilczek, meu primeiro aluno oficial, ganhou o prêmio Nobel comigo por nosso trabalho conjunto sobre a liberdade assintótica – ele é um bom exemplo de estudante que progrediu sendo tratado como um igual. 

Para ser um bom cientista, é também importante começar a fazer pesquisas o mais cedo possível. Pesquisar é muito diferente de assistir a aulas e estudar. No estudo da física, o uso  conjuntos de problemas é o melhor método que temos para a introdução à pesquisa. Damos aos alunos montes de problemas e eles devem resolvê-los, usualmente adquirindo conhecimento enquanto fazem isso.

Mas mesmo os melhores problemas que eles enfrentam em sala de aula são inventados. Ao contrário, a pesquisa se baseia em problemas reais, cuja solução ninguém conhece ainda. O maior desafio na pesquisa é descobrir as perguntas certas. Antes mesmo de abordar um problema científico, você deve confirmar se a pergunta é boa (Figura 6). Fazer perguntas boas também é uma habilidade que não podemos ensinar diretamente – só podemos fornecer exemplos e elaborar formas produtivas de refletir. Depois de fazer uma pergunta boa, talvez você não consiga achar a resposta imediatamente, mas pelo menos poderá progredir em direção a uma. 

Em minha opinião, há inúmeras as razões pelas quais um cientista pode levar uma vida feliz. Por exemplo, a sociedade geralmente respeita o talento necessário para alguém se tornar um cientista, já que a ciência é muito importante para nossas vidas. 

Assim, a ciência permite que você seja apoiado e respeitado pela sociedade, e ganhe a vida, o que é um grande prazer. Você achará agradável estar em um campo onde seu trabalho é sua diversão, sua paixão e seu interesse. Outra vantagem de ser um cientista é que você pertence a um vasto mundo, a uma comunidade de pessoas que compartilham as mesmas paixões e interesses. Indo a qualquer lugar do mundo, encontrará pessoas interessadas nos mesmos tópicos que você e conversará produtivamente com elas. A ciência é um tipo de família a que você escolhe se unir. 

Penso que as pessoas deveriam fazer o que gostam de fazer. Não precisar ser ciência – pode ser qualquer coisa. Se você conseguir passar a vida fazendo aquilo de realmente gosta, sorte sua. Este é o melhor conselho que posso dar sobre como decidir o que fazer com sua vida: descubra uma profissão de que gosta e para a qual tem talento. E seja ambicioso – esforce-se e aceite os fracassos. Se você escolheu um caminho que lhe agrada, a alegria que sentir compensará a possibilidade de fracassar.

Glossário

Física teórica: Ramo da física que usa equações matemáticas para construir modelos que ajudem a descrever o mundo. 

Física de partículas: Ramo da física que estuda os blocos de construção da matéria. 

Partículas subatômicas: Partículas que formam os átomos e são, portanto, menores que eles. 

Aceleradores: Dispositivos que aceleram partículas a velocidades muito altas e fazem-nas colidir com partículas-alvo para estudar a estrutura destas. 

Radioatividade: Processo pelo qual partículas e/ou energia são emitidas de átomos instáveis. 

Força forte: Aquela que liga prótons e nêutrons no núcleo dos átomos. 

Liberdade assintótica: Fenômeno em que quarks atuam como partículas livres quando estão a distâncias curtas uns dos outros, mas resistem à separação à medida que a distância aumenta. 

Confinamento: Propriedade dos quarks de ficarem “trancados” dentro do próton (ou de outras partículas) mesmo quando grandes forças são aplicadas para separá-los. 

Hádrons: Partículas construídas a partir dos quarks e que interagem por meio da força forte. 

Teoria das cordas: Teoria da física que descreve as partículas básicas da natureza como cordas que vibram de diferentes maneiras. 

Referências

[1] Rutherford, E., 1911. LXXIX. “The scattering of α e β particles by matter and the structure of the atom.” Lond. Edinburgh Dublin Philos. Magaz. J. Sci. 21:669–  88. DOI: 10.1080/14786440508637080.

[2] Rutherford, E. 2010. “Collision of α particles with light atoms. IV. An anomalous effect in nitrogen.” Philos. Magaz. 90:31–7. DOI: 10.1017/CB09780511707179.010.

[3] Chadwick, J. 1932. “The existence of a neutron.” Proc. R. Soc. Lond. Ser. A, Contain. Papers Math. Phys. Charact. 136:692–708. DOI: 10.1098/rspa.1932.0112.

[4] Gell-Mann, M. 1961. The Eightfold Way: A Theory of Strong Interaction Symmetry Synchrotron Laboratory Report CTSL-20. California Institute of Technology. DOI: 10.2172/4008239.

[5] Zweig, G. 1964. An SU₃ Model for Strong Interaction Symmetry and Its Breaking (No. CERN- TH-412). CM-P00042884. 

[6] Gross, D. J. e Wilczek, F. 1973. “Ultraviolet behavior of non-abelian gauge theories.” Phys. Rev. Lett. 30:1343. DOI: 10.1103/PhysRevLett.30.1343.

[7] Gross, D. J. e Wilczek, F. 1973. “Asymptotically free gauge theories.” I. Phys. Rev. D 8:3633. DOI: 10.1103/PhysRevD. 8.3633. 

Citação

Gross, D. (2023). “The quirky lives of quarks: a close look into matter.” Front. Young Minds. 11:1080918. DOI: 10.3389/frym.2023.1080918. 

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