Quem se importa com partículas? Por que os físicos se especializam neles tão interessados neles?
De fato, não estamos interessados em partículas por conta própria.
Aqui está uma analogia para você: imagine que você estava interessado nas cidades do Império Romano e como elas funcionavam. Por isso, você pode começar a estudar arquitetura romana. Você pode estar interessado em como eles construíram seus edifícios e aquedutos. Então, provavelmente, você mudará para a confiabilidade de seus arcos e fundações, e deles para as propriedades de tijolos e argamassa. Mas você não está interessado em tijolos e argamassa - este é apenas um meio para atingir um fim. Você deseja considerá-los como parte das questões mais gerais do projeto e construção de edifícios romanos, sua beleza e confiabilidade, o que lhes permitiu sobreviver séculos.
A natureza é o arquiteto mais frutífero e antigo. Vivemos cercados de beleza e mistérios - carvalhos e vulcões, pores do sol e tempestades, uma linda lua e inúmeros grãos de areia na praia. Alguns séculos atrás, os cientistas concluíram que a diversidade dessa arquitetura pode ser melhor compreendida se assumirmos que a matéria consiste em vários átomos - "elementos". Então eles começaram a se interessar por átomos, os blocos "elementares" da natureza, como eram então pensados.
Mas, como se viu, isso foi apenas o começo, pois houve dezenas de tipos diferentes de átomos, que diferem seriamente nas transformações químicas e na capacidade de emitir luz. Na tentativa de entender a diversidade e o comportamento dos átomos, os cientistas perceberam que também eram formas de arquitetura construídas a partir de partículas ainda menores: elétrons ao redor do núcleo atômico, mantidos intactos cimentando suas forças elétricas. E nos próprios núcleos também há arquitetura, com prótons e nêutrons mantidos intactos, cimentando sua forte interação. Ao longo do caminho, outra força foi descoberta, uma interação fraca, muitas vezes mais destrutiva do que uma força criativa.
A descoberta de novos níveis de arquitetura não apenas possibilitou explicar os processos químicos elementares, como também a emissão e absorção de luz, mas também permitiu desvendar outros segredos - os princípios da operação das estrelas, a radioatividade, bem como o enorme perigo escondido na energia do núcleo. A abordagem de tijolos e cimento se tornou a chave para desvendar muitos segredos ao longo do século XX.
É claro que esse é um esboço quase histórico, e não um relato exato da história. A história real é mais rica, mais complexa e está além das minhas capacidades.
Na década de 1950, era sabido que prótons e nêutrons de núcleos atômicos têm muitos primos: outros
hádrons com nomes como
peônias ,
caos ,
barões delta ,
roons e outros. Essa complexidade foi um sinal de outra arquitetura. No início da década de 1970, surgiu uma nova idéia sobre essas partículas como objetos constituídos por
quarks , antiquarks e
gluons , mantidos juntos por uma forte interação.
Os especialistas em física de partículas são cientistas interessados na arquitetura da natureza no nível de tijolos e cimento, confiabilidade e destrutibilidade. Quais são os blocos de construção fundamentais que os mantêm unidos ou os separam? Como eles organizam e formam a base de uma enorme variedade de estruturas que observamos no universo?
Desde o início da década de 1960, gradualmente chegou-se ao entendimento de que as propriedades do mundo em que habitamos exigem a presença de alguma substância que preenche o Universo - um campo diferente de zero, como por definição chamamos de campo de Higgs - afetando as propriedades de muitas partículas da natureza. Sem o campo de Higgs, a arquitetura à nossa volta entraria em colapso. Entender o que é esse campo e como ele funciona é um dos projetos centrais dos especialistas atuais em física de partículas e a principal justificativa para a construção do Large Hadron Collider (LHC). Quais segredos serão revelados durante o estudo? Ninguém sabe ainda.
Por que então os físicos precisavam construir um gigantesco "esmagador de átomos"?
Oh, como eu odeio esse termo! Nós não colidimos átomos, nós colidimos partículas subatômicas: prótons, que são 100.000 vezes menores que átomos (em raio), ou elétrons, que são 1.000 vezes menores que prótons! Isto é como confundir uma colisão de planetas com uma colisão de dois navios petroleiros ou duas balas.
Ok, senhoras, acalme-se já. Então, por que os físicos colidem prótons ou outras partículas subatômicas? É possível fazer algo menos destrutivo?
Uma analogia é freqüentemente dada que o uso de coletores (ou, mais precisamente, coletores de partículas subatômicas) na física é como desmembrar cronômetros precisos na tentativa de estudar seu trabalho em partes emitidas por eles. Essa analogia faz sentido, mas não leva em conta algo importante.
A colisão de partículas subatômicas de energias ultra altas não é apenas um ato de destruição. É, na maior parte, um ato de criação.
Essa é uma propriedade incrível da natureza - se você colocar muita energia em um espaço bastante pequeno, às vezes poderão ser produzidas partículas que não existiam antes. É para isso que organizamos colisões de partículas de alta energia. A tecnologia com compressão de energia é a única tecnologia conhecida que permite obter partículas novas ou extremamente raras que as pessoas não viram anteriormente. Por exemplo, não temos outra maneira de obter partículas de Higgs.
Portanto, não estamos interessados no choque de relógios. Já sabemos muito sobre eles - já entendemos decentemente os prótons que colidem no LHC. Esperamos descobrir algo que não estava no relógio - já estudamos quarks e glúons, tijolos e cimento de prótons em detalhes suficientes. Temos que ajustar a analogia. Em vez disso, pressionamos o relógio juntos na esperança de que um telefone celular apareça como resultado da energia da colisão.
Isso parece muito louco. Mas a natureza é incrível e incomum, e raras partículas pesadas são criadas diariamente no LHC. É para criar partículas de Higgs e, possivelmente, outros fenômenos inesperados, que sacrificamos prótons no altar do LHC.