Como sabemos o quão pequena é uma partícula elementar?

Das escalas macroscópicas às subatômicas, os tamanhos das partículas fundamentais desempenham apenas um pequeno papel na determinação dos tamanhos das estruturas compostas. Ainda não se sabe se os blocos de construção são partículas verdadeiramente fundamentais e/ou pontuais, mas entendemos o Universo desde grandes escalas cósmicas até minúsculas e subatômicas. (MAGDALENA KOWALSKA / CERN / EQUIPE ISOLDE)

Quando dividimos algo em seus componentes mais fundamentais e indivisíveis, estamos realmente vendo algo parecido com um ponto ou existe um tamanho mínimo finito?


Imagine que você queria saber do que é feita a matéria ao seu redor, em um nível fundamental. Você pode abordar o problema dividindo um pedaço dessa matéria em pedaços menores e, em seguida, dividindo um pedaço em pedaços menores, e assim por diante, até não poder mais dividi-lo. Quando você atingiu seu limite, essa seria a melhor aproximação do fundamental que você conseguiu chegar.



Durante a maior parte do século 19, pensamos que os átomos eram fundamentais; a própria palavra grega, ἄτομος, significa literalmente indestrutível. Hoje, sabemos que os átomos podem ser divididos em núcleos e elétrons, e que, embora não possamos dividir o elétron, os núcleos podem ser divididos em prótons e nêutrons, que podem ser subdivididos em quarks e glúons. Muitos de nós nos perguntamos se um dia eles podem ser divididos ainda mais e quão pequeno seu tamanho realmente é.



Uma molécula de pentaceno, como fotografada pela IBM com microscopia de força atômica e resolução de átomo único. Esta foi a primeira imagem de um único átomo já tirada. (ALLISON DOERR, MÉTODOS NATUREZA 6, 792 (2009))

A foto que você vê acima é realmente notável: é uma imagem de átomos individuais, dispostos em uma configuração particular, tirada com uma técnica que não é tão diferente de uma fotografia antiga. A maneira como as fotos funcionam é que a luz de um determinado comprimento de onda ou conjunto de comprimentos de onda é enviada a um objeto, algumas dessas ondas de luz viajam livremente enquanto outras são refletidas, e medindo a luz não afetada ou refletida, você pode construir um imagem negativa ou positiva do seu objeto.



Tudo isso depende do fotógrafo tirar proveito de uma propriedade particular da luz: o fato de ela se comportar como uma onda. Todas as ondas têm um comprimento de onda, ou uma escala de comprimento característica para elas. Desde que o objeto que você está tentando visualizar seja maior que o comprimento de onda da onda de luz que você está usando, você poderá tirar uma imagem desse objeto.

As escalas de tamanho, comprimento de onda e temperatura/energia que correspondem a várias partes do espectro eletromagnético. Você tem que ir para energias mais altas e comprimentos de onda mais curtos, para sondar as menores escalas. (NASA E WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO INDUCTIVELOAD)

Isso nos dá um tremendo controle sobre como escolhemos olhar para um objeto em particular: precisamos escolher um comprimento de onda de imagem que nos dê uma resolução de alta qualidade do objeto que queremos, mas que não seja tão comprimento de onda curto que o ato de observá-lo danifica ou destrói. Afinal, a quantidade de energia que algo tem aumenta em comprimentos de onda cada vez mais curtos.



Essas escolhas ajudam a explicar por que:

  • precisamos de antenas relativamente grandes para captar ondas de rádio, porque a transmissão de rádio está em um comprimento de onda longo e você precisa de uma antena de tamanho comparável para interagir com esse sinal,
  • por que você tem buracos na porta do seu forno de micro-ondas, para que a luz de micro-ondas de comprimento de onda longo seja refletida e permaneça dentro, mas a luz visível de comprimento de onda curto pode sair, permitindo que você veja o que está lá,
  • e por que os minúsculos grãos de poeira no espaço são ótimos para bloquear a luz de comprimento de onda curto (azul), são menos bons para a luz de comprimento de onda mais longo (vermelho) e são absolutamente péssimos para bloquear a luz de comprimento de onda ainda maior (infravermelho).

As vistas de comprimento de onda de luz visível (L) e infravermelho (R) do mesmo objeto: os Pilares da Criação. Observe como o gás e a poeira são mais transparentes para a radiação infravermelha e como isso afeta o fundo e as estrelas interiores que podemos detectar. (EQUIPE DE PATRIMÔNIO DA NASA/ESA/HUBBLE)

Você pode supor que fótons, ou quanta de luz, são realmente o caminho a seguir quando se trata de imagens de objetos em todas as escalas. Afinal, se você quer construir uma imagem de algo, por que não usar a luz?



A questão é que a física não se importa se você é um fóton ou não na construção de uma imagem. Tudo com o que a física se importa é qual é o seu comprimento de onda. Se você é um quantum de luz, esse será o comprimento de onda do seu fóton. Mas se você for uma partícula quântica diferente, como um elétron, ainda terá um comprimento de onda relacionado à sua energia: seu comprimento de onda de Broglie . Na realidade, se você optar por usar uma onda de luz ou uma onda de matéria é irrelevante. Tudo o que importa é o comprimento de onda. É assim que podemos sondar a matéria e determinar o tamanho de um objeto, em qualquer escala arbitrária que escolhermos.

Nanomateriais, como nanotubos de carbono e grafeno, não são apenas interessantes do ponto de vista científico ou industrial, mas às vezes também podem formar belas estruturas, que sob microscópios eletrônicos revelam vislumbres de um nanomundo fascinante. As estruturas em exibição têm cerca de um milésimo de milímetro e consistem em milhares de nanopartículas. Os elétrons são a maneira preferida de criar imagens dessas estruturas em escala de nanômetros a mícrons. (MICHAEL DE VOLDER / CAMBRIDGE)



Essa propriedade da matéria foi uma surpresa quando foi revelado pela primeira vez que os cientistas a estudaram ad nauseam , perplexos e chocados com o que viram. Se você disparasse um elétron através de uma fenda em uma barreira, ele apareceria em uma pequena pilha do outro lado. Se você cortar uma segunda fenda muito perto da primeira, porém, não obterá duas pilhas; em vez disso, você obteria um padrão de interferência. Era como se seus elétrons estivessem realmente se comportando como ondas.

As coisas ficaram ainda mais estranhas quando as pessoas tentaram controlar os elétrons, disparando-os um de cada vez em direção a essas duas fendas. Eles montaram experimentos para registrar onde os elétrons pousaram, um de cada vez, em uma tela atrás da fenda. À medida que você dispara mais elétrons, um após o outro, esse mesmo padrão de interferência começou a surgir. Não só os elétrons se comportavam como ondas, mas cada um agia como se pudesse interferir consigo mesmo.

Não apenas os fótons, mas os elétrons também podem exibir propriedades ondulatórias. Eles podem ser usados ​​para construir imagens tão bem quanto a luz, mas também podem ser usados, como qualquer partícula de matéria, para sondar a estrutura ou o tamanho de qualquer partícula com a qual você colidiu. (THIERRY DUGNOLLE)

Quanto maior a energia que você pode fazer com que sua partícula alcance, menor o tamanho de uma estrutura que você pode sondar. Se você puder aumentar a energia de seus elétrons (ou fótons, ou prótons, ou o que for), quanto menor o comprimento de onda e melhor a resolução. Se você puder medir exatamente quando sua partícula não fundamental se separa, você pode determinar esse limite de energia e, portanto, seu tamanho.

Essa técnica nos permitiu determinar que:

  • Os átomos não são indivisíveis, mas são feitos de elétrons e núcleos com um tamanho combinado de ~1 Å, ou 10^-10 metros.
  • Os núcleos atômicos podem ser divididos em prótons e nêutrons, cada um com um tamanho de ~1 fm, ou 10^-15 metros.
  • E se você bombardear elétrons ou quarks ou glúons com partículas de alta energia, eles não mostram evidência de estrutura interna, até um tamanho de ~ 10^-19 metros.

Os tamanhos de partículas compostas e elementares, com possivelmente menores dentro do que é conhecido. Com o advento do LHC, agora podemos restringir o tamanho mínimo de quarks e elétrons a 10^-19 metros, mas não sabemos até onde eles realmente vão, e se são pontuais, finitos em tamanho , ou partículas realmente compostas. (FERMILAB)

Hoje, acreditamos, com base em nossas medições, que cada uma das partículas do Modelo Padrão é fundamental, pelo menos até esta escala de 10^-19 metros.

Fundamental, acreditamos, deveria significar que a partícula é absolutamente indivisível: ela não pode ser dividida em entidades menores que a compõem. Em termos mais simples, não devemos ser capazes de abri-lo. De acordo com nossa melhor teoria da física de partículas, o Modelo Padrão, todas as partículas conhecidas:

  • os seis tipos de quarks e seis antiquarks,
  • os três léptons carregados e três antiléptons,
  • os três neutrinos e antineutrinos,
  • os oito glúons,
  • o fóton,
  • os bósons W e Z,
  • e o bóson de Higgs,

espera-se que sejam indivisíveis, fundamentais e pontuais.

As partículas e antipartículas do Modelo Padrão já foram detectadas diretamente, com a última resistência, o bóson de Higgs, caindo no LHC no início desta década. Todas essas partículas podem ser criadas nas energias do LHC, e as massas das partículas levam a constantes fundamentais que são absolutamente necessárias para descrevê-las completamente. Essas partículas podem ser bem descritas pela física das teorias quânticas de campo subjacentes ao Modelo Padrão, mas elas não descrevem tudo, como a matéria escura. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Mas aqui está a coisa: não sabemos se isso é verdade. Claro, o Modelo Padrão diz que é assim que as coisas são, mas sabemos que o Modelo Padrão não nos dá a resposta final para tudo. Na verdade, sabemos que, em algum nível, o Modelo Padrão deve falhar e estar errado, porque não leva em conta a gravidade, a matéria escura, a energia escura ou a preponderância da matéria (e não da antimatéria) no Universo.

Tem que haver algo lá fora mais na natureza do que isso. E talvez seja porque as partículas que pensamos serem fundamentais, pontuais e indivisíveis hoje na verdade não são. Talvez, se formos para energias suficientemente altas e comprimentos de onda suficientemente pequenos, seremos capazes de ver que em algum ponto, entre nossas escalas de energia atuais e a escala de energia de Planck, há realmente mais no Universo do que sabemos atualmente.

Os objetos com os quais interagimos no Universo variam de escalas cósmicas muito grandes até cerca de 10^-19 metros, com o mais novo recorde estabelecido pelo LHC. Há um longo, longo caminho para baixo (em tamanho) e para cima (em energia) nas escalas que o Big Bang quente atinge, que é apenas um fator de ~ 1000 menor que a energia de Planck. Se as partículas do Modelo Padrão são compostas por natureza, sondas de energia mais altas podem revelar isso, mas “fundamental” deve ser a posição de consenso hoje. (UNIVERSIDADE DE NOVA GALES DO SUL / ESCOLA DE FÍSICA)

Quando se trata das partículas fundamentais da natureza, essa técnica de esmagar partículas umas nas outras é a melhor ferramenta que temos para investigá-las. O fato de nenhuma dessas partículas fundamentais ter rachado, mostrado uma estrutura interior ou nos dado uma dica de que elas têm um tamanho finito é a melhor evidência que temos, até hoje, sobre sua natureza.

Mas os curiosos entre nós não ficarão simplesmente satisfeitos com os limites atuais que estabelecemos. Se tivéssemos parado nos átomos, nunca teríamos descoberto os segredos quânticos que estão dentro do átomo. Se tivéssemos parado com prótons e nêutrons, nunca teríamos descoberto a estrutura subjacente da matéria normal que preenche o Universo. E se pararmos por aqui, com o Modelo Padrão, quem sabe o que vamos perder?

A escala do futuro Colisor Circular proposto (FCC), comparada com o LHC atualmente no CERN e o Tevatron, anteriormente operacional no Fermilab. O Future Circular Collider é talvez a proposta mais ambiciosa para um colisor de próxima geração até o momento, incluindo opções de lépton e próton como várias fases de seu programa científico proposto. (PCHARITO / WIKIMEDIA COMMONS)

A ciência não é um empreendimento incompleto, onde conhecemos as respostas de um experimento e só o realizamos para confirmar o que sabemos. A ciência é sobre descoberta. Trata-se de olhar para onde nunca olhamos antes e descobrir o que está por trás desse véu de incerteza. Pode chegar o dia em que toda a humanidade dê uma olhada no que sabemos e na magnitude do que teríamos que construir para dar o próximo passo e dizer: não há como fazer isso, mas não é onde estamos hoje.

Sabemos como ir para o próximo nível. Sabemos como ir para a próxima ordem de grandeza e o próximo dígito significativo em energia e tamanho. O Universo que entendemos hoje é realmente tudo o que existe lá fora? Não pode ser. Até descobrirmos o último dos segredos da natureza sobre o que é verdadeiramente fundamental, não podemos nos permitir parar a busca.


Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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