SEARA DA CIÊNCIA
CURIOSIDADES DA FÍSICA
José Maria Bassalo



A Descoberta dos Léptons.

Em verbetes desta série, vimos que os léptons (nome cunhado em 1946) são Partículas Elementares de spin ½, sensíveis às interações eletromagnética e fraca, obedecem à Estatística de Fermi-Dirac (1926) (portanto são férmions) e são em número de doze: seis partículas e seis respectivas antipartículas. Como naqueles verbetes falamos também da descoberta dessas partículas, neste verbete vamos destacar outros aspectos dessa descoberta. O primeiro lépton descoberto foi o elétron (e-). Vejamos como aconteceu essa descoberta. O filósofo grego Tales de Mileto (624-546) fez, provavelmente, por volta de 600 a. C., a primeira observação sobre um fenômeno elétrico ao atritar um bastão de âmbar com um pedaço de lã e notar que ele atraía pequenos corpos, como por exemplo, pedacinhos de palha seca colocados à sua proximidade. Mais tarde, o botânico e filósofo grego Teofrasto de Ereso (c.372-c.287), em sua descrição sobre jóias, relacionou os nomes de alguns minérios que apresentavam o mesmo comportamento do âmbar quando atritados. Em 1600, o físico e médico inglês William Gilbert (1544-1603) publicou, em Londres, o tratado intitulado De magnete magnetisque corporibus, et de magno magnete telluro, composto de seis livros, nos quais reuniu suas observações sobre os fenômenos elétricos e magnéticos. Nessas observações, percebeu que o cristal de rocha, e também uma grande variedade de pedras preciosas, tinham o mesmo comportamento do âmbar, também quando friccionados, razão pela qual chamou de elétricos a esses corpos, pois em grego, âmbar significa elektron, que é o nome da ilha grega onde o âmbar era encontrado. O nome elétron, como unidade de eletricidade ganha ou perdida pelos corpos “eletrizados”, foi cunhado pelo astrônomo e físico anglo-escocês George Jonhstone Stoney (1826-1911), em 1894, em um artigo intitulado Of the ‘Electron’ or Atom of Electricity, publicado na Philosophical Magazine 38, p. 418. Por fim, em 1897 e, em trabalhos independentes, do geofísico alemão Emil Johann Wiechert (1861-1928) (Schriften der Physik.-Ökonomischen Gesellschaft zu Königsberg. 38, p. 3), e dos físicos, o alemão Walther Kaufmann (1871-1947) (Annalen der Physik und Chemie 61, p. 544) e o inglês Sir Joseph John Thomson (1856-1940; PNF, 1906) (Philosophical Magazine 44, p. 295), o elétron foi descoberto. Para maiores detalhes sobre essa descoberta e as demais tratadas neste verbete, ver: Chen Ning Yang, Elementary Particles: A Short History of Some Discoveries in Atomic Physics (Princeton University Press, 1961); Steven Weinberg, The Discovery of Subatomic Particles (Penguin Books, 1993); Abraham Pais, Inward Bound: Of Matter and Forces in the Physical World (Oxford University Press, 1995); Val L. Fitch e Jonathan L. Rosner, IN: Twentieth Century Physics, Volume II (Institute of Physics Publishing and American of Institute Physics Press (1995); Frederick Reines, Nobel Lecture 1995; Martin L. Perl, Nobel Lecture 1995; e Masatoshi Koshiba, Nobel Lecture 2002.
O segundo lépton a ser descoberto foi o pósitron (e+), previsto como a antipartícula do elétron pelo físico inglês Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984; PNF, 1933), em trabalhos publicados em 1928 (Proceedings of the Royal Society of London A117; A118, pgs. 610; 351). Nestes, Dirac apresentou a hoje famosa equação de Dirac (vide verbete nesta série), em cuja solução, ele encontrou que, além de a mesma descrever o elétron, descrevia também partículas idênticas a essa partícula, porém com carga positiva e energia negativa. Ele a chamou de “buraco” e afirmou, também, que ela ocupava todos os estados de energia negativa do então chamado “mar de Dirac”. Em 1929 (Zeitschrift für Physik 56, p. 330), o matemático alemão Hermann Weyl (1885-1955) interpretou esse “buraco” como sendo um próton, interpretação essa aceita pelo próprio Dirac, em 1930 (Proceedings of the Royal Society of London A126, p. 360; Proceedings of the Cambridge Philosophical Society 26, pgs. 361; 376; e Nature 126, p. 605). No entanto, a hipótese do “buraco” ser um próton foi descartada, ainda em 1930, pelos físicos, o norte-americano Julius Robert Oppenheimer (Physical Review 35, p. 562) e o russo Igor Yevgenyevich Tamm (1895-1971; PNF, 1958) (Zeitschrift für Physik 62, p. 545) e, desse modo, em 1931 (Proceedings of the Royal Society of London A133, p. 60), Dirac propôs que o “buraco” seria uma nova partícula – chamada por ele de “anti-elétron” - e ainda não conhecida, apesar de já haver evidência experimental de sua existência, como indicada em 1929, nos trabalhos independentes, dos físicos, o russo Dmitry Vladimirovich Skobeltzyn (1892-1992) (Zeitschrift für Physik 54, p. 686) e o italiano Bruno Benedetti Rossi (1905-1994) (seu trabalho não foi aceito para publicação). Por fim, essa nova partícula foi descoberta em 1932. Vejamos como.
O físico norte-americano Carl David Anderson (1905-1991; PNF, 1936) era aluno de doutoramento do também físico norte-americano Robert Andrews Millikan (1868-1953; PNF, 1923), no California Institute of Technology (CALTECH), especialista em raios cósmicos (vide verbete nesta série). Como trabalho de Tese de Doutorado (defendida em 1930), Anderson estudava a trajetória desses “raios” em uma câmara de Wilson (CW) (vide verbete nesta série). Contudo, como essas “partículas cósmicas” são normalmente de alta energia, sua passagem pela CW era quase imperceptível. Assim, com o intuito de freiá-las, Anderson inseriu uma placa de chumbo (Pb) normalmente à câmara e, ao examinar as trajetórias de tais partículas que emergiam dessa placa e depois de atravessarem uma região de forte campo magnético, observou que algumas daquelas trajetórias eram idênticas às do elétron, porém de curvatura oposta. Depois de examinar cerca de 70.000 fotografias, Anderson anunciou, em 1932 (Science 76, p. 238), a descoberta do elétron positivo, denominado por ele, em sua Nobel Lecture, de pósitron, e posteriormente reconhecido como a antipartícula do elétron. Registre-se que, muito embora Anderson não haja citado o trabalho de Dirac no artigo de 1932, ele fez referência ao mesmo em sua Nobel Lecture. A descoberta de Anderson foi confirmada, em 1933, em experiências realizadas no Cavendish Laboratory, da Universidade de Cambridge, na Inglaterra, pelos físicos, o italiano Guiseppe Pablo Stanislao Occhialini (1907-1993) e os ingleses, o Barão Patrick Maynard Stuart Blackett (1897-1974; PNF, 1948) e Sir James Chadwick (1891-1974; PNF, 1935) (vide verbete nesta série). Registro que foi meu professor da então Escola de Engenharia do Pará, o engenheiro químico e civil, o brasileiro Miguel de Paulo Rodrigues Bitar (n.1922), quem primeiro me falou do pósitron, no Curso de Engenharia Civil que realizei entre 1954-1958, em Belém do Pará.
Foram ainda experiências realizadas por Anderson que levaram à descoberta de mais um lépton, o hoje múon ( ). Com efeito, ainda no CALTECH e com auxílio do físico norte-americano Seth Henry Neddermeyer (1907-1988), Anderson fez mais uma inovação na CW daquele Instituto. Assim, inserindo um contador Geiger (vide verbete nesta série) para observar a passagem dos “raios cósmicos positivos” penetrantes e lentos, e que, depois de atravessarem o contador, logo paravam. Ao examinarem os traços deixados por aqueles “raios”, observaram que se tratava de uma nova partícula, de massa aproximada de 200 me (me = massa do elétron ). Essa descoberta foi anunciada por Anderson e Neddermeyer, em 1937 (Physical Review 51, p. 884). Essas partículas, denotadas pela letra grega , inicialmente denominadas de mésons Andersonianos e, também, de mesotrons (cuja raiz grega, meso, significa médio), tiveram sua existência comprovada, ainda em 1937, em experiências independentes, realizadas pelos físicos, os norte-americanos Jabez Curry Street (1906-1989) e Edward Carl Stevenson (n.1907) (Physical Review 51, p. 1005), e os japoneses Yoshio Nishina (1890-1950), Masa Takeuchi e Torao Ichimiya (Physical Review 52, p. 1198).
Na década de 1940, conforme vimos em verbetes desta série, foi observado que essa nova partícula era produzida na colisão dos “raios cósmicos” com a atmosfera terrestre., conforme ficou confirmado nas famosas experiências da Universidade de Bristol, na Inglaterra, realizadas em 1947, e lideradas pelo físico inglês Sir Cecil Frank Powell (1903-1969; PNF, 1950), com a colaboração dos físicos, o também inglês Hugh Muiread (1925-2007), o brasileiro Cesare (César) Mansuetto Giulio Lattes (1924-2005), e o italiano Occhialini. Em tais experiências, ficou comprovado que os “mesotrons”, chamados então de “mésons secundários” – mésons -, eram produto do decaimento (cujos modos veremos mais adiante) de “mésons primários” – os mésons (hoje, píons) -, e que possuíam dois tipos de carga: positiva ( ) e negativa ( ), sendo o primeiro, a antipartícula do segundo. É interessante registrar que, em 1948, Lattes e o físico norte-americano Eugene Gardner (1913-1950) produziram artificialmente esses múons, na Universidade da Califórnia, em Berkeley, nos Estados Unidos da América.
O neutrino do elétron ( ) e sua antipartícula associada, o antineutrino do lépton ( ), são outros dois tipos de léptons que foram “descobertos”, por ocasião da produção artificial dos então mésons , bem como nos processos de fissão nuclear ocorrida nos testes de bombas atômicas realizados na década de 1940, em Los Alamos (ver verbete nesta série). É oportuno registrar que a “descoberta” desses neutrinos, foi realizada de maneira indireta (daí o uso de aspas), conforme mostraremos a seguir. Em verbete desta série, vimos que na década de 1920, havia uma polêmica sobre a energia da partícula (elétron emitido por um núcleo A que se transforma em um núcleo B, por um decaimento radioativo), uma vez que não havia conservação da energia nesse processo de transformação. Para contornar essa dificuldade, o físico austro-norte-americano Wolfgang Pauli Junior (1900-1958; PNF, 1945) propôs, em 1930, a existência de uma partícula neutra, de massa muito pequena, não excedendo um centésimo da massa do próton, que era emitida junto com o elétron pelo núcleo radioativo “mãe” (A), e cuja energia restaurava a conservação de energia. Essa “partícula Pauliana” foi denominada de neutrino ( ) (nêutron pequenino, em italiano) pelo físico italiano Enrico Fermi (1901-1954; PNF, 1938), em 1934, por ocasião em que formulou a teoria matemática do decaimento , segundo a qual, por intermédio de uma nova força na natureza – posteriormente chamada de força fraca – o nêutron (n) se transforma em um próton (p), com a emissão de um elétron (e-) e da “partícula Pauliana” ( ), ou seja: . Note-se que, somente em 1953, os físicos norte-americanos Emil John Konopinski (1911-1990) e Hormoz Massou Mahmoud (n.1918) mostraram que a “partícula Pauliana” era a antipartícula do “neutrino Fermiano”, recebendo então o nome de antineutrino do elétron ( ).
Desde 1945, o físico norte-americano Frederick Reines (1918-1998; PNF, 1995) tentava observar o “neutrino Pauliano-Fermiano” sem, contudo, lograr êxito. Em 1951, ao entrar de licença sabática de seu emprego no Laboratório de Los Alamos, Reines convidou seu colega, o também físico norte-americano Clyde Lorrain Cowan Junior (1919-1974), para irem em busca daquela partícula, denotado por Reines como . Inicialmente, eles consideraram a hipótese de usar os testes de bombas atômicas como fonte de neutrinos, mas logo decidiram estudar a colisão de um fluxo de “neutrinos-menos” ( ) oriundos do decaimento ( , era o elétron) produzido pelo reator do Hanford Engineering Works, situado em Washington, com prótons de um cintilador líquido, em uma reação nuclear do tipo: , com representando o pósitron. Estes, por sua vez, ao encontrarem elétrons livres do fluido do cintilador, se aniquilavam e se transformavam em fótons, responsáveis, portanto pela cintilação. O resultado dessa experiência foi apresentado por Reines e Cowan, em 1953 (Physical Review 92, p. 830). Mais tarde, em 1956 (Science 124, p. 103) e em 1960 (Physical Review 117, p. 159), Cowan, Reines, F. B. Harrison, H. W. Kruse e A. D. McGuire confirmaram o resultado da experiência de 1953, usando um tanque de ½ m3 de água para detectar o [agora reconhecido como o antineutrino do elétron ( )] proveniente do Savannah River Nuclear Reactor, localizado na Carolina do Sul.
Em verbetes desta série, vimos que a suspeita de haver um neutrino diferente do neutrino eletrônico ( ) e envolvido no decaimento do méson “secundário” , foi aventada ainda na década de 1940, com os trabalhos dos físicos, o alemão Lothar Wolfgang Nordheim (1899-1985), em 1941, o italiano Bruno M. Pontecorvo (1913-1993), em 1947, o também italiano Giampietro Puppi (1917-2006), em 1948, e o norte-americano John Archibald Wheeler (1911-2008) junto com o brasileiro Jayme Tiomno (n.1920), em 1948-1949. Nesses trabalhos, eram estudados os possíveis modos de decaimento dos mésons “primário” ( ) e “secundário” ( ), assim como se colocava a seguinte questão: será que um fluxo de neutrinos provindos do decaimento dos , ao colidir com prótons (p), produzirá nêutrons (n) e pósitrons ( ) como observado por Reines e Cowan? Contudo, para se poder responder a essa pergunta, era necessário se obter o feixe de neutrinos produzido pelos .
Em 1960, Pontecorvo e o físico norte-americano Melvin Schwartz (n.1932; PNF, 1988) (Soviet Physics – JETP 10, p. 1236) e, independentemente, os físicos sino-norte-americanos Tsung-Dao Lee (n.1926; PNF, 1957) e Chen Ning Yang (n.1925; PNF, 1957) (Physical Review Letters 4, pgs. 306; 307) propuseram um tipo de experiência para a produção dos neutrinos em decorrência do decaimento dos , com o seguinte aspecto: , . De posse desses neutrinos, hoje conhecidos como neutrino do múon ( ), Schwartz e os físicos norte-americanos Leon Max Lederman (n.1922; PNF, 1988), Jack Steinberger (n.1921; PNF, 1988), Gordon Danby, Jean-Marc Gaillard, Konstantin Goulianos e Nariman B. Mistry, realizaram uma experiência no ciclotron Nevis do Brookhaven National Laboratory, em 1962 (Physical Review Letters 9, p. 36), na qual comprovaram a existência do neutrino do múon ( ), bem como confirmaram a existência do neutrino do elétron ( ), em reações do tipo: ; ; e . É oportuno salientar que a existência de dois neutrinos ( , ) foi confirmada no CERN, em 1964, em experiências das quais participou o físico brasileiro Roberto Aureliano Salmeron (n.1922) (vide verbete nesta série).
Para concluir este verbete, vejamos a descoberta dos dois últimos léptons até agora conhecidos: o tau ( ) e o neutrino(antineutrino) do tau ( ). Em outubro de 1975 (Physical Review Letters 35, p. 1489), uma equipe de pesquisadores do Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) da Universidade de Stanford, nos Estados Unidos, sob a liderança do físico norte-americano Martin Lewis Perl (n.1927; PNF, 1995), realizaram uma experiência na qual estudaram a colisão elétron-pósitron (e- - e+) , com a produção anômala de elétrons e de múons. Essa produção decorria do decaimento de uma nova partícula, a princípio denominada de U, inicial da palavra unknow (“desconhecido”, em inglês), decorrente das seguintes reações: com o seguinte modo de decaimento de U: . Ainda em 1975 (Perl, Nobel Lecture), Perl e seu estudante de pós-graduação, o físico grego Petros Afentoulis Rapidis, sugeriram o nome tau ( ), inicial da palavra (“triton”, terceiro em grego), para esse terceiro lépton. A comprovação dessa nova partícula ocorreu, em 1977, em duas experiências [uma liderada por Perl (Physical Review Letters 38, p 117) e a outra (Pluto Collaboration) liderada por Hinrich Meyer e Eric Lohrmann (Physics Letters B68, pgs. 297; 301), em Hambourg, na Alemanha], ocasião em que foi observado que se tratava de um lépton pesado, com massa de e spin ½. É oportuno registrar que a equipe de Perl era composta dos físicos: G. S. Abrams, A. M. Boyarski, M. Breidenbach, M. Briggs, F. Bulos, William Chinowsky, J. T. Dakin, G. J. Feldman, C. E. Friedberg, D. Fryberger, Gerson Goldhaber, G. Hanson, F. B. Heile, B. Jean-Marie, J. A. Kadyk, R. R. Larsen, A. M. Litke, D. Lüke, B. A. Lulu, V. Lüth, D. Lyon, C. C. Morehouse, J. M. Paterson, F. M. Pierre, T. P. Pun, Rapidis, Burton Richter (n.1931; PNF, 1976), B. Sadoulet, R. F. Schwitters, W. Tanebaum, George H. Trilling, F. Vannucci, J. S. Whitaker, F. C. Winkelmann e J. E. Wiss. Por sua vez, a equipe de Meyer e Lohrmann era formada dos físicos: A. Backer, V. Blobel, J. Burger, J. Burmester, L. Criegee, H. C. Dehne, K. Derikum, R. Devenish, G. Flügge, J. D. Fox, G. Franke, Ch. Gerke, C. Grupen, P. Harms, G. Horlitz, Th. Kahl, G. Knies, B. Koppitz, W. Luhrsen, M. Rossler, R. Schmitz, U. Timm, K. Wacker, H. Wahl, P. Waloschek, G. G. Winter, S. Wolff, G. Zech e W. Zimmermann.
Concluindo este verbete, é oportuno salientar que, nas experiências sobre a descoberta dos léptons [elétron (e-), pósitron (e+), múon ( ) e tau ( )] e de seus neutrinos(antineutrinos) ( ) que acabamos de estudar, estas últimas partículas são consideradas de massa nula em conseqüência do Modelo Padrão das Partículas Elementares (vide verbete nesta série). Contudo, experiências (Kamiokande Collaboration) realizadas desde 1987, sob a liderança do físico japonês Masatoshi Koshiba (n.1926; PNF, 2002) e relacionadas com a oscilação de neutrinos ( ), parecem indicar que tais partículas têm massa.