CURIOSIDADES DA FÍSICA
José Maria Filardo Bassalo
www.bassalo.com.br

Matéria (Partícula), Antimatéria (Antipartícula) e a Natureza Humana.  

 

Em 1927, por ocasião da Quinta Conferência de Solvay que aconteceu em Bruxelas, o físico inglês Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984; PNF, 1933) encontrou-se com o físico dinamarquês Niels Henrik David Bohr (1885-1962; PNF, 1922) que lhe perguntou em que estava trabalhando, Dirac então lhe respondeu que buscava uma teoria relativista do elétron. Bohr retrucou dizendo-lhe que o físico sueco Oskar Benjamin Klein (1894-1977), em 1926 (Zeitschrift für Physik 37, p. 895), já havia realizado essa teoria. Dirac não concordou com essa afirmação, pois sabia que Klein fizera apenas uma versão relativística da Equação de Schrödinger, de 1926 (ver verbete nesta série). Dirac, contudo, buscava outro caminho e que foi encontrado por ele, em 1928 (Proceedings of the Royal Society A117; A118, p. 610; 351), deduzindo a hoje famosa Equação de Dirac (ED) - (i  gm m - m c) F = 0 -, onde gm é a matriz de Dirac (matriz 4 ´ 4), m  = /xm (m = 1, 2, 3, 4), F é o spinor de Dirac (matriz coluna), m é a massa do elétron, e c é a velocidade da luz no vácuo. Mais tarde, em 1930 (Proceedings of the Cambridge Philosophical Society 26, p. 361), Dirac considerou que o m que aparece em sua equação, era uma média entre a massa do próton e a massa do elétron. É interessante destacar que, em 1974, Dirac escreveu o livro denominado Spinors in Hilbert Space (Plenum), no qual ele estuda os spinores com o formalismo do Espaço de Hilbert. 

                   Um resultado importante da ED foi o conceito de antimatéria. Vejamos como isso aconteceu. Ao resolver essa equação (baseada na expressão relativista da energia: E2 = p2c2 + m2c4), Dirac encontrou que ela não só descrevia o elétron com momento p e energia positiva (E > 0), mas tinha outra solução que descrevia partículas idênticas a elétrons, porém com carga positiva e energia negativa (E < 0). Ele chamou essas partículas de “buracos” e afirmou que eles ocupavam todos os estados de energia negativa, o famoso “mar de Dirac”. Nessa época, Dirac não havia entendido bem essa outra solução. Assim, esse “buraco” foi interpretado como sendo um próton, em 1929 (Zeitschrift für Physik 56, p. 330), pelo matemático alemão Hermann Weyl (1885-1955) e, ainda em 1929 (Proceedings of the Royal Society of London A126, p. 360) e em 1930 (Nature 126, p. 605), pelo próprio Dirac. Essa interpretação decorria do fato de que, naquela época, só se conheciam dois tipos de partículas elementares: elétrons e prótons. Por sua vez, o núcleo atômico era considerado formado de prótons e elétrons. Porém, Dirac não ficou muito satisfeito com essa proposta, uma vez que já se sabia que os prótons tinham massa cerca de 1.840 vezes maior do que à dos elétrons.

                   Ainda em 1930, em trabalhos independentes, os físicos, o norte-americano Julius Robert Oppenheimer (1904-1967) (Physical Review 35, p. 562) e o russo Igor Yevgenyevich Tamm (1895-1971; PNF, 1958) (Zeitschrift für Physik 62, p. 545), mostraram que o “buraco” não poderia ser um próton, pois, desse modo, tornaria o átomo instável por causa do processo: próton + elétron  fótons. Em 1931 (Proceedings of the Royal Society of London A133, p. 60), Dirac aceitou a ideia de que o “buraco” seria uma nova espécie de partícula, até então desconhecida pelos físicos experimentais, a qual chamou de antielétron. Destaque-se que essa “nova partícula” foi descoberta pelo físico norte-americano Carl David Anderson (1905-1991; PNF, 1935), em 1932 (Proceedings of the Royal Society of London A41, p. 405; Science 76, p. 238), e que recebeu o nome de pósitron (). É interessante destacar que, em 1929, os físicos, o russo Dmitry Vladimirovich Skobeltzyn (1892-1992) (Zeitschrift für Physik 54, p. 686) e, em 1930 (Nature 125, p. 636), o italiano Bruno Benedetti Rossi (1905-1994), encontraram evidências experimentais da existência do “buraco” previsto por Dirac. Note-se que esse trabalho de Rossi foi rejeitado pela primeira revista científica para a qual ele o enviou.

                   Em 1933 (Proceedings of the Royal Society of London A139, p. 699), os físicos, o inglês Patrick Maynard Stuart Blackett (1897-1974; PNF, 1948) e o italiano Giuseppe Pablo Stanislao Occhialini (1907-1993) realizaram uma experiência na qual confirmaram a existência do pósitron (). Essa experiência, realizada no Cavendish Laboratory, na Inglaterra, hoje conhecida como produção de pares (γ → e- + e+), foi confirmada, ainda em 1933 (Zeitschrift für Physik 84, p. 144), pelo físico alemão Max Delbrück (1906-1981), ao estudar o espalhamento de fótons (γ) (E > 1,02 MeV) por campos eletrostáticos, como, por exemplo, o de um núcleo atômico que é carregado positivamente; esse processo é o conhecido espalhamento de Delbrück. É oportuno observar que, nesse tipo de espalhamento, a produção de pares é dita virtual, pois logo que o par é formado, ele desaparece produzindo um par de fótons (e- + e+2 γ), num processo conhecido como aniquilamento. Observe-se que a produção de 2 γ é uma decorrência da lei de conservação de energia-momento [Robert Martin Eisberg and Robert Resnick, Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles (John Wiley and Sons, 1974)].

                O desenvolvimento da Eletrodinâmica Quântica (QED- “Quantum Electrodynamics”), que aconteceu nas décadas de 1930 e 1940 (ver verbetes nesta série), fez com que o conceito de antipartícula fosse incorporado na Física, principalmente devido ao famoso Teorema CPT. Vejamos o seu significado. Segundo vimos em verbete desta série, foi o químico e físico francês Pierre Curie (1859-1906; PNF, 1903) o primeiro a introduzir a importância da simetria no estudo dos fenômenos físicos, ao afirmar que: - São as assimetrias que possibilitam os fenômenos. Para ele, uma exata simetria da Natureza não poderia ser detectada, já que todos os pontos do Universo seriam indistinguíveis, e a probabilidade da realização de experiências seria a mesma. Por outro lado, ao fazer a distinção clara entre vetores polares (que apresentam a direção independente do sistema de coordenadas) e axiais ou pseudo-vetores (cuja direção depende do sistema de coordenadas), Pierre Curie percebeu a importância da Teoria de Grupos [inventada pelo matemático francês Évariste Galois (1811-1832), em 1831] no estudo dos fenômenos físicos. É oportuno esclarecer que, em Física, chama-se de simetria a toda transformação que leva um sistema físico em outro que lhe seja equivalente, decorrendo daí, uma invariância desse sistema. O conjunto de transformações de simetria forma um grupo. Para conhecer esse tipo de estrutura matemática, ver: José Maria Filardo Bassalo e Mauro Sérgio Dorsa Cattani, Teoria de Grupos (EDUFPA, 2005; Livraria da Física, 2008).      

                   A importância da simetria no estudo dos fenômenos físicos salientada por Pierre Curie teve um primeiro estudo formal com a matemática alemã Amalie Emmy Noether (1882-1935). Com efeito, em 1918 (Königlichi Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen Nachrichten, p. 37; 235), ela demonstrou que as constantes de movimento de um sistema físico, isto é, os seus invariantes, estão associadas com os grupos de simetria das transformações equivalentes. Por exemplo, quando o Lagrangeano (L) [a diferença entre as energias cinética (T) e potencial (V) (L = T – V)], que determina as equações de movimento de um sistema físico [traduzidas pela Equação de Euler (1744)-Lagrange (1760-1761)-Poisson (1809)], apresentar simetria de translação no tempo, na posição, e apresentar, também, simetria de rotação no espaço, decorrem, respectivamente, as Leis de Conservação da Energia, do Momento Linear e do Momento Angular, o que significa dizer, portanto, que essas grandezas físicas são invariantes.

                   Por sua vez, o estudo dos princípios de simetria e a aplicação da Teoria de Grupos aos sistemas de muitos-elétrons foi iniciado pelo físico húngaro norte-americano Eugene Paul Wigner (1902-1995; PNF, 1963), em 1926 (Zeitschrift für Physik 40, p. 492). Por outro lado, ao estudar as Leis de Conservação na Mecânica Quântica (traduzidas pelo Teorema de Noether, como vimos acima), Wigner observou, em 1927 (Zeitschrift für Physik 43, p. 624), que tais leis são associadas com a existência de operadores unitários P [operador paridade (reflexão)], de autovalores , que comutam com o operador Hamiltoniano H (H = T + V): PH = HP. Em 1931, no livro intitulado Gruppentheorie und ihre Anwendung auf die Quantenmechanik der Atomspektern, Wigner propôs a Lei de Conservação da Paridade P, segundo a qual nenhuma experiência seria capaz de determinar, de maneira unívoca, a direita ou a esquerda. Logo depois, em 1932 (Akademie der Wissenschaften zu Göttingen Nachrichten, Mathematisch-physikalische Klasse, p. 546), Wigner estudou a reflexão no tempo (t) – o operador inversão temporal (T) – nos fenômenos físicos, que significa trocar t por – t. Na década de 1950, a esses dois operadores (P e T) foi incorporado um terceiro – o operador troca de carga (C) – que significa trocar uma partícula (p.e.: ) por sua antipartícula ().

                   Agora, vejamos o Teorema CPT.  Os primeiros estudos sobre a invariância desses três operadores (C, P, T) em Teoria dos Campos foram realizados pelo físico norte-americano Julian Seymour Schwinger (1918-1994; PNF, 1965), em 1953 (Physical Review 91, p. 713; 728; 92, p. 1238). No ano seguinte, em 1954, Schwinger (Physical Review 93, p. 615; 94, p. 1362) e, independentemente, o físico alemão Gerhart Lüders (1920-1995) (Det Köngelige Danske Videnskabernes Selskab Matematisk-Fysiske Meddelanden 28, p. 1), mostraram que a invariância desses operadores atuando no mesmo instante, a invariância CPT, decorre da invariância de Lorentz em uma Teoria dos Campos. Em 1957 (Annals of Physics 2, p. 1), Lüders  demonstrou o Teorema CPT, segundo o qual os observáveis em Física  são invariantes por uma transformação combinada, em qualquer ordem, das operações C, P e T. Ainda segundo esse Teorema, toda partícula possui uma antipartícula (com carga elétrica de sinal contrário, se ela for carregada) associada de mesma massa (m), mesma vida-média (τ) e de mesmo momento magnético (μ) da partícula correspondente. Registre-se que a demonstração desse Teorema foi confirmada, ainda em 1957, em trabalhos independentes dos físicos, os sino-norte-americanos Tsung-Dao Lee (n.1926; PNF, 1957) e Chen Ning Yang (n.1922; PNF, 1957) e o germano-norte-americano Reinhard Oehme (1928-2010) (Physical Review 106, p. 340), e os russos Boris Lazarevich Ioffe (n.1926), Lev Borisovich Okun (n.1929) e Aleksei Petrovich Rudik (m.c.1993) (Soviet Physics – JETP 5, p. 328).     

                   Com a comprovação matemática da existência da antipartícula, começou a busca de outras além do pósitron (e+ = ). Em 1955 (Physical Review 100, p. 947), os físicos norte-americanos Emílio Gino Segré (1905-1989; PNF, PNF, 1959) (de origem italiana), Owen Chamberlain (1920-2006; PNF, 1959), Clyde E. Wiegand (1915-1996) e Thomas John Ypsilantis (1928-2000) anunciaram que haviam produzido os primeiros antiprótons () com o Bevatron do Laboratório Lawrence de Radiação da Universidade da Califórnia, em Berkeley, construído em 1953, e que acelerava prótons a uma energia de 6,2 BeV (1 BeV = 1 GeV = 109 eV). Para isso, eles bombardearam prótons () altamente energéticos em átomos de cobre (Cu), em uma reação nuclear que apresenta o seguinte aspecto: . Em 1956 (Nature 177, p. 11), Segré, Chamberlain, Wiegand e Ypsilantis sugeriram que o antinêutron () poderia ser obtido em uma reação do tipo: .

                   É oportuno registrar que, ainda em 1956 (Physical Review 104, p. 1193), os físicos norte-americanos Bruce Cork ( ? -1994), Glen R. Lambertson, William A. Wenzel e o físico italiano Oreste Piccioni (1915-2002) anunciaram que haviam produzido  ao estudarem a colisão de  com a matéria. Note-se que o  foi previsto, em 1935, pelo físico ítalo-russo Gleb Wataghin (1899-1986), quando estava no Brasil formando o grupo de Física da Universidade de São Paulo (USP), que havia sido criada em 1934. A partir daí, novas antipartículas foram descobertas, bem como algumas delas foram reconhecidas como antipartículas. Por exemplo, quando o físico ítalo-italiano Enrico Fermi (1951-1954; PNF, 1938) propôs, em 1934, a explicação do decaimento beta por intermédio de uma nova força na Natureza, a força fraca, no qual o nêutron (n) se transforma em um próton (p), com a emissão de um elétron (e-) e de seu companheiro neutrino (ν) [este havia sido previsto pelo físico austríaco Wolfgang Pauli Junior (1900-1958; PNF, 1945), em 1930], ninguém percebeu que essa partícula (ν) era realmente uma antipartícula (hoje, ). Da mesma maneira, quando foram descobertos os então mésons mi+/-), em 1937, e os mésons pi+/-), em 1947, e logo depois produzidos artificialmente por intermédio de aceleradores de partículas (vide verbete nesta série), em 1948 e 1949, também ninguém percebeu que =  e . Somente em 1953, os físicos norte-americanos Emil John Konopinski (1911-1990) e Hormoz Massou Mahmoud (n.1918) mostraram que em uma reação envolvendo partículas elementares, ela deve conservar um novo número quântico, o número leptônico (L) que vale (+1) para as partículas leptônicas (e-, μ-, ν) e (-1) para as antipartículas antileptônicas (e+, μ+, ), e nula (0) para as demais (ver verbete nesta série), como se pode ver, p.e., no decaimento nuclear: μ-+)   e- (e+) + (). Também é interessante destacar que, por essa época (década de 1950), todas as partículas neutras eram previstas serem iguais às suas antipartículas (p.e.: ). Contudo, em 1964, foi observado que K0 , por causa da não conservação do operador CP. Hoje, a violação da CP é uma realidade física e, portanto, objeto de pesquisa ativa, segundo vimos em verbete desta série.

                   A previsão teórica e sua confirmação experimental da antipartícula (antimatéria) colocou uma questão fundamental: - Por que as antipartículas são apenas produzidas pelos processos físicos indicados acima e quase não existem normalmente da Natureza como as partículas?. Ou, colocada de outra maneira: - Por que existe uma assimetria matéria-antimatéria?  A resposta a essa pergunta foi apresentada pelo físico russo Andrey Dmitriyevich Sakharov (1921-1989; PNPaz, 1975), em 1967 (Pis´ma Zhurnal Eksperimental´noi I Teoreticheskoi Fiziki 5, p. 32; JETP Letters 5, p. 24). Com efeito, segundo Sakharov, quando houve o Big Bang, há cerca de 13 bilhões de anos, deveria haver uma produção igual de partículas (bárions, p.e.: prótons e nêutrons) e de antipartículas (antibárions, p.e.: antiprótons e antinêutrons), por causa da invariância do operador CP e, pelo processo do aniquilamento entre matéria e antimatéria, produzindo fótons, o Universo deveria ser apenas um mar de fótons o que, no entanto, não é a realidade que vemos. Portanto, ainda para Sakharov, imediatamente ao Big-Bang, por um processo até agora desconhecido, houve uma quebra espontânea da simetria CP, sobrando muito mais matéria bariônica do que matéria antibariônica.

                   Destaque-se que a produção artificial de antipartículas é fundamental no funcionamento dos anéis de colisão (vide verbete nesta série) nos quais um feixe de elétrons (prótons) se choca com um feixe de pósitrons (antiprótons) (a orientação contrária desses feixes no anel decorre da força de Lorentz) para a produção de novas partículas, como aconteceu, por exemplo, com a descoberta da psi/jota (ψ/J), em 1974; do quark bottom (b), em 1977; das partículas mediadoras da interação fraca (W+/-, Z0), em 1983; do quark top (t), em 1995; e na busca do bóson de Higgs (bH), com evidências de sua existência anunciadas em 2012.

                   Na conclusão deste verbete, que tratou da assimetria matéria-antimatéria, gostaria de colocar uma questão que perpassou, perpassa e perpassará (!?) a Natureza Humana: - Por que existem muito mais pessoas egoístas (que pensam só em si, colocando a razão antes da emoção) do que pessoas altruístas (que pensam também nos outros, colocando a emoção na frente da razão)? Que simetria foi violada (e qual o mecanismo de violação) quando surgiu o homo sapiens africanus, há cerca de 200.000 anos?.