Dona Fifi aos 19 anos.

Apostilas eletrônicas de Dona Fifi
OS RAIOS CÓSMICOS

A descoberta de novas partículas


A pesquisa sobre raios cósmicos resultou na descoberta de várias partículas até então desconhecidas. A primeira foi o pósitron, do qual já falamos. Essa partícula foi prevista teoricamente por Paul Dirac e descoberta por Carl Anderson em sua câmara de nuvens. O pósitron foi a primeira "anti-partícula descoberta. (Ver A ANTI-MATÉRIA).

O teórico japonês Hideki Yukawa também previu a existência de uma partícula. Em 1935, apresentou uma teoria para explicar como o núcleo de um átomo consegue se manter estável mesmo contendo vários prótons positivamente carregados que se repelem mutuamente. A força de repulsão elétrica entre esses prótons, confinados em um espaço menor que 10-13cm é enorme. Portanto, deve existir outra força, essa atrativa, para compensar a repulsão elétrica. Essa força, segundo Yukawa, deveria ter, entre outras, as seguintes características:


Hideki Yukawa
1) Ser tão intensa quanto a repulsão elétrica no espaço estreito do núcleo para garantir a estabilidade e o equilíbrio.
2) Ter curto alcance, isto é, só se manifestar efetivamente dentro do núcleo, já que não há nenhuma evidência de sua presença fora dele.
3) Ser transportada entre as partículas do núcleo (prótons e nêutrons) por outra partícula, até então desconhecida.

Yukawa fez as contas e previu que essa partícula transportadora da força nuclear deveria ter uma massa cerca de 250 vezes a massa do elétron. Pois bem: nas imagens obtidas por Anderson, no início dos anos 30, também apareciam trilhas de partículas com massa intermediária entre a massa do elétron e a do próton. Foram chamadas, inicialmente, de mésotrons e, depois, de mésons (isto é, "do meio"). Essa massa era diferente mas próxima da massa prevista por Yukawa. Os teóricos logo comemoraram mais um triunfo de seu ofício. Mas, estavam enganados. O méson visto por Anderson não apenas tinha massa diferente da calculada pelo japonês mas, o que era pior, tinha várias outras propriedades diferentes das previstas.

Vale a pena falar um pouco mais sobre esse méson de Anderson, hoje chamado de "muon", com status de partícula elementar. (Esse "u" do muon é pronunciado como um "u francês", que nem um "i" de biquinho.)


Um muon entra com alta velocidade na parte de cima da câmara e é amortecido por um contador Geiger colocado no centro. Com menor velocidade, encurva-se até decair.
Ele é muito parecido com o elétron, só que mais pesado e de vida média muito curta, cerca de 2,2 microssegundos. Com vida tão curta, certamente os muons vistos por Anderson certamente não eram parte de raios cósmicos primários, isto é, não vinham do espaço exterior. Eram partículas secundárias, formadas nas colisões com o ar ou com as paredes da câmara. Depois de sua curta vida média, o muon "decai" (isto é, "se transforma") em um elétron e dois neutrinos.

Um muon formado em uma colisão nas altas camadas da atmosfera não deveria, aparentemente, ter tempo de chegar a ao detetor de Anderson. Mesmo com uma velocidade igual a 99% da velocidade da luz ele só deveria se deslocar uns 700 metros antes de decair. No entanto, um número consideravelmente grande de muons chega às altas montanhas onde estão os físicos e seus detetores. Quem explica esse milagre é a relatividade de Einstein. O tempo de vida médio de 2,2 microssegundos é medido no sistema de referência do muon. Seria o tempo medido pelo relógio do próprio muon, se o muon tivesse relógio. Mas, o caçador de partículas está na Terra e seu sistema de referência está em repouso.
De acordo com a relatividade, o observador na Terra "vê" o tempo do muon passar mais devagar. Para ele, os 2,2 microssegundos passam a ser uns 16 microssegundos. Durante 16 microssegundos o muon, com sua enorme velocidade, alcança quase 5 quilômetros e pode chegar ao solo (ou a um balão) antes de decair.

NOTA DO EDITOR: A expressão relativística que relaciona o tempo t0 medido no sistema do muon com o tempo t medido na Terra é:

onde v é a velocidade do muon e c é a velocidade da luz.
Use v = 0,99 c e t0 = 2,2 x 10-6 s para obter t = 15,6 x 10-6 s.

A experiência mostrou porque a partícula de Anderson, o muon, não era a mesma prevista por Yukawa. Pela teoria do japonês, deveriam haver mésons positivos e mésons negativos. Os negativos deveriam ser capturados pelos núcleos, que são positivos, tão logo se formassem, sem poder nem viver sua curta vida de 2,2 microssegundos. Só os mésons positivos deveriam sobreviver até decair. A observação mostrou, no entanto, que ambos decaem de forma semelhante. Isso mostra que o muon não deve interagir bem com os núcleos, logo, não pode ser a partícula de Yukawa.

Onde estava então a partícula prevista pelo japonês? Essa pergunta só foi respondida depois da guerra, como veremos mais adiante.


4 - Os "chuveiros" de partículas.

5 - Lattes e o méson-pi.

6 - O mistério dos raios cósmicos de altas energias.