A Luz Dentro do Túnel - Física

A LUZ DENTRO DO TÚNEL - Física

O nome próprio é portentoso: Grande Colisor Elétron-Pósitron. O nome de família não é menos respeitável: superacelerador de partículas. Trata-se do maior instrumento de pesquisa do mundo. Serve para estudar a vida íntima do átomo e a origem do Cosmo.

Cerca de 100 metros abaixo do solo, na periferia da cidade de Genebra, na Suíça, funciona o maior complexo científico já construído no planeta. Na superfície, a paisagem da região de fronteira com a França é de um sossegado cartão-postal de outros tempos: pequenos bosques, pastagens e a cordilheira do Jura, que separa os dois países. Mas, ao tomar num dos oito pontos de acesso construídos no campo o que em circunstâncias normais seria apropriadamente chamado elevador, o visitante mergulha de repente num mundo de vertigem - uma espécie de catedral subterrânea feita de aço e governada por dispositivos eletrônicos. São os controladores do LEP, iniciais em inglês de Grande (Colisor) Elétron-Pósitron, um túnel em formato de anel de 27 quilômetros de circunferência e 7 metros de diâmetro.

Trata-se da jóia da coroa de um dos mais renomados estabelecimentos de pesquisa do século, o CERN, sigla que originalmente designava em francês o Centro Europeu de Investigações Nucleares, depois rebatizado Laboratório Europeu de Física de Partículas, exemplo de bem-sucedida colaboração internacional em ciência. Inaugurado há apenas quatro meses, o LEP nasceu para ajudar a conhecer mais de perto algumas das frações ínfimas de matéria do Universo. É um paradoxo: para devassar essas partículas que não medem mais de 1 bilionésimo de milésimo de milímetro, os físicos europeus tiveram de construir uma estrutura gigantesca.

A instalação pode ser comparada a um autódromo, por onde os elétrons, componentes dos átomos com carga elétrica negativa, se precipitam em desvairada corrida. Em sentido contrário precipitam-se as antipartículas pósitrons - elétrons com carga positiva. Nesse proposital curso de colisão, milhares e milhares de partículas e antipartículas, deslocando-se quase à velocidade da luz, acabam por se aniquilar mutuamente, liberando energia equivalente à fissão de quinhentos núcleos de átomos de urânio. Mas esse é apenas um valor teórico: não se trata ali de experiências atômicas, ao menos no sentido comum da expressão. O que os físicos pretendem com os choques que planejaram é servir-se depois de uma salada de partículas básicas, coisa ainda menor que o elétron e que sua imagem espelhada, o pósitron.

A estrutura fantástica do LEP obedece ao mesmo princípio de outros equipamentos semelhantes, embora bem mais modestos, que começaram a ser construídos - e não por acaso - ainda na década de 20, um período de grandes avanços na Física. Eram os chamados Atom-smashers (quebradores de átomos) com os quais os pesquisadores fabricavam, por assim dizer, partículas em profusão, dotadas de altas energias. Nos anos 30 surgiram os primeiros aceleradores de partículas que funcionavam de certo modo como os tubos de TV que bombardeiam a tela com feixes de elétrons. Com esse tipo de aparelho, a ciência descobriu quase tudo o que se sabe atualmente sobre a natureza mais profunda dos átomos e de suas partículas elementares.

O LEP é tipicamente um caso em que tamanho é documento: sua importância está nas suas medidas. Os catorze países europeus que são os condôminos do CERN bancaram com maior ou menor boa vontade os 800 milhões de dólares do projeto, que custou seis anos de trabalho. Para abrir as bolsas mais fechadas, como as do governo inglês da primeira-ministra Margaret Thatcher, não faltaram pressões dos físicos da entidade, entre os quais um bom número de luzidios prêmios Nobel - a começar pelo cinematográfico diretor-geral, o italiano Carlo Rubbia, uma rara combinação de competência e grandiloqüência (ou de confiança e arrogância, diriam seus desafetos). Rubbia, 55 anos, foi o mais vistoso garoto-propaganda dos aceleradores - para ele, "o principal caminho que deve ser trilhado pela ciência básica".

Comparados com o LEP, seus irmãos mais velhos do resto do mundo parecem anões. Os primeiros ciclotrons, ou aceleradores circulares, construídos na década de 50, tinham um punhado de metros de circunferência. À medida que a busca por novas partículas começou a exigir gastos de energia cada vez maiores, as máquinas também foram crescendo. Surgiram então os sincrotons, dos quais o maior exemplo é o Fermilab, no Estado americano de Illinois, com quase 7 quilômetros de circunferência, portanto menos de um quarto do LEP. Na década de 60, a Universidade de Stanford, na Califórnia , começou a projetar uma nova família de aceleradores - os lineares, onde as partículas percorrem seus trajetos em linha reta.

Segundo seus adeptos, o acelerador linear é uma variante melhor e mais econômica dos circulares. Segundo os partidários do círculo, é só mais econômico. A última das máquinas de Stanford, com 5 quilômetros de comprimento, foi inaugurada no ano passado. No Brasil, cujos físicos tendem a ser mais modernos que os equipamentos com os quais trabalham, o maior acelerador é o Pelletron, da Universidade de São Paulo, com 40 metros. "Vamos também construir um acelerador linear duas vezes maior, que será acoplado ao Pelletron dentro de três anos", promete o físico Oscar Sala, do Departamento de Física Nuclear do Instituto de Física da USP.

Em escala de Primeiro Mundo e segundo as regras do jogo do que se chama nos Estados Unidos big science, para designar programas e equipamentos científicos bilionários, como o controvertido Projeto Genoma e a também polêmica Estação Espacial Freedom, a novidade no setor é colossal: a construção do SSC, Supercondutor Supercolisor, um acelerador de 85 quilômetros de circunferência, no Texas. Sua missão científica será provocar trombadas de prótons e antiprótons. Seu objetivo político será devolver aos Estados Unidos a liderança no setor da Física de partículas, apropriada pelos europeus - antes que os japoneses entrem em campo e resolvam ampliar o seu acelerador de prótons de algumas centenas de metros em Tsukuba. Obviamente, uma instalação daquele porte e de tamanha complexidade tem preço à altura - e por isso o Congresso americano reluta em aprovar o seu orçamento de 4,4 bilhões de dólares.

Para os cientistas, os aceleradores nunca foram tão indispensáveis. "Temos razões teóricas para acreditar que alcançamos o conhecimento sobre os blocos fundamentais de construção da natureza ou, pelo menos, que estamos muito próximos disso", afirma o físico mais conhecido do mundo, o inglês Stephen Hawking, autor do best-seller Uma breve história do tempo. De fato, com a ajuda dos aceleradores se descobriu que tudo o que existe - rigorosamente tudo - é feito apenas de três famílias de partículas elementares indivisíveis: quarks, léptons e bósons. Os quarks fazem os nêutrons e prótons no núcleo dos átomos. Os léptons fazem os elétrons, entre outras coisas. Os bósons formam uma classe especial de partículas mensageiras, responsáveis pelas interações entre as outras famílias.

Essas mensageiras ajudam grupos de quarks e outros de léptons a se combinar com as quatro forças básicas que regem o Universo, criando todos os corpos compostos. Tais forças, como se sabe, são a gravitacional, o eletromagnetismo e as interações forte (responsável pela coesão do núcleo atômico) e fraca (que rege os fenômenos da radioatividade). Desde Einstein, na década de 30, os físicos acreditam que essas forças são manifestações de uma força única que agiu somente nos instantes que se seguiram ao Big Bang, a explosão que teria originado o Universo.

Assim, num dos desdobramentos científicos mais surpreendentes dos tempos atuais, os pesquisadores chegaram à conclusão de que a procura pelas partículas infinitamente pequenas e o estudo do espaço-tempo infinitamente grande eram no fundo atividades gêmeas. Ou seja, a Física não consegue esclarecer as dúvidas essenciais sobre a natureza da matéria sem responder ao mesmo tempo às questões cosmológicas sobre a origem do Universo. "O LEP pode fornecer um modelo do que aconteceu  naqueles instantes iniciais", acredita a física Maria Elena Pol, que desde 1988 trabalha no CERN.

Maria Elena, uma argentina que morou no Rio de Janeiro durante treze dos seus 40 anos, é ligada ao Centro Brasileiro de Pesquisa Físicas (CBPF). Ela encarna o entusiasmo despertado nos cientistas do mundo inteiro pelas pesquisa da Física de partículas. O CERN, por sinal, parece uma filial das Nações Unidas, com seus 5 mil pesquisadores oriundos de 64 países. Seis vieram do Brasil, além de Maria Elena, que se considera "brasileira de coração". Ronald Shellard, professor da PUC do Rio de Janeiro, especializado em programas de computadores que simulam partículas atômicas, é o único brasileiro funcionário da instituição. Os outros, físicos e especialistas em informática, são bolsistas do CNPq (Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico). Aos poucos eles serão transferidos para as equipes que lidam diretamente com os detectores das colisões de partículas.

Todos esses cientistas têm um objetivo imediato comum: produzir em grande quantidade uma partícula fugidia avistada pela primeira vez em 1983 por Rubbia e pelo holandês Simon van der Meer e que por isso mesmo foram contemplados com o Prêmio Nobel. Trata-se da partícula Zº (lê-se Z zero, em que zero significa ausência de carga elétrica). Esse bóson mais os bósons W+ (carga positiva) e W- (negativa) confirmaram a unificação entre a força eletromagnética e a nuclear fraca, proposta teoricamente nos anos 60 pelos americanos Steven Weinberg e Sheldon Glashow e pelo paquistanês Abdus Salam - não por coincidência, também ganhadores do Nobel.

No Universo primitivo, diz a teoria, 10 bilionésimos de segundo, depois do Big Bang, os bósons W e Zº, portadores da força fraca, se comportavam da mesma maneira que os fótons, os mensageiros luminosos da força eletromagnética. A melhor maneira de conseguir o bóson de partícula Zº é fazer a colisão elétron-pósitron. Os aceleradores menos grandiosos que o LEP também proporcionavam esse tipo de trombada, mas sua energia era insuficiente para produzir muitas partículas. De seu lado, o último modelo de acelerador em Stanford tem energia suficiente mas obtém poucas colisões - justamente por ser linear. A energia das partículas é medida em eletronvolts, ou seja, a energia que um elétron capta de um campo elétrico de 1 volt. Somente acelerando elétrons a 70 GeV, ou 70 bilhões de eletronvolts, se conseguem colisões suficientes para o aparecimento da requisitadíssima Zº.

O SPS (Super Sincroton de Prótons) do CERN, onde Rubbia e Van der Meer fizeram a sua descoberta, colide prótons e antiprótons, mas, pela barafunda que fica do choque, não é ideal para se constatar a presença da partícula Zº. O LEP foi inaugurado a 17 de julho. Em um mês de atividade, antes que todas as máquinas estivessem perfeitamente calibradas, já produzia algumas centenas dessas partículas. A expectativa dos físicos de Genebra era comemorar a chegada de 1990 com uma produção da ordem de 10 mil por dia.

Não é um processo fácil. Para começar, é preciso obter grande quantidade de matéria-prima, ou seja, elétrons e pósitrons, criados em outros aceleradores de tamanho menor. A cada 12 minutos, em média, dois pacotes de elétrons e dois de pósitrons são lançados no LEP. A palavra pacote dá uma idéia modesta de quantidade: os quatro juntos contêm o estonteante total de 5 trilhões de partículas e circulam a velocidades próximas à da luz. De acordo com a teoria de que o peso de um corpo se multiplica por causa do aumento da velocidade, cada partícula em movimento no anel pesa 100 mil vezes mais do que parada. Um rato acelerado à mesma velocidade pesaria tanto quanto um elefante. Para que matéria e antimatéria consigam se chocar, o cilindro a vácuo onde voam as duas pesadas manadas de partículas foi construído com uma precisão de milímetros.

Feito de alumínio e revestido de chumbo - para impedir a passagem da radiação emitida pelos feixes de elétrons e pósitrons -, o tubo de 20 centímetros de diâmetro é resfriado a água e mantido à prova de impurezas. Os 27 quilômetros de extensão do LEP que uma daquelas partículas percorre em 1 décimo milésimo de segundo não desenham um círculo perfeito. Oito partes curvas de 2.800 metros de comprimento cada, ligadas por oito partes retas de diferentes tamanhos, dão ao acelerador um formato oval.

Isso porque, quando os feixes de partículas são forçados a fazer uma curva, perdem parte da energia. Para que ela seja mantida no mesmo nível, as partes retas foram equipadas com aceleradores eletromagnéticos. Estes, ao atrair e repelir elétrons e pósitrons, acabam por impulsioná-los antes e depois das viradas, mais ou menos como se uma supermão providencial desse uma empurrada na McLaren de Ayrton Senna, à entrada e à saída de cada curva numa competição de Fórmula 1. Ao todo, o anel possui 4.712 ímãs de ferro, que guiam e concentram os feixes de partículas de forma que eles batam de frente. Dentro do cavernoso túnel do LEP estão alojadas 60 mil toneladas de equipamento, o equivalente ao peso de quase 240 jatos comerciais DC-10. Entre a massa de cabos e aparelhos eletrônicos circula um monotrilho para o deslocamento de pessoal.

"Quanto maior o acelerador, melhor a qualidade das colisões, porque as partículas conservam mais energia em curvas menos acentuadas", explicou à nos, em Genebra, o físico francês Manfres Buhler-Broglin, chefe do Grupo Administrativo do LEP. "Se tivéssemos construído um acelerador linear, o que seria bem mais barato, só teríamos uma chance de fazer as partículas colidir. No circular, as chances são inúmeras porque as mantemos na mesma trajetória". Para enxergar o que acontece com as partículas que se movimentam no interior do acelerador e captar colisões, os físicos ergueram quatro laboratórios de detecção, plantados em pontos eqüidistantes ao longo do trajeto.

"Temos de ser ágeis para aproveitar tudo o que possa acontecer durante as colisões", observa a física Maria Elena. Exatamente por isso, cada um foi construído de maneira diferente - e desenvolvido por cientistas diferentes. O objetivo da direção do CERN foi justamente "estimular a concorrência e controlar melhor o resultado das análises", informa Buhler-Borglin. As colisões acontecem para todos, mas alguns detectores são mais especializados que outros. Seus nomes são uma sopa de letrinhas. Aleph (a letra A do alfabeto hebraico) significa Apparatus for LEP pHysics e Opal, Ommi Purpose Apparatus for LEP. Elas identificam os dois detectores mais clássicos, com tecnologias já consagradas.

Eles simplesmente contabilizam a energia que cada partícula perdeu nos choques, devidamente registrada em dois calorímetros. Mas essa descrição sumária não dá conta da espantosa complexidade das máquinas e dos experimentos dos quais participam. A olhos leigos, há algo de monstruoso e também de mágico no ambiente. O que mais impressiona, relata a enviada especial de SUPERINTERESSANTE, são os 12 mil blocos de vidro e chumbo do calorímetro do Opal.

Cada detector habita um espaço de 20 metros de altura por 70 metros de comprimento, como um prédio de sete andares que ocupasse a metade de um campo de futebol. Parecem grandes fábricas subterrâneas. L3, o maior detector de todos, tem também a maior bobina eletromagnética já fabricada no mundo. Com 16 metros de altura, ela consumiu mais ferro (8.500 toneladas) do que a Torre Eiffel, de 300 metros. Delphi, o detector de concepção mais arrojado, serve para testar tecnologia nunca antes empregadas. Ele possui onze camadas superpostas, cada qual apropriada para registrar um tipo diferente de partícula. Quando ocorre uma colisão, seus fragmentos são rastreados em cada camada, assim como o tempo de vida da partícula. Delphi pode identificar com especial precisão as características dos bósons W e Zº.

Pode também distinguir outro personagem de nome estranho e igualmente precioso. Chama-se bóson de Higgs, em homenagem ao cientista inglês Peter Higgs, que previu teoricamente sua existência. A partícula permitiria explicar como a energia se transforma em massa e vice-versa dentro do átomo. Ou seja, explicar o porquê da fórmula de Einstein E= mc2, energia é igual à massa multiplicada pelo quadrado da velocidade da luz. Com o Delphi, os físicos também querem saber quanto tempo dura a partícula Z antes de ela se desintegrar. Quando se souber isso, se poderá conhecer indiretamente o número de partículas elementares com as quais ela interage.

Não se pense que essas exóticas preocupações tenham a ver apenas com os arcanos da Física de partículas. Ao longo do tempo, o estudo do infinitamente pequeno rendeu mil e uma aplicações cotidianas. Começando no início da década de 30, os cientistas aprenderam a manipular os elétrons que fluem em volta do núcleo dos átomos. Isso acabou por revolucionar o mundo, permitindo as tecnologias do rádio, da televisão e inaugurando a era da informática. Depois da Segunda Guerra Mundial, o foco das pesquisas passou para o núcleo do átomo. A descoberta dos prótons e nêutrons levou à invenção da radioterapia, aos reatores nucleares e, mais recentemente, aos métodos ultramodernos na fabricação de microcircuitos.

Os avanços na Física de partículas elementares ainda são relativamente recentes - portanto é cedo para arrolar aplicações práticas. "É difícil imaginar o que vai resultar dessas pesquisas", acautela-se o físico de partículas Giorgio Moscati, da Universidade de São Paulo. Já Steven Weinberg, o ganhador do Prêmio Nobel pelos cálculos teóricos sobre a unificação das forças eletromagnética e fraca, prevê um enriquecimento científico: "Podemos descobrir alguma partícula estranha para a qual não há nenhuma evidência e isso abriria um capítulo inteiramente novo na ciência".

Na pista do quark desaparecido

Na busca da fronteira final do átomo, os cientistas descobriram que por mais que dividissem e subdividissem a matéria jamais chegariam à menor fração possível. Ocorre que suas partes isoladas não têm existência própria. Os quarks, tijolos básicos de todas as substâncias, se juntaram logo depois de surgir para formar os nêutrons e os prótons, os constituintes do núcleo do átomo. Ao fazer colidir prótons e nêutrons nos aceleradores, se consegue indiretamente descobrir algumas propriedades dos quarks. Assim, nas duas últimas décadas foi descoberta uma família de seis quarks realmente indivisíveis.

São chamados de up (para cima), down (para baixo), strange (estranho), charm (charme), bottom (fundo) e top (topo). De todos eles, somente a existência do quark top não foi comprovada. Os físicos esperam encontrar muitas combinações em que entrariam este ainda desconhecido top. Pode ser que exista mais de uma família de quarks. Quanto mais famílias existirem, maior quantidade de combinações de partículas elementares poderá gerar uma partícula composta. A partícula mensageira Zº  é a via de acesso a novas descobertas nessa área - daí a corrida entre físicos europeus e americanos para fabricar o maior número possível de Zº. Nessa corrida, desde julho último a Europa assumiu a dianteira.