O zoo de partículas expande-se
No início da década de 1940, parecia que os físicos estavam a conseguir controlar as partículas fundamentais e as suas interacções. Eles conheciam os elétrons, prótons e nêutrons, assim como os neutrinos e até mesmo os positrons, as “antipartículas” dos elétrons que Paul Dirac havia previsto na década de 1920. Eles entenderam que havia forças além da gravidade e do eletromagnetismo, as forças nucleares fortes e fracas, e estavam trabalhando para entendê-las melhor.
Mas os enigmas surgiram à medida que novas partículas inesperadas surgiam. Os físicos descobriram múons em raios cósmicos usando uma experiência de câmara de nuvens em 1936. (O nome “câmara de nuvens” vem do fato de que partículas carregadas eletricamente viajando através do vapor de água formam minúsculos rastros de nuvens em seu rastro). Eles encontraram piões por meios semelhantes em 1947.
Nesse mesmo ano, Butler e Rochester anunciaram ter encontrado partículas que chamaram de V+ e V0. A partir de um conjunto de “garfos incomuns” em seus dados, eles inferiram a existência de duas partículas bastante maciças, uma positivamente carregada e a outra neutra, que se quebraram em outras partículas.
As partículas tinham uma série de características curiosas. Por um lado, elas eram pesadas – cinco vezes a massa de uma múon – o que levou a outro quebra-cabeça. Normalmente, as partículas mais pesadas têm tempos de vida mais curtos, o que significa que elas permanecem por menos tempo antes de se decomporem em outras partículas mais leves. Mas à medida que as experiências continuaram, os pesquisadores descobriram que, apesar do seu peso, as partículas tinham tempos de vida relativamente longos.
Outra característica estranha: As partículas eram fáceis de fazer, mas os físicos nunca pareciam ser capazes de produzir apenas uma delas de cada vez. Esmague um pioneiro e um próton juntos, por exemplo, e você poderia criar as novas partículas, mas apenas em pares. Ao mesmo tempo, eles podiam decair independentemente um do outro.
Um estranho novo mundo
Nos anos 50, Murray Gell-Mann, Kazuo Nishijima, Abraham Pais e outros inventaram uma maneira de explicar alguns dos curiosos comportamentos kaons e outras partículas recentemente descobertas exibidas. A ideia era que estas partículas tinham uma propriedade chamada “estranheza”. Hoje, os físicos entendem a estranheza como um número fundamental e quântico associado a uma partícula. Algumas partículas têm estranheza igual a zero, mas outras partículas podem ter estranheza igual a +1, -1, ou em princípio qualquer outro número inteiro.
Importantemente, o estranhamento tem de permanecer constante quando as partículas são produzidas através de forças nucleares fortes, mas não quando se decompõem através de forças nucleares fracas.
No exemplo acima, no qual um pioneiro e um próton colidem, ambas as partículas têm estranhamento igual a 0. Além disso, essa interacção é governada pela força forte, pelo que o estranhamento das partículas resultantes tem também de ser igual a zero. Por exemplo, os produtos poderiam incluir um kaon neutro, que tem estranhamento 1, e uma partícula lambda, que tem estranhamento -1, que cancela o estranhamento do kaon.
Isso explica porque partículas estranhas sempre apareceram em pares – o estranhamento de uma partícula tem que ser cancelado por outra. O fato de que elas são construídas através de interações fortes mas decadentes através de interações fracas, que tendem a demorar mais tempo para se desenvolverem, explicou os tempos relativamente longos de decadência.
Estas observações levaram a vários insights mais fundamentais, diz Jonathan Rosner, um físico teórico da Universidade de Chicago. À medida que Gell-Mann e colegas desenvolveram sua teoria, eles viram que podiam organizar grupos de partículas em cachos relacionados por estranheza e carga elétrica, um esquema conhecido hoje como The Eightfold Way. Os esforços para explicar esta organização levaram à previsão de um conjunto subjacente de partículas: quarks.
O longo e o curto dele
Outra característica importante da teoria da estranheza: Quando os cientistas descobriram que kaons estranhos poderiam se decompor em, por exemplo, piões comuns, eles supuseram que a interação nuclear fraca, ao contrário da interação nuclear forte, não precisava manter o estranhamento constante. Esta observação colocou em movimento uma série de desenvolvimentos teóricos e experimentais com os quais os físicos ainda hoje se debatem.
Construindo teorias que sugeriam que o kaon neutro deveria ter uma antipartícula com estranhamento oposto ao kaon neutro padrão, Gell-Mann e Pais argumentaram que o kaon neutro poderia, através de processos complexos envolvendo interações fracas, transformar-se em sua própria antipartícula.
O esquema tem uma consequência significativa: Implica que existem duas novas partículas – combinações diferentes do kaon neutro e da sua antipartícula – com diferentes tempos de vida. K-long, como é agora chamado, dura em média cerca de 50 bilionésimos de segundo, enquanto K-curto dura pouco menos de um décimo de um bilionésimo de segundo antes de se desfazer. A previsão dessas partículas estava entre os resultados favoritos de Gell-Mann, diz Rosner, por causa da facilidade com que elas saíam da física quântica básica.
Uma simetria da natureza, destronada
Uma das coisas importantes sobre K-long e K-short, pelo menos na teoria de Gell-Mann e Pais, era que eles obedeciam a algo chamado simetria CP. Grosso modo, a simetria CP diz que se cada partícula fosse trocada com a sua antipartícula e o espaço giratório em torno de uma espécie de universo de imagem-espelho, as leis da física permaneceriam as mesmas. A simetria do PC mantém-se em toda a física clássica, e foi a variante quântica do PC que motivou Gell-Mann e Pais. (Tecnicamente, Gell-Mann e Pais foram originalmente motivados apenas pela simetria C, mas tiveram de actualizar a sua teoria uma vez que os experimentos determinaram que as interacções fracas violavam tanto a conjugação de cargas como a simetria de paridade – mas de tal forma que o próprio PC parecia permanecer uma boa simetria).
Ironicamente, um resultado motivado pela simetria do PC levou à sua queda: Em 1964, James Cronin, Val Fitch e colaboradores do Laboratório Nacional Brookhaven descobriram que o K-long podia – muito raramente – dividir-se em dois piões, uma reacção que viola a simetria do PC. Afinal, a decadência do Kaon violou a simetria do CP.