Reines e Perl: Os Pr^emios Nobel de Fsica de Centro Brasileiro de Pesquisas Fsicas - CBPF. Rua Dr. Xavier Sigaud, 150

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1 Reines e Perl: Os Pr^emios Nobel de Fsica de 1995 CBPF-CS-015/95 Jose Maria Filardo Bassalo Centro Brasileiro de Pesquisas Fsicas - CBPF Rua Dr. Xavier Sigaud, { Rio de Janeiro, RJ { Brasil Departamento de Fsica da UFPA Belem, Para { Brasil bassalo@marajo.ufpa.br Resumo Neste trabalho vamos fazer um pequeno resumo historico sobre a descoberta das partculas elementares - neutrino do eletron ( e )eolepton pesado (tau) -, respectivamente, por Frederick Reines em 1953 e Martin L. Perl em 1975, motivo da concess~ao por parte da Real Academia Sueca de Ci^encias, do Pr^emio Nobel de Fsica de 1995, a esses dois cientistas norte-americanos.

2 {1{ CBPF-CS-015/95 No dia 10 de dezembro de 1995, dia em que se comemora a morte do sueco Alfred Bernhard Nobel ( ), qumico, engenheiro, industrial e inventor da dinamite, a Real Academia Sueca de Ci^encias entregou o Pr^emio Nobel de Fsica (PNF) de 1995, aos fsicos norte-americanos FREDERICK REINES (1918- ) (professor da Universidade da California - Irvine) e MARTIN L. PERL (197- ) (pesquisador do Stanford Linear Accelerator Center (SLAC)), por haverem descoberto, respectivamente, o neutrino do eletron ( e )eolepton pesado tau (). Vejamos, de incio, como se deu a descoberta do neutrino do eletron. Em 1896, o fsico franc^es Antoine Henri Becquerel ( PNF, 1903) descobriu que cristais de uranilo (sulfato de Potassio-Ur^anio) eram capazes de emitir certos \raios" ate ent~ao desconhecidos. Logo depois, em 1897, o fsico ingl^es Sir Ernest Rutherford ( Pr^emio Nobel de Qumica (PNQ), 1908) observou que esses \raios" eram constitudos de partculas carregadas positivamente (as quais denominou de partculas ), e de partculas carregadas negativamente (as quais denominuou de partculas ). Em 1898, a fsica e qumica polonesa-francesa Marie Sklodowska (Madame Curie) ( PNF, 1903 PNQ, 1911) denominou esse novo fen^omeno fsico de radioatividade. Em 1900, Madame Curie e seu marido, o fsico franc^es Pierre Curie ( PNF, 1903) - o famoso Casal Curie -, Becquerel e o fsico alem~ao Wilhelm Wien ( PNF, 1911), em trabalhos independentes, demonstraram que os raios eram eletrons emitidos por um nucleo A que se transforma em um outro nucleo B, processo esse conhecido como decaimento beta. Em 1908, Rutherford e o fsico alem~ao Hans (Johannes) Wilhelm Geiger ( ) descobriram que as partculas eram atomos de Helio duplamente ionizados. Em 1909, Rutherford e seus dois auxiliares, os fsicos, o alem~ao Hans Geiger ( ) e o ingl^es Sir Ernest Marsden ( ) estudaram o espalhamento de partculas (com energia de 5 MeV ou 5x10 6 ev) por uma l^amina na de ouro. Para explicar o surpreendente resultado desse espalhamento, isto e, grandes desvios sofridos por essas partculas, inclusivechegando a voltar para a regi~ao onde se encontrava afonte radioativa (Radio) das mesmas, Rutherford idealizou, em 1911, um modelo para o atomo segundo o qual este seria como um sistema planetario em miniatura, com os eletrons girando em orbitas circulares - a eletrosfera - em torno de uma caroco central, positivamente carregado, denominado por ele de nucleo at^omico. Ao estudar o decaimento, em1914,ofsico ingl^es Sir James Chadwick ( PNF, 1935) demonstrou que nesse processo fsico as partculas possuam um espectro contnuo de energia. Por outro lado, a exist^encia de partculas positivas constituintes do nucleo at^omico foi conrmada por Rutherford, na experi^encia que realizou em 1919, na qual analisou as cintilac~oes que as partculas produziam em um anteparo de Sulfeto de Zinco (ZnS), depois que as mesmas atravessavam um cilindro contendo certos gases, principalmente Hidrog^enio (H) ou Nitrog^enio (N). No caso do cilindro conter H, acreditava Rutherford que as partculas expulsavam o nucleo desse elemento qumico ( 1 H 1 ) e este, por sua vez, iria colidir com o anteparo de ZnS. No caso do gas ser o N, Rutherford acreditava, tambem, que as partculas arrancavam um nucleo do H ao nucleo do N, transmutando-o no Oxig^enio (O) segundo a reac~ao: He N! 14 8 O H 1. Em 190, no Cardi Meeting da Academia Brit^anica para o Desenvolvimento da Ci^encia, Rutherford prop^os a denominac~ao de proton (que signica primeiro, em grego) ao nucleo 1H 1. Desse modo, a experi^encia levou Rutherford a armar que o nucleo at^omico era

3 {{ CBPF-CS-015/95 constitudo de protons e de partculas neutras, estas compostas de protons e de eletrons. Portanto, era natural que no comeco da decada de 190 os fsicos pensassem que os \raios" eram oriundos dos nucleos radioativos. Desse modo, no comeco da decada de 190 desenvolveu-se uma quest~ao pol^emica relacionada a energia das partculas. Desejava-se saber se ela era determinada pelas energias dos nucleos nal e inicial ou se variava continuamente. Alem do mais, havia uma quest~ao objetiva: se um eletron e emitido por um nucleo A que se transforma no nucleo B e tem energia menor que suas massas de repouso, para onde vai a energia que esta faltando? Em 193, o fsico dinamarqu^es Niels Bohr ( PNF, 19) passou a defender a ideia de que o princpio da conservac~ao da energia so era valido estatisticamente para fen^omenos macroscopicos, sendo violado nos processos microscopicos, como, por exemplo, o decaimento. Contudo, em 1930, o fsico austro-norte-americano Wolfgang Pauli ( PNF, 1945) resolveu essa controversia postulando a exist^encia de uma partcula neutra, de massa muito pequena, n~ao excedendo 0,01 da massa do proton, e que e emitida junto com o eletron pelo nucleo radioativo. Essa nova partcula elementar prevista por Pauli recebeu do fsico talo-norte-americano Enrico Fermi ( PNF, 1938), em 1934, o nome de neutrino (), ocasi~ao em que formulou a teoria da forca fraca como responsavel pelo decaimento, isto e: n! p+ e ; +. Essa partcula teve sua comprovac~ao experimental vericada pelos fsicos norteamericanos Reines e Clyde Lowain Cowan (1919- ), em 1953, ao estudarem a colis~ao de um uxo de neutrinos oriundos do decaimento produzido pelo reator nuclear do Hanford Engineering Works, com protons de um cintilador lquido, numa reac~ao do tipo: ; +p! n+ +,onde + era o positron, que havia sido descoberto pelo fsico norte-americano Carl Anderson ( PNF, 1936), em 193. Hoje, + e representado por e + e ; por e e sabe-se, tambem, que o neutrino envolvido no decaimento e oanti-neutrino do eletron e. (Observe-se que o fsico japon^es Hideki Yukawa ( PNF, 1949) prop^os, em 1935, a ideia da forca forte como sendo a responsavel pela estabilidade do nucleo at^omico, composto de protons e n^eutrons, estes descobertos pelo fsico ingl^es Sir james Chadwick ( PNF, 1935), em 193.) Vejamos, por m, como se deu a descoberta do lepton pesado denominado tau. No comeco da decada de 1960, eram conhecidas as seguintes partculas elementares: o eletron (e ; ), descoberto pelo fsico ingl^es Sir Joseph John Thomson ( PNF, 1906), em 1897 o proton (p), por Rutherford, em 1919 o n^eutron (n), por Chadwick, em 193 o positron (e + ), por Anderson, em 193 os muons ( +, ; ), por Anderson e pelo fsico norteamericano Seth Henry Neddermeyer ( ), em 1937 os pons carregados ( +, ; ), pelos fsicos, o brasileiro Cesar Mansuetto Giulio Lattes (194- ), o italiano Giuseppe Paolo Stanislao Occhialini ( ), e os ingleses Hugh Muirhead e Sir Cecil Frank Powell ( PNF, 1950), em 1947 as partculas estranhas ( o, +, o, ;, o, ; ), por varios grupos de fsicos, entre 1947 e 1953 o pon neutro ( o ), por dois grupos de fsicos norte-americanos, em experi^encias distintas (R. F. Borklund, W. E. Crandall, B. J. Moyer, H. F. York e Wolfgang Panofsky (1919- ), Jack Steinberger (191- PNF, 1988), R. L. Aamodt, J. S. Steller, York), em 1950 o neutrino do eletron ( e ), por Reines ecowan, em 1953 as resson^ancias bari^onicas ( ++, +, o, ; +, o, ; o, ; ), por varios grupos de fsicos (dentre os quais, se destaca o fsico norte-americano Luis Walter Alvarez ( PNF, 1968)), entre 1953 e 1963 as resson^ancias mes^onicas

4 {3{ CBPF-CS-015/95 (K +,K o,k ;, K o +, o, ;! o o ), por varios grupos de fsicos, entre 1961 e 1963 e o neutrino do muon ( ), descoberto em 196 no Brookhaven National Laboratory - BNL (experi^encia na qual participaram 7 fsicos, dentre os quais os norte-americanos Leon Max Lederman (19- PNF, 1988), Melvin Schwartz (193- PNF, 1988) e Steinberger) e conrmado em 1964 no Centre Europeen de Recherchres Nucleaires - CERN (experi^encia na qual participaram 17 fsicos, dentre os quais o brasileiro Roberto Aureliano Salmeron (19- ). A exist^encia dessas varias partculas levou os fsicos a tentarem uma classicac~ao, a exemplo do que fez o qumico russo Dmitri Ivanovich Mendeleiev ( ), em 1869, com os elementos qumicos, ao propor a famosa Tabela Periodica dos Elementos. Assim, em 1956, o fsico japon^es Shoichi Sakata utilizou a algebra do grupo SU(3) para classicar as partculas ate ent~ao conhecidas, tomando como representac~oes irredutveis desse grupo, o tripleto (p,n, o ) e seu correspondente anti-tripleto (p,n, o ). Nesse modelo, havia a previs~ao da exist^encia de uma partcula com estranheza S = +1, bem como previa que o spin da partcula valia 3. (Observe-se que a estranheza e umnumero qu^antico proposto, em 1953, pelo fsico norte-americano Murray Gell-Mann (199- PNF, 1969) e, independentemente, pelos fsicos japoneses Kazuhiko Nishijima (196- )et.nakano.) Em 1958, o fsico russo L. B. Okun denominou as partculas que s~ao sensveis a forca forte de hadrons (que signica grande, massivo, em grego) que, por sua vez, s~ao compostos de dois grupos: mesons (pons (), kaons (K)) de spin inteiro, e barions (nucleons (n,p), hyperons (,, )) de spin fracionario. (Note-se que o nome meson foi cunhado pelo fsico indiano Homi Jehangir Bhabha ( ), em 1939.) Na Confer^encia Internacional de Fsica de Altas Energias, realizada em Kiev (ex- URSS) em 1959, foi proposta uma simetria geral na Natureza: os tr^es barions de Sakata (p,n, o ) eram fundamentais para explicar a forca forte, e os tr^es leptons (e, e,) eram fundamentais para explicar a forca fraca. (Registre-se que o nome lepton deriva do grego leptos (que signica no, delgado) e foi cunhado em 1948.) As diculdades com o modelo de Sakata (n~ao conrmac~ao do barion estranho (S = +1) e o erro na previs~ao do spin das partculas, ja que esse modelo indicava 3, enquanto ovalor experimental medido era de 1 ) levou Gell-Mann e, independentemente, o fsico israelense Yuval Ne'eman (195- ) a tomarem, em 1961, uma outra representac~ao irredutvel do SU(3): o octeto, umavez que ja eram conhecidos dois octetos: o bari^onico (n,p o +, o, ; o, ; ) caracterizado por J P = 1 +, onde J e o momento angular total epe a paridade e o mes^onico ( +, o, ; K +,K o,k ;, K o o ) caracterizado por J P =0 ;. Esse modelo do octeto teve dois grandes sucessos: a conrmac~ao experimental (por A. Pevsner et. al.), ainda em 1961, do meson o (que havia sido previsto teoricamente por Y. Ohnuki, em 1960), e a previs~ao da partcula ;, cuja conrmac~ao experimental ocorreu em 1964 (por N. Samios et al.). Apesar desse enorme sucesso do modelo do octeto, ele apresentava algumas diculdades relacionadas com as massas dos octetos formados pelas resson^ancias mes^onicas pseudovetorial (J P =1 ; : K +,K o K ;, K o +, o, ;! o ), e pelas resson^ancias mes^onicas pseudo-escalar (J P =0 ; :K +,K o K ;, K o +, o, ; o ), uma vez que as mesmas n~ao se enquadravam na formula de massa do modelo do octeto, demonstrada por Gell-Mann, em 1961, e generalizada nos trabalhos de S. Okubo, em 196, de J.J. Swart, em 1963, e S. Coleman e H. J. Schnitzer, em 1964.

5 {4{ CBPF-CS-015/95 As diculdades apontadas acima com o modelo do octeto, levaram Gell-Mann (ao acatar um sugest~ao feita por Robert Serber, em 1963) e, independentemente, George Zweig, em 1964, a proporem uma nova representac~ao fundamental do SU(3) para a classicac~ao das partculas elementares. Desta vez consideraram um tripleto, porem, n~ao o tripleto de Sakata, e sim um tripleto constitudo por novas partculas denominadas de quarks, por Gell-Mann e aces, porzweig. (O nome quark - que no uso comum signica passoca ou ricota - foi tirado do livro Finnegan's Wake (Velorio de Finnegan), de 1939, do escritor irland^es James Joyce ( ) e da seguinte estrofe: Three quarks for Muster Mark.) No entanto, uma das grandes diculdades desse modelo residia no fato de que esses tr^es quarks (denominados de sabores (\avours"): up (u) down (d) strange (s)) deveriam apresentar carga eletrica fracionaria + e, - 1e, - 1 e, respectivamente. (Os antiquarks u, d,s teriam cargas eletricas de sinais contrarios.) Segundo esse modelo de quarks, osmesons seriam formados de um par de quark-antiquark (por exemplo, + =ud,k + =us) eosbarions, por tr^es quarks (por exemplo, p = (ud)u e n = (ud)d). O modelo de quarks apresentava um resultado intrigante, qual seja, o de que tr^es resson^ancias bari^onicas eram compostas de quarks iguais: ++ =(uuu), ; =(ddd) e ; = (sss). Porem, como os quarks t^em spin fracionario ( 1 ), a exist^encia dessas tr^es partculas violava oprincpio da exclus~ao, formulado em 195, armando que mais de duas partculas id^enticas e com spin fracionario, n~ao podiam car juntas. Essa diculdade foi sanada por O. W. Greenberg ao postular, em 1964, que os quarks possuam um novo numero qu^antico: a cor. Portanto, devido a estrutura ternaria dos barions, foi postulado que cada quark seria caracterizado por uma das tr^es cores primarias do espectro luminoso: vermelho, azul, everde. Por sua vez, os anti-quarks seriam caracterizados pelas cores complementares desse mesmo espectro: cyan, amarelo e magenta. Desse modo, estava salvooprincpio da exclus~ao pois, por exemplo, a partcula ++ teria a seguinte estrutura: ++ = (u(vermelho), u(azul), u(verde)). Alem do mais, como as partculas compostas de quarks (barions e mesons) n~ao apresentavam nenhuma propriedade \incomum" com relac~ao a esse novo numero qu^antico, foi postulado, tambem, que eles seriam \descoloridos" e, portanto, a soma do numero qu^antico cor seria nula. Em vista dessa lei de conservac~ao, omeson, que tem estrutura quark^onica dupla, poderia apresentar, por exemplo, a seguinte estrutura: + =(u(vermelho), d(cyan)). A descoberta do em 196 (e sua conrmac~ao em 1964) e a adoc~ao da cor, ainda em 1964, resultados esses ja referidos anteriormente, suscitaram novas quest~oes para o desenvolvimento da Fsica das Partculas Elementares. Com efeito, a descoberta desse quarto lepton levou os fsicos a postular que os hadrons deveriam, tambem, ser compostos de quatro quarks, ao inves dos tr^es propostos por Gell-Mann e Zweig. Desse modo, ainda em 1964 (e em trabalhos distintos), os fsicos D. Amati, H. Bacry, J. Nuyts e J. Prendtki B. J. Bjorken e Sheldon Lee Glashow (193- PNF, 1979) Z. Maki e Ohnuki e Y. Hara propuseram a exist^encia do quark charmoso de \sabor" c (de carga eletrica Q = + e), nome dado por Bjorken e Glashow. Mais tarde, em 1970, Glashow, J. Iliopoulos 3 e L. Maiani desenvolveram a teoria do charme (conhecida como teoria GIM) para estudar as propriedades de simetria nas forcas (interac~oes) fracas entre leptons e a materia hadr^onica. Por outro lado, a adoc~ao da cor ensejou que, em 1973, H. D. Politzer e, independen-

6 {5{ CBPF-CS-015/95 temente, D. Gross e F. Wilcker formulassem a teoria da Cromodin^amica Qu^antica (Quantum Chromodynamics - QCD), segundo a qual a forca forte entre os quarks seria consequ^encia da troca entre si de novas partculas denominadas gluons (de glue (cola), em ingl^es), de spin 1, sem massa, e que seriam responsaveis pela \cor" do quark. Assim, um quark ao emitir ou absorver um gluon, muda de \cor" e n~ao de \sabor". (E interessante observar que no decaimento beta, decorrente de uma forca fraca, ha umamu- danca de \sabor" entre os quarks componentes do n^eutron e do proton. Com efeito, nesse decaimento, um dos quarks down (d) que comp~oem o n^eutron n (n = udd) transformase em quark up (u), formando o proton p (p = uud), com a emiss~ao da partcula W ;, mediadora da forca fraca. Esta partcula foi prevista em 1958, em trabalhos independentes, peos fsicos, o brasileiro Jose Leite Lopes (1918- ), e os norte-americanos Julian Seymour Schwinger ( PNF, 1965) e Sheldon Lee Glashow (193- PNF, 1979), conrmada pela teoria da forca eletrofraca desenvolvida, independentemente, pelos fsicos, o norte-americano Steven Weinberg (1933- PNF, 1979), em 1967, e o paquistan^es Abdus Salam (196- PNF, 1979), em 1968, e detectada em 1983, em uma experi^encia realizada no CERN, por uma equipe de cientistas, liderada pelo fsico italiano Carlo Rubbia (1934- PNF, 1984) e pelo engenheiro holand^es Simon van der Meer (195- PNF, 1984).) A teoria GIM comecou a fortalecer-se quando, em novembro de 1974, dois grupos de pesquisas, um da Universidade de Stanford (35 fsicos), sob a lideranca do norte-americano Burton Richter (1931- PNF, 1976) e o outro do BNL (14 fsicos), sob a lideranca do sino-norte-americano Samuel Chao Chan Ting (1936- PNF, 1976), descobriram uma nova partcula com massa muito elevada ( 6000m e, sendo m e = massa do eletron) e de spin-paridade J P =1 ;, que foi chamada de por Richter e de J, por Ting. Essa partcula J (psigion) (ou J,(gionpsi)), conforme cou conhecida, foi conrmada, ainda em novembro de 1974, no Laboratorio FRASCATI, na Italia. Em 1975, novas partculas psigion foram observadas e seu processo de produc~ao indicava ser as mesmas produzidas por forca (interac~ao) forte, isto e, eram hadr^onicas. O modelo de quarks de Gell-Mann-Zweig (1964) despertou um grande interesse por parte dos fsicos experimentais que passaram, ent~ao, a idealizar experi^encias no sentido de encontrar quarks isolados. Assim, em 1969, os fsicos, os norte-americanos Jerome Isaac Friedman (1930- PNF, 1990) e Henry Way Kendall (196- PNF, 1990) e o canadense Richard Edward Taylor (199- PNF, 1990), ao analisar no Stanford Linear Accelerator Center - SLAC, o espalhamento inelastico de eletrons de 0 Gev por protons, descobriram que estes eram constitudos de partculas tipo-ponto (\pointlike particles"), as quais o fsico norte-americano Richard Philips Feynman ( PNF, 1965), ainda em 1969, deu o nome de partons (que signica partes do protons). Uma analise mais detalhada desse tipo de espalhamento demonstrou que os partons tinham carga eletrica fracionaria (+ e, - 1 e) e que, portanto, poderiam ser identicados 3 3 com os quarks de Gell-Mann-Zweig. A suposta simetria quadrangular universal (4 quarks: u, d, s, c 4leptons: e, e,, ) foi rompida com a descoberta de uma nova partcula em experi^encia realizada em outubro de 1975, por uma equipe de 34 pesquisadores da Universidade de Stanford, sob a lideranca de Martin L. Perl, na qual foi estudada a colis~ao eletron-positron (e ; -e + ), com a produc~ao an^omala de eletrons e de muons. Essa produc~ao decorria do

7 {6{ CBPF-CS-015/95 decaimento de uma nova partcula, inicialmente denominada de U, inicial da palavra unknow (desconhecido, em ingl^es). A exist^encia dessa partcula foi comprovada em 1977, ocasi~ao em que foi observado que se tratava de um lepton pesado, recebendo ent~ao o nome de tau (), inicial da palavra o (triton, terceiro em grego). Essa partcula tem massa de 3500 m e e seu spin vale 1. BIBLIOGRAFIA ALVES, G. A., SANTORO, A. e GOMES E SOUZA, M. H Do Eletron ao Quark Top: Como ver uma Partcula Elementar. Ci^encia Hoje, 19 (113): 34. BASSALO, J. M. F. Cr^onicas da Fsica. Tomo 1 (1987) Tomo (1990) Tomo 3 (199) Tomo 4 (1994), GEU/UFPA. CARUSO, F. e SANTORO, A. Do Atomo Grego a Fsica das Interac~oes Fundamentais, Rio de Janeiro, Ed. AIAFEX, FEINBERG, G What is the World Made of? Anchor Press. GELL-MANN, M The Quark and the Jaguar. W. H. Freeman and Company. GLASHOW, S. L The Charm of Physics. ATouchstone Book. GLASHOW, S. L From Alchemy to Quarks. Brooks/Cole Publishing Company. LEDERMAN, L. and TERESI, D The God Particle. Delta. LEITE LOPES, J A Estrutura Qu^antica da Materia. Editora da UFRJ e Editora Graca Limitada. MIGNACO, J. A. e SHELLARD, R. C Ci^encia Hoje, 3 (14): 4. PERL, M. L. and KIRK, W. T Heavy Leptons. Scientic American, March. RECAMI, E., ZANCHIN, V. T. e VASCONCELOS, M. T Partculas Elementares como Micro-Universos. Revista Brasileira de Ensino de Fsica, 17 (1): 7. REINES, F. and COWAN, Jr. C. L Neutrino Physics. Physics Today, August. SALAM, A IN: Em Busca da Unicac~ao. Gradiva, Portugal. SEGRE, E Dos Raios-X aos Quarks. Editora da Universidade de Braslia. TREFIL, J. S From Atoms to Quarks. Charles Scribners's Sons. YANG, C. N Elementary Particles: A Short History of Some Discoveries in Atomic Physics. Princeton University Press.