Mistérios da matéria

Um dos objectivos maiores da ciência é tentar perceber de que são feitas as coisas e por que é que elas são estáveis (ou, nalguns casos, instáveis). Avançou-se muito no caminho para essa meta. Hoje sabemos que todas as coisas conhecidas são feitas de partículas, que julgamos serem elementares, como dois quarks de tipos (o downe o up),electrões e neutrinos (por ordem decrescente da sua massa). Um átomo de hidrogénio, por exemplo, é formado por um protão, feito de três quarks, à volta do qual se move um electrão. Há, porém, coisas ainda desconhecidas, como a matéria escura, que estamos a tentar perceber o que é.

Existem, por outro lado, quatro forças fundamentais, que permitem que essas partículas se liguem: a força nuclear forte, a força nuclear fraca, a força electromagnética e a força gravitacional (por ordem decrescente da sua intensidade). Os quarks que formam o protão estão ligados pela força nuclear forte. E o electrão está ligado ao protão pela força electromagnética. Associamos também partículas a essas forças: os quarks ligam-se por troca de partículas sem massa chamadas “gluões”, ao passo que o electrão e o protão se ligam por troca de outras partículas sem massa chamadas “fotões”. As três primeiras forças já foram unificadas num só quadro teórico (chamado “modelo padrão”), faltando a unificação final com a força gravitacional. Assim, o Universo é constituído por partículas, que trocam entre si outras partículas.

De facto, o mundo é um pouco mais complicado, porque há, além da primeira, mais duas gerações de partículas de matéria, que são instáveis: numa segunda geração existem mais dois quarks (o charme o strange), uma partícula semelhante ao electrão, mas mais pesada, chamada “muão” (é 207 vezes mais pesada do que o electrão) e um outro neutrino mais pesado, dito muónico; e, numa terceira geração, há mais dois quarks (o tope o bottom),um outro “parente” do electrão, chamado tauão, e um outro neutrino, dito tauónico. Temos ainda de acrescentar a antimatéria, embora seja mais rara do que a matéria: existem antiquarks, antielectrões (ou positrões) e antineutrinos. Há, na geração seguinte, antimuões.

Os físicos não estão, porém, satisfeitos com esta descrição. Falta a tal teoria unificada completa ou “teoria de tudo” (este é o nome de um filme sobre a vida de Stephen Hawking). Já Albert Einstein alimentava o sonho de uma “teoria de tudo”, embora ele se tivesse limitado a tentativas, não sucedidas, de unir as forças electromagnética e gravitacional.

Enquanto na biomedicina os cientistas se esforçavam para descobrir novas vacinas contra o novo coronavírus, na física os cientistas continuavam a desenvolver esforços no sentido de penetrar nos mistérios da matéria. Para isso uma indicação preciosa seria uma identificação de um desacordo entre aquilo que a teoria prevê e a experiência. Manda sempre a experiência: se esta for bem feita, a teoria é que terá de mudar em caso de desacordo. Mesmo pequenos desacordos podem ser relevantes, como já foram no passado, para se avançar para novas compreensões do Universo.

Ora, num artigo publicado a 7 de Abril de 2021, foram anunciados os resultados de uma experiência em física de partículas que manifesta um desacordo claro entre previsões e realidade. A experiência foi realizada por uma equipa de duas centenas de investigadores num acelerador de partículas no Fermilab, um centro de investigação perto de Chicago, nos Estados Unidos. Analisaram as propriedades magnéticas de antimuões, as antipartículas dos muões, que foram postas a circular quase à velocidade da luz no acelerador, sendo sujeitas a um campo magnético muito intenso, produzido por um grande magnete. Os antimuões, que são positivos, enquanto existem (pois decaem rapidamente para positrões), “dançam” no campo magnético por serem pequenos ímanes, que respondem ao campo. E os detectores permitem saber como é essa “dança”.

A experiência chama-se “g-2” porque há uma propriedade do antimuão designada por factor g (um número sem unidades, sem nada a ver com a aceleração da gravidade que tem o mesmo nome) que descreve o comportamento magnético do muão e deve ter, segundo a teoria, um valor ligeiramente superior a 2. A experiência mais recente – de muito maior precisão que as anteriores – confirmou a existência desse desvio. O novo resultado parece indicar que existem novas partículas, até agora não conhecidas. O factorg medido é 2,00233184122. É um pouco superior a 2, como se esperava, mas não coincide com o valor teórico de 2,00233183620. A diferença é muito pequena, mas significativa. Se a experiência não tiver falhas, a teoria terá de ser reformulada. E uma nova teoria concordante com a experiência irá provavelmente além do modelo-padrão, incorporando novos blocos constituintes da matéria, que nesta altura ninguém bem sabe quais são. Teremos então penetrado mais profundamente nos mistérios da matéria. Aguarda-se, como sempre acontece em ciência, confirmação dos resultados obtidos.