Grupo de História, Teoria e Ensino de Ciências César Lattes e os 50 anos do méson pi

    O professor César Lattes foi o criador do Departamento de Raios Cósmicos e Cronologia do Instituto de Física "Gleb Wataghin" da UNICAMP. A mais conhecida contribuição de Lattes à física foi sua importante participação na descoberta do méson pi, em 1947. Apresentamos nesta página uma pequena descrição ilustrada dessa descoberta. Você também poderá obter aqui uma cópia eletrônica do primeiro artigo de Lattes sobre mésons.

   Outras páginas, na Internet, sobre César Lattes e a descoberta do méson pi:

Meio século do méson-pi artificial (Ana Maria Ribeiro de Andrade e Fernanda Figueira Kischinhevsky)
Artigo sobre César Lattes (Cássio Leite Vieira e Antonio Augusto Passos Videira, publicado na revista Superinteressante)
Breve histórico de César Lattes (Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas)
1947 – Ano do méson pi (Alfredo Marques, CBPF)

            Yukawa e Lattes

   Em 1935, Hideki Yukawa propôs uma teoria para explicar as forças nucleares. Ele sugeriu a existência de uma partícula ainda desconhecida, com uma massa cerca de 200 vezes maior do que a do elétron, que poderia ser emitida e absorvida por prótons e nêutrons. A troca dessa partícula entre os constituintes do núcleo atômico produziria uma atração entre eles, de curto alcance, que poderia explicar a estabilidade nuclear. Por ter uma massa intermediária entre a do elétron e a do próton, recebeu o nome de “méson”. Essas partículas só poderiam existir durante um tempo muito curto, e se desintegrariam fora do núcleo atômico, depois de apenas um bilionésimo de segundo.
    Em 1937-38, Carl D. Anderson e Seth H. Neddermeyer encontraram na “radiação cósmica”, que continuamente atinge a Terra, os sinais de algo que parecia ser o méson de Yukawa: tinha uma massa adequada, e se desintegrava do modo previsto. Durante quase dez anos, parecia que tudo se encaixava e que se dispunha de uma boa teoria sobre a constituição da matéria. Em 1947, no entanto, essa tranqüilidade foi derrubada. Descobriu-se que o méson de Anderson e Neddermeyer não tinha o comportamento previsto.
    Para poderem explicar as forças nucleares, os mésons deveriam ser fortemente absorvidos por prótons e nêutrons. Previa-se, portanto, que eles fossem facilmente capturados pela matéria. No entanto, um grupo de pesquisadores italianos (Marcello Conversi, Ettore Pancini e Oreste Piccioni) observou que os mésons que haviam sido encontrados na radiação cósmica podiam atravessar centenas de núcleos atômicos sem sofrer nenhuma alteração. Eles tinham uma interação muito fraca com prótons e nêutrons, ao contrário do que se esperava. Alguma coisa estava errada.
 

Duas fotografias de  César Lattes,  em 1947

    O laboratório do Monte Chacaltaya, em construção

   O que era aquilo? Havia várias interpretações possíveis. Podia ser que o méson tivesse reagido com um núcleo dentro da emulsão e tivesse sido expelido com uma maior velocidade; ou poderia ter havido uma transformação de um méson em outro. Os dois primeiros casos eram insuficientes para se tirar qualquer conclusão segura. Para obter maior número de dados, Lattes viajou para a Bolívia, e colocou no alto do Monte Chacaltaya, a uma altitude de 5.500 metros, várias emulsões nucleares. Nelas, foi possível encontrar cerca de 30 rastros de mésons duplos. Estudando esses traços, foi possível determinar a massa dos mésons e perceber que havia dois tipos de partículas, com massas diferentes.
    Existia um tipo de méson que era cerca de 30 a 40% mais pesado do que o outro. Ele se desintegrava e produzia o méson mais leve. A partícula secundária  era a que já era conhecida pelos estudos de Anderson e Neddermeyer, e passou a ser chamada de méson mi (atualmente, é chamado de múon). O méson primário, mais pesado, era algo novo, desconhecido. Foi denominado méson pi, e sua identificação foi anunciada em outubro de 1947. Estudos posteriores mostraram que ele tinha uma forte interação com o núcleo atômico, possuindo as características exigidas pela teoria de Yukawa. Haviam sido encontradas as partículas responsáveis pelas forças nucleares.
    Essa descoberta não foi, no entanto, a mera confirmação de uma teoria. Ela abriu todo um novo mundo de investigações. Primeiramente, ficava claro que existiam partículas (os múons) que não haviam sido previstas antes, e que não tinham um papel conhecido na natureza. Em segundo lugar, porque o estudo da radiação cósmica logo levou à descoberta inesperada de muitas outras partículas. Naquele mesmo ano, começaram a ser observados rastros que não correspondiam a nada de conhecido.
    O próprio grupo de Powell encontrou alguns sinais de mésons duas vezes mais pesados do que os píons. Foram chamados inicialmente de mésons tau, e atualmente são denominados mésons kappa. Ainda em 1947, Clifford Butler e George Rochester observaram traços em forma de V, que podiam ser explicados supondo a existência de novas partículas neutras (sem carga elétrica), que não deixam traço, e que se desintegram em uma partícula positiva e outra negativa. Nos anos seguintes, foi surgindo uma avalanche de novas partículas, todas elas inesperadas, e com propriedades difíceis de serem compreendidas, na época. Robert Oppenheimer introduziu a expressão “zoológico sub-nuclear” para esse novo mundo de partículas. Entre os animais exóticos desse zoológico, foram encontradas partículas mais pesadas do que o próton (os “híperons”), de vários tipos diferentes. A nova fauna foi inicialmente explorada pelo estudo de raios cósmicos, mas logo foram construídos aceleradores de partículas cada vez mais poderosos, que permitiram a criação e investigação dessas partículas em laboratório.
    Mais do que encontrar uma partícula em especial, a descoberta do méson pi marcou o início de uma revisão dos conceitos físicos sobre a estrutura da matéria. A grande variedade de partículas descobertas nos anos seguintes colocou em dúvida o conceito de “partícula elementar” como algo indivisível, simples, e levou à procura de uma estrutura para os próprios prótons, mésons e outras partículas. A teoria dos quarks jamais teria surgido sem o estímulo dessas descobertas, desencadeadas há 50 anos.

    No dia 24 de maio de 1947, a revista inglesa Nature publicou o artigo "Processes involving charged mesons", de autoria de Cesar Lattes, H. Muirhead, G. P. S. Occhialini e C. F. Powell. Você pode obter uma cópia eletrônica deste artigo aqui (o arquivo lattes.zip tem 82,3 kilobytes e pode demorar para ser transferido pela Internet).

Atenção: Os direitos autorais deste artigo pertencem à revista Nature. Nossa biblioteca eletrônica está fornecendo aqui uma cópia do artigo, em forma digital, exatamente da mesma forma que uma biblioteca tradicional pode fornecer uma cópia xerox do artigo, a qualquer pesquisador, sem necessidade de pagamento de direitos autorais. As pessoas que obtiverem aqui uma cópia do artigo devem estar cientes de que somente poderão fazer uso da cópia fornecida para uso individual de pesquisa. Qualquer outro uso está vedado por lei.

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