Era das partículascomo surgiram os quarks, a antimatéria e os neutrinos

A era das partículas vai de 10⁻¹² s depois do Big Bang até 3 minutos. Nesse tempo os quarks primeiro vagaram livres e depois foram confinados em prótons e nêutrons, elétrons e pósitrons dominaram o universo e, por volta de 1 segundo, os neutrinos começaram a viajar livres. O item mais intrigante é um livro-caixa: para cada bilhão de pares de partículas e antipartículas, havia uma partícula de matéria a mais. As estrelas, as montanhas e as pessoas de hoje vêm todas desse minúsculo excedente.

Quanto mais cedo o estado, mais difícil observá-lo diretamente. Os pesquisadores recriam condições extremas em colisores ou as calculam na teoria. Ao ler, repare se cada item se apoia em evidência experimental ou em uma previsão teórica.

Seis eventos

• 10⁻¹² s · Época dos quarks: Os quarks vagam livres numa sopa quente, como ingredientes nadando numa panela fervendo.
• 10⁻¹¹ s · Assimetria bariônica: Uma partícula de matéria a mais para cada bilhão de pares partícula–antipartícula. É por isso que a matéria sobreviveu.
• 10⁻⁶ s · Época dos hádrons: Os quarks são confinados em prótons e nêutrons, e um quark sozinho nunca mais é visto.
• 1 s · Época dos léptons: Elétrons e pósitrons dominam o universo.
• 1 s · Desacoplamento dos neutrinos: Os neutrinos agora viajam livres e quase nunca interagem com outra matéria.
• 10 s · Aniquilação elétron–pósitron: Sobra um pequeno número de elétrons, e os fótons aumentam muito.

Quarks: do modelo ao líquido

Primeiro veio uma ideia que pôs ordem na família de partículas: prótons e nêutrons são feitos de "quarks" menores. Ela arrumou o caótico zoológico de partículas da época, num artigo intitulado "A schematic model of baryons and mesons" (Gell-Mann, Physics Letters, 1964). A pergunta seguinte era por que os quarks nunca são vistos sozinhos. A resposta se chama liberdade assintótica: quanto mais perto os quarks ficam, mais fraca é a interação entre eles; quanto mais longe, mais firmemente são puxados de volta, então ficam trancados. O artigo se intitula "Ultraviolet behavior of non-abelian gauge theories" (Gross e Wilczek, Physical Review Letters, 1973).

O estado de quarks vagando livres foi desde então recriado em laboratório. Colisões de íons pesados reproduziram o plasma de quarks e glúons dos primeiros microssegundos, que se comporta como um líquido quase sem viscosidade (STAR Collaboration, Nuclear Physics A, 2005).

Antimatéria: primeiro no papel, depois nos raios cósmicos

Paul Dirac combinou mecânica quântica e relatividade para descrever o elétron, e uma solução de sua equação previu, inesperadamente, a antimatéria. Seu artigo se intitula "The quantum theory of the electron" (Dirac, Proceedings of the Royal Society A, 1928). Alguns anos depois a previsão foi confirmada: um elétron de carga positiva foi fotografado nos raios cósmicos, a primeira vez que a humanidade viu antimatéria. O artigo tem um título simples, "The positive electron" (Anderson, Physical Review, 1933).

Por que a matéria venceu

Partículas e antipartículas aparecem em pares, então como a matéria acabou em excesso? Andrei Sakharov listou três condições necessárias para o universo produzir mais matéria que antimatéria, que ainda são o ponto de partida da pesquisa. O título do artigo dele nomeia diretamente o tema: "Violation of CP invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe" (Sakharov, JETP Letters, 1967). Outra pista veio de um experimento: o decaimento do méson K mostrou que as leis da física não são perfeitamente simétricas entre matéria e antimatéria. O artigo se intitula "Evidence for the 2π decay of the K₂⁰ meson" (Christenson, Cronin, Fitch e Turlay, Physical Review Letters, 1964).

Neutrinos: partículas fantasma

Os neutrinos quase não interagem com nada, então capturar um é difícil. Os pesquisadores esperaram anos ao lado de um reator nuclear e finalmente capturaram essa "partícula fantasma", num artigo intitulado "Detection of the free neutrino: a confirmation" (Cowan, Reines et al., Science, 1956). Depois se descobriu que os neutrinos alternam entre três tipos, o que significa que têm massa. A observação veio do detector Super-Kamiokande, num artigo intitulado "Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos" (Fukuda et al., Physical Review Letters, 1998).

Como o jogo mostra isso

No jogo, o intervalo de tempo da era das Partículas é escrito "10⁻¹² s – 3 min" e seu recurso é partículas. Os geradores são Plasma de quarks e glúons, Aniquilação matéria–antimatéria, Hadronização e Desacoplamento dos neutrinos, correspondendo aos processos reais acima. Os geradores são só um jeito de sentir a ordem dessas etapas. Não existem máquinas assim na realidade.