Os físicos de partículas usam aceleradores gigantescos para investigar o infinitesimal

Uma partícula subatômica é uma partícula que faz parte de um átomo, como um elétron, próton ou nêutron. Crédito da imagem: Rick/Adobe Stock

A busca pelos blocos básicos de construção da matéria remonta aos filósofos da Grécia Clássica. Hoje, os físicos usam enormes aceleradores de partículas para estudar os menores blocos de construção.

Quarks e léptons são as menores partículas que conhecemos, mas os cientistas continuam procurando algo ainda menor.

O objetivo final da física é identificar os menores blocos de construção a partir dos quais o Universo é construído e descrever as leis que os governam. Até que façamos isso, nossa compreensão da natureza será incompleta. Atingir esse objetivo nos desafiará no futuro previsível, mas os pesquisadores estão usando uma enorme instalação na Europa para estudar esses minúsculos blocos de construção. No Grande Colisor de Hádrons, os pesquisadores aquecem a matéria a temperaturas muito mais altas que o centro do Sol.

QUESTÃO CLÁSSICA, PROGRESSO MODERNO

Quais são os menores e mais básicos ingredientes do Universo? A indagação é tão antiga quanto a própria ciência. Os filósofos gregos perguntaram pela primeira vez há 2.500 anos. Os cientistas modernos sabem muito mais sobre o assunto, mas ainda hoje os pesquisadores não conseguem uma resposta definitiva. E assim, após dois milênios de investigação e muitas descobertas, o estudo científico continua sobre esta velha questão. 

Como qualquer estudante de química sabe, a matéria que nos cerca é feita de infinitas combinações de cerca de 100 tipos diferentes de átomos, átomos com nomes como hidrogênio, oxigênio, cobre e estanho. Embora uma compreensão completa dos átomos lhe ensine a maior parte do que você precisa saber sobre química, os átomos não são o menor componente da matéria.

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Quase um século atrás, os cientistas perceberam que os átomos são feitos de objetos ainda menores. Dois tipos minúsculos de partículas, prótons e nêutrons, foram encontrados nos núcleos densos no centro dos átomos. Um terceiro tipo de partícula povoa ao redor do núcleo como uma nuvem de mosquitos hipercafeinados. Esta terceira partícula é chamada de elétron.

Prótons, nêutrons e elétrons eram então considerados os menores blocos de construção da matéria, mas sua classificação logo seria usurpada. Há cerca de meio século, os cientistas descobriram que o próton e o nêutron são compostos de partículas ainda menores chamadas quarks. Até agora, o elétron resistiu a todas as tentativas de encontrar uma partícula menor dentro dele. Continua sendo o membro mais conhecido de uma classe de partículas chamadas léptons. Quarks e léptons foram observados e são considerados ciência estabelecida.

OSERVANDO AS MENORES PARTÍCULAS DO UNIVERSO

No momento em que este artigo foi escrito, os quarks e os léptons permanecem os menores blocos de construção conhecidos na natureza e, de fato, são muito pequenos. Os instrumentos mais poderosos podem ver objetos menores que um próton, mas os quarks e os léptons são pequenos demais para serem visualizados diretamente com equipamentos modernos. No entanto, apesar de seu tamanho minúsculo, muitos pesquisadores se perguntam se talvez quarks e léptons sejam feitos de coisas ainda menores.

Quando os cientistas procuram objetos cada vez menores, eles não usam mais os microscópios convencionais. Em vez disso, eles se voltam para aceleradores de partículas, que esmagam prótons que viajam perto da velocidade da luz. A capacidade de observar coisas em escalas tão pequenas depende crucialmente da energia na qual os prótons são colididos. A maior energia é capaz de formar uma imagem das menores coisas.

O acelerador de partículas de maior energia do mundo é o Grande Colisor de Hádrons, localizado na fronteira franco-suíça. Esta incrível instalação, que iniciou suas operações em 2011, pode gerar as temperaturas mais altas já alcançadas em um laboratório. Usando dados registrados na última década, os cientistas são capazes de formar imagens de coisas tão pequenas quanto 1/10.000 do tamanho de um próton. Quando os pesquisadores o usaram para procurar objetos menores que quarks e léptons, não encontraram nada. Se tais objetos existirem, eles são menores do que a instalação pode detectar.

O Grande Colisor de Hádrons, no entanto, continuará a operar nas próximas décadas para melhorar nossa compreensão de como a matéria se comporta sob condições extremas. Entre muitos outros estudos, os cientistas continuarão a procurar objetos dentro de quarks e léptons, e os dados futuros devem render uma melhoria de dez vezes nos menores tamanhos que podem ser encontrados. O Grande Colisor de Hádrons, é claro, faz muito mais do que procurar as menores partículas, a instalação é capaz de fazer muitas medições. Até agora, os dados registrados do colisor foram usados para publicar mais de 3.000 artigos científicos.

Os cientistas esperam construir uma instalação ainda mais poderosa que supere as capacidades do Grande Colisor de Hádrons. Se construída, tal instalação será capaz de estudar mais profundamente as leis da natureza, inclusive procurando por coisas ainda menores. O horizonte de tempo para tal instalação começar a operar seria no início da década de 2040.

A busca pelas menores partículas continua sendo uma das maiores buscas da ciência. Essas partículas teriam dominado o Universo imediatamente após o cataclísmico Big Bang. Se realmente quisermos entender como todo o cosmos veio a existir, devemos seguir os primeiros passos percorridos pelos antigos gregos. Só então finalmente alcançaremos os objetivos finais da pesquisa na física.

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Referência:

LINCOLN, Dom. Quarks and leptons are the smallest particles we know. Does something smaller exist? Big Think, 26, mai. 2026. Disponível em: <https://bigthink.com/hard-science/quarks-leptons-smallest-particles/?fbclid=IwAR0oFxwAcWl5zzpQLpd7ExmSeib5zQMsx5rSN8OjBSWBTpHHATXxHvSSV_E>. Acesso em: 05, jun. 2023.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.