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Preocupação com uso militar quase fez físicos manterem descoberta em segredo

Pequenas partículas chamadas quarks bottom poderiam se fundir em uma reação extremamente poderosa

CTBTO/Wikimedia Commons
Nuvem formada pela explosão de Ivy Mike, primeira arma de fusão termonuclear a ser detonada, em 1952.
Uma dupla de físicos anunciou a descoberta de um fenômeno subatômico tão poderoso que, na verdade, fez com que os pesquisadores se questionassem se não se tratava de algo perigoso demais para ser trazido a público.

A dupla demonstrou que duas pequenas partículas, conhecidas como quarks bottom, poderiam, teoricamente, se fundir num poderoso lampejo. O resultado: a formação de uma partícula subatômica maior, o surgimento de uma segunda partícula extra classificada como um núcleon, e bastante energia liberada. Esta “explosão de quark” seria um análogo subatômico, ainda mais poderoso, das reações individuais de fusão nuclear que acontecem no núcleo de bombas de hidrogênio.

Quarks são pequenas partículas que normalmente são encontradas umas junto das outras para formar os nêutrons e prótons dentro dos átomos. Elas vêm em seis versões ou “sabores”: up, down, top, bottom, strange e charm.

Eventos energéticos no nível subatômico são medidos em mega elétron-volts (MeV). A dupla de físicos descobriu que quando dois quarks do tipo bottom se fundem, eles produzem “enormes” 138 MeV de energia. Isso é cerca de oito vezes mais poderoso do que os eventos individuais de fusão nuclear que ocorrem nas bombas de hidrogênio (uma explosão em grande escala da bomba consiste em bilhões destes eventos). Bombas H fundem pequenos núcleos de hidrogênio, conhecidos como dêuterons e trítons, para criar núcleos de hélio, gerando as explosões mais poderosas do arsenal humano. Contudo, cada uma dessas reações individuais dentro das bombas libera cerca de apenas 18 MeV, de acordo com o Arquivo de Armas Nucleares, um website dedicado a coletar pesquisas e dados sobre armamento nuclear. Isso é muito inferior aos 138 MeV da fusão dos quarks bottom.

“Preciso admitir que, quando percebi pela primeira vez que uma reação dessas era possível, fiquei assustado”, disse o co-pesquisador Marek Karliner, da Universidade de Tel Aviv em Israel, à Live Science. “Mas, felizmente, é algo limitado.”

Mesmo as reações de fusão sendo poderosas como são, um caso individual de fusão não é tão perigoso. Bombas de hidrogênio obtém seu enorme poder de reações em cadeia - fusões em cascata de muitos núcleos de uma só vez.

Karliner e Jonathan Rosner, da Universidade de Chicago, determinaram que não seria possível uma reação em cadeia com quarks bottom e, antes de publicarem, compartilharam em particular suas ideias com colegas, os quais concordaram.

“Se eu pensasse, por um microssegundo, que isto teria qualquer aplicação militar, não teria publicado”, disse Karliner.

Para provocar uma reação em cadeia, os fabricantes de bombas nucleares precisam de grandes estoques de partículas. E uma importante propriedade dos quarks bottom impossibilita que eles sejam estocados: eles deixam de existir um picossegundo após serem criados, ou aproximadamente o tempo que a luz demora para viajar metade do comprimento de um único grão de sal. Depois desse período, eles decaem para um tipo de partícula subatômica muito mais comum e menos energético, chamada quark up.

Pode ser possível gerar reações individuais de fusão de quarks bottom dentro de aceleradores de partículas com quilômetros de comprimento, dizem os cientistas. Contudo, mesmo dentro de um acelerador, não daria para juntar uma massa grande o suficiente de quarks para fazer qualquer estrago no mundo, de acordo com os cientistas. Então, não há necessidade de se preocupar com bombas de quarks bottom.

No entanto, a descoberta é empolgante, pois é a primeira prova teórica de que é possível fundir partículas subatômicas em formas que liberem energia, diz Karliner. Esse é um território totalmente novo na física de partículas muito pequenas, possibilitado por um experimento no Grande Colisor de Hádrons do CERN, o enorme laboratório de física de partículas próximo a Genebra.

Aqui está como os físicos fizeram esta descoberta.

No CERN, partículas se movem rapidamente em um anel subterrâneo de 27 quilômetros com velocidade próxima à da luz antes de se chocarem. Então, cientistas utilizam computadores poderosos para filtrar os dados dessas colisões, e, alguma vezes, partículas estranhas emergem dessa pesquisa. Em junho deste ano, algo especialmente estranho apareceu nos dados a partir de uma das colisões: um bárion “com uma dupla de charms”, ou um primo grande do nêutron e do próton, composto de dois primos dos quarks “bottom” e “top”, conhecidos como quarks “charm”.

Quarks do tipo charm são muito pesados em comparação aos quarks up e down, mais comuns e que compõem os prótons e os nêutrons. Quando partículas pesadas se juntam, convertem uma grande parte de sua massa em energia de ligação, e, em alguns casos, produzem uma porção de energia de sobra, a qual é liberada.

Quando dois quarks charm se fundem, descobriram Karliner e Rosner, as partículas se unem com uma energia de cerca de 130 MeV e liberam 12 MeV de energia de sobra (aproximadamente 2/3 da energia da fusão de dêuterons e trítons). Essa fusão de charm foi a primeira reação de partículas, nessa escala de tamanho, que se constatou emitir energia dessa forma, e é o principal resultado do novo estudo, publicado no dia 1º de novembro na revista Nature.

A fusão ainda mais energética de dois quarks bottom, que se unem com uma energia de 280 MeV e liberam 138 MeV ao se fundirem, é a segunda - e mais poderosa - das duas reações descobertas.

Até agora, estas reações são inteiramente teóricas e não foram demonstradas em laboratório. O próximo passo, no entanto, deve vir em breve. Karliner disse que espera ver os primeiros experimentos demonstrando essas reações no CERN dentro dos próximos dois anos.

Rafi Letzter, SPACE.com

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