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Grupo de Emulsões (GE)

O Grupo de Emulsões estuda a física das partículas por meio da investigação dos raios cósmicos. São feitas análises das dezenas de milhares de chapas de emulsão nuclear e de raio-X obtidas por exposição das mesmas aos raios cósmicos no alto do Monte Chacaltaya, a 5220 metros acima do nível do mar, na Bolívia. Esse material fotossensível registra partículas ionizantes, resultantes dos experimentos efetuados sob a égide da chamada Colaboração Brasil-Japão de Raios Cósmicos (CBJ).

A física subatômica que vem do espaço

Os raios cósmicos e os aceleradores de partículas são as fontes para se estudar os constituintes últimos da matéria. Nos grandes aceleradores, fazem-se partículas subatômicas como prótons, antiprótons ou elétrons chocarem-se entre si; o choque produz novas partículas, que são observadas por detectores acopladas a computadores. Sua análise permite a investigação da constituição da matéria.

Com esses equipamentos, as experiências podem ser bem controladas, ao contrário de com os raios cósmicos, caso em que os cientistas ficam à mercê do que vem do céu. Porém, nos raios cósmicos há partículas muito mais energéticas do que o melhor acelerador consegue obter. Por isso, pode-se com eles investigar fenômenos ainda não observados em nenhum laboratório construído por seres humanos.

Isso é importante, porque é explorando como as partículas se comportam em choques cada vez mais energéticos que se procuram novos fenômenos físicos e se verificam teorias alternativas feitas para superar enigmas da atual (o “Modelo Padrão”). As partículas mais energéticas já detectadas nos raios cósmicos (em 1991, nos EUA) possuem mil vezes mais energia do que o maior acelerador do mundo, o LHC, que entrou em funcionamento em 2009.

observatório no alto do Monte Chacaltaya, na Bolívia

O observatório de raios cósmicos em Chacaltaya

Como a atmosfera absorve as partículas da Radiação Cósmica à medida que a atravessam, é interessante construir os observatórios no topo de montanhas. Nos anos 1950, os físicos brasileiros construíram, sob a liderança de César Lattes (1924-2005), o observatório no alto do Monte Chacaltaya, na Bolívia.

Prótons, píons, múons

Sabemos hoje que a matéria é formada de átomos e que os átomos são formados de partículas ainda menores: prótons, nêutrons e elétrons. Além disso, os prótons e nêutrons são formados de quarks.

Mas nem todas as partículas “servem” para formar átomos: grande parte delas simplesmente existe por aí – vagando pelo espaço cósmico, como os neutrinos – ou então são produzidas em eventos muito energéticos e desaparecem em uma pequenina fração de segundo, transformando-se em outras partículas mais estáveis.

Entre estas últimas estão o píon e o múon, que possuem massas intermediárias entre a do elétron e a do próton (os prótons são 1837 vezes mais pesados que os diminutos elétrons). O píon seria formado de um par quark-antiquark, enquanto o múon parece não ter constituintes e tem propriedades semelhantes às do elétron.

O que acontece quando raios cósmicos atingem a atmosfera

Os raios cósmicos são compostos de partículas diversas; os estudados pelo grupo são constituídos principalmente por prótons. Quando chega à Terra, essa partícula choca-se com as moléculas das camadas mais altas da atmosfera (com muito mais violência do que o possível em aceleradores) e produze novas partículas “secundárias”, principalmente píons (veja o box ao lado e a figura mais abaixo). Os píons rapidamente decaem em múons e neutrinos, que finalmente atingem a superfície do planeta.

Para raios cósmicos de grande energia, as partículas secundárias são geradas em grande quantidade, produzindo verdadeiros “chuveiros”, no jargão da área. As partículas que conseguem chegar na superfície e atingem o observatório é que são detectadas. Elas deixam sinais em placas fotográficas especiais chamadas “chapas de emulsão nuclear”, empilhadas em blocos, constituindo as chamadas “câmaras de emulsão nuclear e chumbo - CENC” (que podem ter milhares de placas), que são expostas a esses raios no topo do Monte Chacaltaya. Aliás, já em 1940, na USP, foram observadas as chamadas “cascatas penetrantes” pelo físico ítalo-ucraniano Gleb Wataghin (1899-1986, que pode ser considerado o pai da física experimental brasileira), por Marcelo Damy de Sousa Santos (1914-2009) e por

Esquema de produção de partículas secundárias pelos raios cósmicos na atmosfera.

Esquema de produção de partículas secundárias pelos raios cósmicos na atmosfera.

O Grupo de Emulsões analisa essas chapas e também outras vindas do Rio de Janeiro (do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas – CBPF – e da Universidade Federal Fluminense) e do Japão. A CBJ, cooperação entre o Brasil e o Japão, começou em 1962, após uma troca de correspondência entre Hideki Yukawa (1907-1981) e Cesare Mansueto Giulio Lattes (1924-2005), então na USP. O objetivo principal da CBJ é o estudo do fenômeno da produção múltipla de mésons preconizado por Gleb Wataghin e Werner Heisenberg (1901-1976), através das interações nucleares com energias maiores que 1015 eV. O material obtido desde aquela época ainda contém informações novas, pois novos métodos de medição e de análise foram sendo implementados nesse meio-tempo. Nas salas do Grupo de Emulsões estão depositadas, no total, 68.825 chapas de raios-X e 14.211 chapas de emulsão nuclear vindas de Chacaltaya e das montanhas japonesas. Cada chapa é um retângulo de 40 cm x 50 cm com cerca de 1 cm de espessura.

Mistérios cósmicos: Centauro e Andrômeda

Uma das linhas de pesquisa sobre essas chapas é a interpretação do fenômeno chamado “Centauro”, observado pela CBJ em 1975.

Trata-se de sinais deixados por alguma partícula energética que produziu poucos sinais nas películas superiores e vários sinais nas películas inferiores dos blocos. Não há consenso sobre a interpretação desse evento e ainda não foi observado em aceleradores de partículas, sendo que o grupo Castor, em Genebra, formado por brasileiros, gregos e russos, pretende procurá-los no LHC. Enquanto isso, as análises desses eventos ainda prosseguem no grupo da Unicamp, em busca de uma explicação.

Investigam-se também outros eventos muito energéticos detectados nas placas, como o “Andrômeda”, descoberto pelo grupo em 1969, com energia gigantesca, estimada em 16.000 TeV (o eV, elétron-volt, é uma unidade de energia adequada para átomos, moléculas e partículas subatômicas; TeV é teraelétron-volt, ou trilhões de elétron-volts - vide box ao lado).

Os desafios futuros do grupo, portanto, são a análise das milhares de placas em busca de novas indicações de fenômenos interessantes e a busca de uma explicação para fenômenos ultra-energéticos que deixaram marcas nas mesmas. Cerca de um terço das placas acumuladas pelo grupo ainda não foram analisadas totalmente.

O elétron-volt: medindo o infinitamente pequeno

É impraticável usar as unidades de medida que estamos acostumados para expressar energias de partículas elementares – teríamos que dizer que um elétron preso num átomo de hidrogênio tem energia de 6 octilionésimos de quilowatt-hora e outras bizarrias.

Por isso, os físicos usam outra unidade, o elétron-Volt, simbolizado por eV. Assim, podemos dizer que o nosso elétron no átomo de hidrogênio tem 13,6 eV.

Muito melhor. Bem, um elétron viajando a 1000 km/h tem energia cinética de 39.500 eV. Com isso, dá para perceber que uma energia de 16 mil trilhões de eV, como a da partícula que originou o evento Andrômeda, é realmente colossal.

História do Grupo

O Grupo de Emulsões foi o primeiro grupo experimental iniciado no Instituto de Física da Unicamp, em 1967. Suas origens, portanto, confundem-se com a formação da própria universidade. No ano anterior, a Resolução n.o 46/66, de 19 de dezembro, autorizou a instalação de vários institutos da Unicamp no novo campus, em Barão Geraldo, cuja pedra fundamental havia sido lançada em 5 de outubro. Para formá-los, foi nomeado para a Reitoria, em 22 de dezembro de 1966, o biólogo Zeferino Vaz (1908-1981).

Para constituir a equipe do Instituto de Física, Zeferino chamou o físico Marcelo Damy de Souza Santos, um dos maiores físicos experimentais do país, recém-aposentado da USP e ex-presidente da Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN).

Foi resolvido que o Instituto de Física da Unicamp deveria ter, inicialmente, três linhas de pesquisa: Física de Altas Energias (ou seja, física das partículas subatômicas – que, naquele momento, no Brasil, significava pesquisas em raios cósmicos), Física do Estado Sólido (com ênfase em semicondutores) e Física Nuclear aplicada. Damy chamou, para a Física do Estado Sólido, Sérgio Porto (1923-1979) (que, em 1974, fundaria o Departamento de Eletrônica Quântica, cujo prédio tem hoje o seu nome); a Física Nuclear ficaria com o próprio Damy (que, no entanto, foi embora alguns anos mais tarde, antes de iniciar a formação dessa área, por causa de divergências com Zeferino); e, para a Física de Partículas, chamou seu ex-aluno da USP, César Lattes. Começou-se justamente com esta última linha: foi então formado o Grupo de Emulsões.

O fator César Lattes

Lattes já tinha renome internacional por ter observado, em 1947, uma nova partícula subatômica, o píon. A importância dessa descoberta era que essa partícula havia sido prevista teoricamente em 1935 pela primeira teoria de sucesso das forças nucleares, a do japonês Hideki Yukawa (1907-1981) (veja box abaixo).

A descoberta do píon

No início dos anos 1930, sabia-se que o núcleo dos átomos era composto de prótons e nêutrons, mas não se sabia como os prótons poderiam permanecer ali juntos, pois eles se repeliam fortemente por terem todos carga elétrica positiva. Postulou-se então a existência de uma nova força, a força nuclear. O passo teórico seguinte seria construir uma teoria para descrever essas forças, o que foi feito pelo japonês Hideki Yukawa (1907-1981).

Mas sua teoria “exigia” a existência de uma partícula que nunca havia sido vista, hoje chamada píon ou méson pi. A observação desta partícula confirmaria a teoria. Foi o que Lattes fez, junto com Giuseppe Occhialini (italiano que tinha ido trabalhar na USP) e Cecil Powell (líder do grupo de Lattes e Occhialini, em Bristol). Como conseqüência, dois anos depois da observação de Lattes, Yukawa tornava-se o primeiro japonês a ganhar o prêmio Nobel e, no ano seguinte, Powell ganhava o seu.

Data dessa época (pouco antes da observação do píon) a descoberta feita por Lattes da conveniência do Monte Chacaltaya, na Bolívia, para pesquisar raios cósmicos com eficiência. O local das experiências tem 5220 metros, fácil acesso (seu topo poderia ser alcançado de táxi) e fica a 20 km da capital boliviana La Paz. Lattes, ainda estagiando em Bristol, propôs a exposição das placas de emulsões ILFORD, de origem inglesa, que evidenciaram a observação de 3 dezenas de eventos de decaimento pi-mu.

A formação do Grupo de Raios Cósmicos

O renome de Lattes serviu para atrair muitos outros físicos de talento. A linha de pesquisa foi a mesma que realizava na USP e que havia começado na época da sua descoberta do píon: a observação de raios cósmicos com placas de emulsão expostas no topo do Monte Chacaltaya, na Bolívia. Em 1968 e 1969, seus orientandos da USP – Armando Turtelli Júnior, Áurea Rosas Vasconcellos, Cláudio Santos, Edison Hiroyuki Shibuya (atual chefe do Grupo de Emulsões), Margarita Ballester Cardona e Marta Silvia Maria Mantovani – compuseram o grupo na Unicamp.

O desejo de estudar a Produção Múltipla de Mésons motivou os japoneses a também utilizar o Observatório do Monte Chacaltaya, mais alto que as montanhas japonesas (como o Monte Norikura, de 3026 metros).

Entre os japoneses que mais interagiram diretamente com o Instituto de Física da Unicamp nessa colaboração, destacam-se Yoichi Fujimoto, Shunichi Hasegawa (1928-2008), Akinori Ohsawa e Toru Shibata. A própria colaboração teve seu papel na vinda de Lattes para a Unicamp. Fujimoto, um dos interlocutores nas primeiras conversações sobre a CBJ, Hasegawa, participante das gestões de Marcelo Damy, Ohsawa, contratado pela UNICAMP para a implantação do Grupo de Emulsões, e Shibata, que o sucedeu para coordenar os trabalhos de medição e análise da primeira experiência da CBJ na Unicamp, foram os japoneses que fizeram visitas regulares pelos 30 anos subseqüentes.

Enquanto o campus de Barão Gerado era construído, os grupos de pesquisa e a administração da universidade funcionavam no prédio do antigo Colégio Bento Quirino (atual Colégio Técnico de Campinas, Cotuca). O grupo de Lattes trabalhou no porão do prédio de 1967 a 1970.

Na Unicamp, também, continuaram as observações de fenômenos novos que começaram a ser encontrados nas chapas de emulsão na USP, batizadas “bolas de fogo” (veja box abaixo).

Em 1963, quando trabalhava na USP, César Lattes anunciou a observação do primeiro de tais eventos envolvendo píons, num congresso na Índia. A energia envolvida estava entre 2 e 3 MeV (megaelétron-Volt, uma unidade de energia usada em física atômica e física nuclear). Essa é uma energia módica, e por isso o evento foi chamado “Mirim” (pequeno, em tupi-guarani).

Mais desses eventos raros foram observados pelo grupo de Lattes na Unicamp. Em 1967, poucos meses depois de chegar à Unicamp, anunciou o evento “Açu”, entre 15 e 30 MeV. Em 1971, foi a vez do “Guaçu”, com energia entre 100 e 300 MeV.

Em 1975, foi observado o mais famoso dos eventos, o Centauro. Possui energia parecida com a do Guaçu, mas algumas características diferentes e surpreendentes (além de, talvez, não ser constituído de píons – por isso é chamado “exótico” –, a energia observada era maior na parte de baixo da câmara de emulsão que na de cima, ao contrário do que acontece em outros eventos).

Outras observações do mesmo tipo foram feitas: o Mini-Centauro (em 1977), o Geminion (em 1978), o Chiron (em 1981).

Em 1969, porém, foi observado nas placas analisadas na Unicamp um evento de energia imensa, chamado Andrômeda: 16 bilhões de MeV. Posteriormente, foram identificados outros 13 eventos semelhantes.

As bolas de fogo

Quando partículas de raios cósmicos extremamente energéticas atingem a atmosfera ou as câmaras de emulsão, podem produzir enorme quantidade de partículas secundárias.

Quando a energia é muito alta, ao invés dessas várias partículas espalharem-se para todos os lados, elas atravessam o resto da atmosfera mais juntas, como um “jato” colimado. Ao atingir as placas detectoras, esse jato provoca nelas uma mancha escura, formada pelos inúmeros pontos marcados por cada partícula individual.

Esse fenômeno, resultado da produção múltipla de partículas, foi predito por Gleb Wataghin em 1938, quando trabalhava na USP. A teoria foi aperfeiçoada nos 20 anos seguintes por Heisenberg, Fermi, Landau, Hasegawa e vários outros.

A marca que o evento Andrômeda deixou nas placas de emulsão

A marca que o evento Andrômeda deixou nas placas de emulsão

Os eventos com produção de píons (Mirim, Açu, Guaçu) foram confirmados em aceleradores de partículas a partir de 1984, mas os “exóticos” (da família Centauro) e o Andrômeda ainda não foram, pois a energia dessas máquinas ainda não é suficiente para isso (há um grupo em Genebra planejando tentar observar o Centauro no LHC).

Saiba mais

O que são raios cósmicos? (Armando Turtelli Jr) - ComCiência, 10/05/2003.
http://www.comciencia.br/reportagens/cosmicos/cos08.shtml

Raios cósmicos: energias extremas do Universo - Do Projeto Desafios da Física do CBPF (em PDF).
http://mesonpi.cat.cbpf.br/desafios/pdf/Folder_Raios_Cosmicos.pdf

Reminiscências de César Lattes (Alfredo Marques) - Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 27, nº 3, pág. 467 (2005).
http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0102-47442005000300025

Fundos para conter conflitos do pós-guerra na colônia japonesa beneficiaram físicos (Carolina Raquel Justo) - Ciência e Cultura,vol. 60, no. 2 (2008). Sobre as origens remotas dos contatos entre cientistas brasileiros e japoneses, que culminaram na formação da Colaboração Brasil-Japão em raios cósmicos.
http://cienciaecultura.bvs.br/scielo.php?pid=S0009-67252008000200007&script=sci_arttext

O porão e as alturas em tempos pioneiros (Armando Turtelli Jr.) - Jornal da Unicamp 281, março de 2005. Um relato vívido do ambiente no porão do Cotuca, entre 1967 e 1970.
http://www.unicamp.br/unicamp/unicamp_hoje/ju/marco2005/ju281pag17.html

Events of very high energy density at the CERN SPPS Image collider (G. Pancheri e C. Rubbia) – Nuclear Physics A 418, 117 (1983). Faz uma comparação entre os dados da Colaboração Brasil-Japão e do detector SPPS do CERN.
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0375947484905463