Em 1900, pouco depois de o elétron e a radioatividade terem sido descobertos, Lord Kelvin comentou:

Não há nada de novo a ser descoberto em física. Tudo o que resta é uma medição cada vez mais precisa

Ele seria provado terrivelmente errado. A descoberta do núcleo e depois de seus constituintes, o próton e o nêutron, revolucionou nossa visão do que o mundo era feito. Nossa compreensão do mundo mudou do clássico para o quântico e até 1933 a mecânica quântica passou de sucesso para sucesso na descrição de observações experimentais. Isto culminou na equação de Dirac, que previa a existência de anti-matéria, confirmada pouco depois pela descoberta do anti-electrão (o positron). Contudo, a presunção dos físicos foi de curta duração. Nos bastidores, tudo não estava bem. A Mecânica Quântica estava lutando para fornecer uma explicação para as partículas que estavam chovendo na terra do cosmos a uma taxa de 10.000 por minuto por m2. Um verdadeiro “quem é quem” dos luminárias da Física estava tentando entender a natureza dessas partículas de “raios cósmicos”. Como naquela época as únicas partículas conhecidas eram elétrons, prótons, nêutrons, fótons e (ainda a serem detectados diretamente) neutrinos. Supunha-se que estas partículas de raios cósmicos que chegavam à Terra eram elétrons.
O problema com esta (errada) suposição era que os “elétrons” chovendo sobre a Terra pareciam vir em duas variedades -1. aqueles que eram facilmente absorvidos por blocos de chumbo e que criavam uma chuva secundária de elétrons, positrões e fótons quando interagiam com o chumbo e 2. aqueles que penetravam nos blocos de chumbo com aplumba.

No início, a mecânica quântica não tinha explicação para o porquê dos elétrons se comportarem de qualquer uma destas formas, mas gradualmente a teoria foi modificada (notavelmente por Bethe, Carlson, Heitler e Oppenheimer). Eles encontraram uma maneira de descrever o tipo 1 (o “elétron” que tomava chumbo) mas, infelizmente, não tiveram essa sorte em encontrar uma explicação para as partículas penetrantes do tipo 2. Os físicos teóricos (tendo tido tanto sucesso até então) estavam em desespero. Oppenheimer, sempre um cara por adicionar um pouco de gravitas à situação e que geralmente preferia seu copo meio vazio, escreveu para seu irmão em 1934:

Oppenheimer: A nicotina alimentou a Mecânica Quântica

Como você sem dúvida sabe, a física teórica – com os fantasmas assombrosos dos neutrinos, a convicção de Copenhaga, contra todas as evidências, de que os raios cósmicos são prótons, a teoria de campo absolutamente inquestionável de Born, as dificuldades de divergência com o positron e a total impossibilidade de se fazer um cálculo rigoroso – é de certa forma um inferno

Quickly, a idéia de que as partículas penetrantes eram prótons foi descartada e a comunidade física foi confrontada com uma escolha difícil: uma nova partícula ou a aceitação de que a mecânica quântica era irremediavelmente imperfeita. Durante algum tempo (agora convenientemente negligenciado), eles falsificaram a questão e começaram a falar em voz baixa sobre a possibilidade de “elétrons vermelhos e verdes” – um tipo sendo absorvido e o outro penetrando.

Felizmente, o desenvolvimento inspirado de novas técnicas experimentais por equipes na Europa e nos EUA fez com que as observações experimentais das partículas penetrantes se tornassem mais precisas. Estas inovações experimentais (combinadas com novos avanços na teoria) permitiram uma interpretação que levou à verdade inescapável: as partículas penetrantes eram algo como um electrão, mas significativamente mais pesadas.

A partícula recebeu originalmente o nome de “mesotron”. Como muitas vezes acontece na ciência, não houve um “momento Eureka” de descoberta, mas um amanhecer gradual de um novo paradigma através do trabalho de muitas pessoas, tanto teórico como experimental. Anderson recebeu o crédito (tendo já recebido um Prêmio Nobel por observar o positron, foi provavelmente uma venda mais fácil…) mas houve uma considerável dramatis personae – Bethe, Heitler, Rossi, Neddermeyer, Street, Stevenson, Carlson e Oppenheimer – sem cujas contribuições o “mesotron” não teria sido descoberto. O “mesotron” foi rapidamente renomeado de muão, e ficou claro que o muão não era um electrão vermelho ou verde, pois se fosse apenas um electrão pesado ou mais energético deveria decair para um electrão e um fotão, e isto não foi observado. O múon parecia ser a sua própria partícula distinta e assim o múon (depois do elétron) era a segunda partícula fundamental (isto é, que não parece ser feita de outras partículas) a ser descoberta. A sua descoberta anunciava assim o início da física das partículas como um assunto.

Muões – Senti-me agorat.

Existem várias centenas de múons passando pela sua cabeça a cada segundo minuto. Felizmente, suas baixas energias (e alta massa) significam que eles são inofensivos. Estes muões originam-se das colisões de raios cósmicos (principalmente prótons vomitados pelas estrelas) com os átomos da nossa atmosfera superior. Após a sua descoberta foi observado que o número destes muões diminuiu à medida que nos aproximávamos da Terra e a conclusão natural (e correcta) foi que eles não eram partículas estáveis como o electrão, mas sim um pouco voadores-nocturnos (e diurnos), e decaíram para outras partículas mais familiares (electrões e neutrinos) em cerca de 2 milionésimos de segundo. Nesta altura já se sabia qual era a massa do electrão e os neutrinos eram supostos sem massa, pelo que ao olhar para a trajectória e energia do electrão a partir da decomposição do muão (ou medindo o tempo que demorou a decomposição do muão) tornou-se claro que o muão era um pouco porco. Ele pesava cerca de 200 vezes a massa do elétron.

O muon não é um grande empresário e tem um repertório bastante restrito, talvez o mais adequado para uma aparência fugaz no fator X. Nos últimos 75 anos temos observado que ele faz apenas duas coisas: interage e produz um neutrino ou decadência e produz um elétron e dois neutrinos. Mas, acreditamos que o muon terá o último riso e é mais do que um pónei de dois truques. O muon tem algo na manga que nos ajudará a entender a física em escalas de energia muito além do LHC. Pertinentemente, acreditamos que irá revelar um novo tipo de interacção fundamental (para além das que conhecemos (as interacções electromagnéticas, gravitacionais e nucleares fracas e fortes) que pode ajudar a explicar um dos problemas mais antigos da física: como é que a maioria da anti-matéria criada no Big Bang foi aspirada (ou presumivelmente desionizada hoje em dia) no início do Universo, no tempo que leva a fazer uma chávena de chá?

Estamos planejando produzir um feixe de múons de intensidade inigualável para observar este novo tipo de interação (que descreverei no futuro). Na verdade, após um período de folga, este é um momento emocionante para ser um muon e suas propriedades penetrantes e magnéticas estão sendo exploradas para uma gama de aplicações além da física das partículas. Eles foram usados nos anos 60 para fazer um raio-x das pirâmides para procurar câmaras escondidas e os recentes avanços nos detectores de partículas carregadas abriram a possibilidade de utilizar muões de raios cósmicos para fotografar precisamente volumes muito grandes (contentores marítimos, veículos de carga, estações de comboio, etc.) para detectar bombas, material físsil ou coisas que explodem durante a noite. Os muões estão sendo usados para estudar as propriedades de novos materiais compostos que têm o potencial de fornecer novos semicondutores para a indústria eletrônica ou supercondutores de temperatura ambiente com uma diversidade de aplicações desde trens levitados (pode ser complicado na Linha do Norte) até a transmissão de energia sem perdas. Recentemente, um feixe de múons produzido nas instalações do ISIS do Reino Unido foi usado para observar o fenômeno da “magnetricidade” em “spin-ice”, que é potencialmente o primeiro passo para uma versão magnética da eletrônica.

Então fique atento, o múon é um plodder, mas seus 15 minutos de fama estão próximos.

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