No dia 6 de março de 2020 foi publicado na revista Physical Review Letters o resultado de um experimento de autoria da Colaboração ALICE realizado no Grande Colisor de Hádrons – o LHC (da sigla em inglês para Large Hadron Collider). A publicação sobre o experimento, que tinha como objetivo o estudo da interação entre prótons e um tipo de partículas chamadas de káons, fez uso de um modelo aprimorado por um pesquisador do IFT-UNESP em um de seus trabalhos anteriores, confirmando seus cálculos de quase uma década atrás.

A Colaboração ALICE (do inglês para A Large Ion Collider Experiment) é constituída por pesquisadores de mais de 30 países e destina-se a estudar um estado da matéria chamado plasma de quark-glúons, possível apenas em condições energéticas muito extremas. Quarks são partículas que ligam-se umas às outras através de outro tipo de partícula chamada glúon para formar partículas compostas, como prótons e nêutrons. O plasma de quark-glúons é um estado da matéria na qual prótons e nêutrons se dissolvem e liberam seus constituintes, os quarks e os glúons. Conforme esse plasma esfria e se expande, as ligações entre quarks e glúons se rearranjam e formam novamente as partículas compostas: prótons, nêutrons e outras partículas como os mésons, entre eles os káons. Por isso, embora a ALICE tenha sido criada com o objetivo de estudar o próprio plasma de quark-glúons, os seus experimentos oferecem a oportunidade perfeita para estudar a interação entre essas partículas compostas que são colididas, dissolvidas e rearranjadas no processo de criação do plasma.

ALICE é um detector instalado no LHC para o estudo da matéria em densidades e energias muito elevados. A Colaboração ALICE usa o detector para estudar a formação do plasma de quark-glúons. (Imagem: CERN)

O artigo publicado na Physical Review Letters relata os resultados de um experimento que aproveitou essa oportunidade para analisar a maneira como o káon interage com prótons em meio à essa sopa de partículas em colisão, uma interação ainda muito pouco entendida, considerando a existência de tão poucos dados experimentais sobre ela até então. Os autores do trabalho compararam o novo conjunto de dados com os modelos criados por outros pesquisadores e aquele que melhor se ajustou foi o modelo publicado em um artigo de 2011 pela colaboração entre o físico brasileiro Gastão Inácio Krein, pesquisador do Instituto de Física Teórica da UNESP, e seus colegas: Johann Haidenbauer, do Centro de Pesquisa Jülich, Ulf-G. Meißner, do Centro de Pesquisa Jülich e da Universidade de Bonn, e Laura Tolos, atualmente da Universidade Autônoma de Barcelona.

O Prof. Krein dedica seu trabalho à área de Cromodinâmica Quântica, que é uma teoria de interações fortes, isto é, busca entender as interações entre as partículas que formam os núcleos atômicos. O pesquisador, que por conta da pandemia de COVID-19 retirou-se de São Paulo para continuar seu trabalho remotamente de uma cidade pequena em meio à Serra da Mantiqueira, concedeu entrevista ao ICTP-SAIFR por chamada de voz. Na conversa explica que em seu trabalho de 2011, ele e seus colaboradores não tinham por objetivo desenvolver um modelo para a interação entre prótons e káons, mas sim entre prótons e outro tipo de partícula: o méson-D. Para isso, trabalharam na melhoria de um modelo pré-existente da interação com káons, o chamado modelo de Jülich, e então desenvolveram o modelo para mésons-D de maneira análoga.

Quando perguntado sobre o que tornava possível o desenvolvimento desses dois modelos de maneira análoga, o Prof. Krein diz: “O que muda [de um méson-D para um káon] é o conteúdo de quarks. Enquanto o méson-D tem um quark charme, o káon tem um quark estranho”, explica. Os nomes que o Prof. Krein usa ao se referir aos quarks vêm do Modelo Padrão da Física de Partículas, que é a teoria responsável por descrever as partículas fundamentais que formam a matéria, bem como as forças que regem as interações entre elas. Segundo o Modelo Padrão, existem seis tipos de quarks que diferem entre si pela quantidade de massa e por um tipo de carga que possuem, que os físicos chamam de sabor (flavor, em inglês): up (acima), down (abaixo), charm (charme), strange (estranho), top (topo) e bottom (base). Prótons são formados por dois quarks up e um quark down, enquanto ambos káons e mésons-D são formados por dois quarks (mais especificamente um quark e um antiquark): no caso do méson-D, um dos quarks sempre é um quark charm, enquanto no caso de um káon um dos quarks sempre é um quark strange.

“Estávamos completamente no escuro em relação à interação do méson-D. Agora, como o méson-D só difere do káon porque troca o [quark] estranho pelo charme, pensamos o seguinte: ‘essa interação entre káons e prótons já tem dados experimentais.’ Então retomamos a interação com káons. Tinha certas predições que não haviam sido feitas ainda, então nós as fizemos. E agora a Colaboração ALICE mediu essa interação e comparou com os modelos que existem na literatura – e o nosso passou bem no meio dos dados experimentais! Ficamos muito felizes quando vimos isso porque é raro acertar na mosca assim.” Embora o modelo atualizado pelo Prof. Krein e seus colaboradores não fosse o produto principal de seu trabalho na época, mostrou-se indispensável para o avanço científico em um experimento realizado quase uma década depois. “Agora estamos esperando que algum dia alguém meça a interação do méson-D com o próton também.”

Existe uma série de dificuldades técnicas envolvidas no processo para realizar medidas de alta precisão como as que permitiram a confirmação desse modelo. Para se medir a probabilidade de um káon interagir com um próton, primeiro é preciso criar um káon a partir da colisão entre dois prótons, por exemplo, e então fazer esse káon colidir com um outro próton.  “[Dentro de um acelerador] você pode construir um feixe de prótons. Você tem prótons em abundância [na natureza], ele não decai e vive por muito tempo. Agora, káons não. Eles vivem por muito pouco tempo, decaem muito rápido. São todos experimentos indiretos.” O tempo de vida médio de um káon é de 0,00000001 segundos. “Esse é o grande desafio: você ter toda essa eletrônica, essa criogenia e esses aceleradores para medir isso.”

Todo o investimento técnico direcionado aos estudos dessas interações entre partículas não apenas contribui para complementar o nosso conhecimento do Modelo Padrão de física de Partículas – através do entendimento de como as partículas do núcleo atômico se ligam e interagem entre si – mas também produz diversos subprodutos de utilidade para outras áreas da ciência, como é o caso para a astrofísica: estudos como esses possuem um papel a desempenhar em pesquisas sobre estrelas de nêutrons, objetos astronômicos tão densos que estima-se que seu interior seja um ambiente propício para a ocorrência natural do plasma de quark-glúons e de partículas como káons.

O trabalho realizado pelo Prof. Krein e seus colaboradores, intitulado “DN interaction from meson exchange” publicado em 2011 no The European Physical Journal é em si próprio um exemplo de pesquisa que cria subprodutos intelectuais ou tecnológicos – como é, em geral, o costume da ciência. “Junto com isso tem todo um desenvolvimento tecnológico que tem ramificações para outras áreas, principalmente para a medicina, agricultura e ciências materiais. Essa é a grande coisa que passa despercebida com esses grandes projetos.”, conta o cientista.

Assim como o Prof. Krein, obrigado a lecionar suas aulas remotamente e a continuar seu trabalho como pesquisador longe do Instituto de Física Teórica da UNESP por conta da pandemia, o CERN, que é a Organização Européia para Pesquisa Nuclear que abriga o LHC e os pesquisadores da Colaboração ALICE, entre outros grupos, também encontra-se operando em modo remoto. Desde o dia 20 de março, atividades presenciais foram reduzidas apenas àquelas essenciais para a segurança e cuidado do local e dos equipamentos. “Eu estou aqui escondido e meus alunos na casa deles. Então tem um impacto direto no desenvolvimento do trabalho.”, diz o professor. “Apesar de estarmos nos falando todos os dias, não é a mesma coisa (…) No meu caso, em particular, eu estou sentindo isso agora, e meus alunos também estão sentindo. [Para eles] é a dissertação de mestrado, a tese de doutorado: esse é o primeiro impacto. Aí tem o impacto maior, que é o impacto nos laboratórios (…) Do ponto de vista do pessoal que opera o CERN, eles também estão sendo prejudicados.” Apesar disso, o professor preserva o otimismo de que a ciência levantará mais forte após essa crise. “Talvez a pessoa comum veja o quanto a ciência é importante (…) Quem é que faz a vacina? É um trabalho científico: são os médicos, os biólogos, os químicos. É a ciência que vai trazer essa vacina. Então chama a atenção do público que não pensa muito sobre ciência no seu dia a dia ou não enxerga a importância desse trabalho.”

Gastao Krein é um dos convidados do primeiro dia do Pint of Science. Ele falará sobre “A flecha do tempo: por que envelhecemos e nunca rejuvenescemos?”, em uma apresentação descontraída no Tubaína Bar.

O físico acabou escolhendo essa carreira inspirado por livros, principalmente sobre gravitação, enquanto estava no Ensino Médio.

Filho de pai ferreiro e mãe dona de casa, Gastao foi sempre incentivado a fazer o que gostasse para conseguir encontrar um rumo e “não se perder na vida”. Desde pequeno o cientista sempre teve muita facilidade com matemática, mas foi no ensino médio que ele realmente decidiu ser físico.

Antes disso, entretanto, o pesquisador colocou como sonho ser jogador de futebol chegando a treinar no Internacional de Porto Alegre, apesar de ser gremista. Com divertimento, ele lembra de um dia estar saindo do vestiário enquanto outra turma voltava do campo, “entrou um cara super franzino, cabeça vermelha, todo suado e fraquinho. Eu pensei, ‘se a competição for com esse aí eu acho que vou conseguir ser jogador’. Depois fiquei sabendo que aquele menino era o Paulo Roberto Falcão, um dos maiores jogadores que já apareceu”.

Tendo que deixar a ideia de se tornar jogador de futebol de lado, o gosto pela física surgiu no final do primeiro ano quando, incentivado por um professor, começou a frequentar a biblioteca da escola para ler os livros da coleção PSSC (Physical Science Study Committee) elaborado no MIT, principalmente a parte sobre gravitação, “eu nunca tinha pensado que a mesma força que puxa os objetos para o chão é a mesma que atua entre o Sol e a Terra. Aquilo foi meio marcante, então eu comecei a ler mais e mais e mais”. Assim, no fim do ensino médio, o cientista prestou vestibular diretamente para física.

“Na época eu trabalhava na Varig, então eu pensei em engenharia também, mas depois de ter mais contato com a física decidi que era aquilo que queria. Quando entrei no curso eu tinha a ideia de que conseguiria fazer as disciplinas e continuar trabalhando, mas um professor me convenceu que eu não teria futuro nenhum se eu levasse o curso à meia-boca, então decidi largar o emprego”, relata.

Já em meados de sua graduação o cientista conseguiu uma bolsa de iniciação científica com um professor de física nuclear, o que terminou por definir á área na física na qual ele queria se especializar: física nuclear na interface com a física de partículas. Durante sua tese, entretanto, enfrentou uma grande dificuldade, ele estava de frente com um problema que não tinha uma solução simples. “Eu tive que fazer toda a garimpagem da literatura para a minha tese e achar a forma de resolver por conta própria, então teve momentos de desânimos. Mas acabou tudo bem, achei a forma de resolver e consegui publicar dois artigos”, comenta.

Sua tese, e sua área de pesquisa, estão voltadas para a física nuclear moderna, que olha para dentro do próton e do nêutron. Assim, o objetivo maior não era entender o núcleo, ele era apenas um “laboratório” usado para entender o que eram o próton e o nêutron “e isso vai até hoje”, brinca.

Entre seus momentos marcantes Gastao lembra do primeiro artigo publicado e da bolsa que conseguiu, ao fim do doutorado, para ir aos Estados Unidos realizar o pós-doutorado. Segundo Gastao, esse foi um dos melhores lugares para sua área e lhe deu a possibilidade de publicar 13 artigos em dois anos, concedendo-lhe uma experiência profissional e pessoal muito marcante. Ao fim dessa etapa voltou para a Universidade de Santa Maria, onde era Professor Titular e dava aulas na graduação e, logo em seguida, veio um novo salto em sua carreira ao conseguir aprovação num concurso para trabalhar no IFT – UNESP, onde está até hoje.

Gastao Krein é um dos convidados da próxima edição do Papos de Física, dentro da programação do Pint of Science, e irá falar sobre “A flecha do tempo: por que envelhecemos e nunca rejuvenescemos?”. Sua apresentação será no primeiro dia, 14 de maio, segunda-feira, no Tubaína Bar (R. Haddock Lobo, 74 – Cerqueira César) às 19:30. No mesmo dia o físico Alberto Saa fará a palestra “O conceito de infinito na física e matemática”. Para a programação completa e mais informações acesse Papos de Física  e Pint of Science – São Paulo.