O méson pi

Em 1947 não havia laboratório no Chacaltaya. Havia uma casa do Clube Andino, uma estação meteorológica de cinco anos e uma estrada de terra. Bastou. As chapas fotográficas que um físico brasileiro de 22 anos deixou ali durante algumas semanas continham a prova que a física procurava havia doze anos: a partícula que Hideki Yukawa havia imaginado em 1935 para explicar por que o núcleo atômico não se desfaz. A montanha deu a evidência cinco anos antes de o Laboratório existir. É por isso que o Laboratório existe.

O problema a resolver

Em 1935 o físico japonês Hideki Yukawa propôs que a força que mantém prótons e nêutrons unidos no núcleo deveria ser mediada por uma partícula intermediária, com massa entre a do elétron e a do próton. Era uma previsão teórica sem nenhum objeto observado por trás.

Em 1937 Carl Anderson e Seth Neddermeyer, e separadamente Jabez Street e Edward Stevenson, encontraram na radiação cósmica partículas exatamente com essa massa intermediária — cerca de 200 vezes a do elétron. Durante quase uma década deu-se como certo que eram a partícula de Yukawa.

Não eram. Em 1946 o experimento de Marcello Conversi, Ettore Pancini e Oreste Piccioni, em Roma, mostrou que aquela partícula penetrante quase não interagia com os núcleos: não podia ser a mediadora da força nuclear forte. A física ficou diante de uma contradição aberta. Ou Yukawa estava errado, ou existiam duas partículas distintas de massa parecida e só uma havia sido vista: a que não importava.

É essa a pergunta que chega ao Chacaltaya.

Bristol: uma emulsão nova e uma técnica esquecida

No H. H. Wills Physical Laboratory da Universidade de Bristol, Cecil Frank Powell vinha havia anos aperfeiçoando um método que a maioria de seus colegas considerava antiquado: registrar as trajetórias das partículas diretamente em emulsões fotográficas, chapas de gelatina carregadas de haleto de prata que, uma vez reveladas, mostram a passagem de uma partícula como uma fileira de grãos negros observável ao microscópio.

A técnica tinha uma vantagem decisiva sobre a câmara de nuvens: a emulsão registra o tempo todo, sem disparo, sem eletricidade e sem operador. Uma chapa pode ficar semanas numa montanha sem ninguém a vigiá-la. E tinha uma desvantagem: eram necessárias emulsões muito mais sensíveis e espessas que as comerciais. Em 1946 a casa britânica Ilford as produziu a pedido do grupo — as chapas «Nuclear Research», mais tarde sensibilizadas com boro.

Nesse mesmo ano chegou a Bristol Giuseppe Occhialini, físico italiano que havia trabalhado em São Paulo, e depois dele seu antigo aluno brasileiro César Lattes (1924–2005), de 22 anos. Lattes estivera na Universidade de São Paulo trabalhando com uma câmara de nuvens junto de Ugo Camerini e Andrea Wataghin; a troca de fotografias com Occhialini — ele enviava imagens da sua câmara, Occhialini devolvia fotomicrografias de traços obtidos nas novas emulsões da Ilford — convenceu-o de que o futuro estava nas chapas, e pediu para integrar o grupo.

E há uma terceira figura que os relatos costumam omitir: a varredura ao microscópio, chapa por chapa e campo por campo, era feita pelas microscopistas contratadas pelo laboratório. Marietta Kurz foi quem encontrou, nas chapas do Pic du Midi, o primeiro evento em que um méson para e, do seu ponto de parada, nasce a partícula produto do decaimento do méson.

Pic du Midi: o indício

Em 1946 Occhialini expôs as primeiras chapas novas no observatório do Pic du Midi de Bigorre, nos Pirineus franceses, a cerca de 2.900 metros, durante aproximadamente seis semanas. Ao revelá-las e varrê-las apareceram dois eventos do tipo procurado: um traço que para e, a partir desse mesmo ponto, arranca outro traço de um segundo méson que percorre algumas centenas de mícrons antes de parar por sua vez.

Dois eventos são um indício, não uma prova. Com dois casos não se pode medir uma relação de massas nem descartar uma coincidência. O resultado foi publicado na Nature em 24 de maio de 1947 — Lattes, Muirhead, Occhialini e Powell, «Processes involving charged mesons» — e deixou o grupo com uma necessidade muito concreta: mais altitude e mais tempo de exposição.

O fluxo de radiação cósmica cresce rapidamente com a altitude. Era preciso subir.

Como a montanha foi encontrada

Lattes foi ao Departamento de Geografia da Universidade de Bristol procurar, em mapas e anuários, estações habitadas em grande altitude. Ali encontrou a referência de uma estação meteorológica nos Andes bolivianos, a cerca de 5.200 metros, fundada em 1942 pelo meteorologista espanhol Ismael Escobar Vallejo, refugiado da Guerra Civil Espanhola: o Chacaltaya.

É provável, além disso, que a pista lhe tenha chegado reforçada por dois meteorologistas espanhóis também exilados e bem relacionados com a física britânica — Mariano Doporto, diretor do Serviço Meteorológico da Irlanda, e Antonio Duperier, colaborador de Patrick Blackett em Londres —, que conheciam tanto a montanha quanto Escobar.

As vantagens do sítio eram extraordinárias, e continuam sendo:

• Altitude. A 5.200 m fica acima de aproximadamente metade da massa atmosférica; o fluxo de partículas do chuveiro cósmico é muitíssimo maior do que a 2.900 m.
• Latitude. Está praticamente sobre o equador geomagnético, onde a rigidez de corte é máxima: uma condição única para comparar resultados com estações do hemisfério norte.
• Acessibilidade. Fica a cerca de 30 km de La Paz, com estrada e uma casa já construída — a do Clube Andino Boliviano, erguida por volta de 1940 como refúgio de esqui — e uma estação meteorológica em funcionamento. Nenhuma outra montanha dessa altura no mundo oferecia essa combinação.

A proposta de Lattes a Powell e Occhialini foi direta: levar ele mesmo um lote de chapas tratadas com boro e expô-las no Chacaltaya durante um mês.

A viagem

Lattes saiu de Bristol com as chapas e, em suas próprias palavras, «um maço de notas de uma libra» que mal dava para chegar ao Rio de Janeiro e voltar. Viajou aproveitando as férias e praticamente com recursos próprios; o governo britânico cobriu parte da missão.

Um detalhe que ele mesmo sempre contou: escolheu voar num avião brasileiro em vez do britânico previsto. O avião britânico caiu em Dacar e morreram todos os seus passageiros.

Em La Paz revelou uma chapa para conferir o procedimento. A água disponível não era adequada e a emulsão saiu manchada. Ainda assim, nessa única chapa defeituosa já apareceu um méson duplo completo, com um alcance do secundário de cerca de 600 mícrons. O resto das emulsões voltou a Bristol sem revelar.

Citação sugerida para o sítio: «Eu poderia me encarregar de expor chapas tratadas com boro no monte Chacaltaya durante um mês.»

César Lattes, relato próprio da descoberta.

O resultado

Reveladas e varridas em Bristol, as chapas do Chacaltaya — de cerca de 100 µm de espessura, expostas por volta de quarenta dias — entregaram umas trinta trajetórias de mésons duplos. Com essa colheita já era possível fazer física de verdade.

O método foi a contagem de grãos: numa emulsão, a densidade de grãos revelados ao longo de um traço depende da ionização e, portanto, da massa e da velocidade da partícula. Contando repetidamente os grãos sobre o primário e sobre o secundário nos traços mais longos e mais bem definidos, o grupo estabeleceu que a partícula primária era mais pesada que a secundária, com uma relação de massas em torno de m₁/m₂ ≈ 2 (valores de 2,0 e 1,8 nos dois melhores eventos; limite inferior firme em 1,5).

A conclusão foi inequívoca. Não era uma partícula: eram duas.

• A primária, mais pesada, interage fortemente com os núcleos e se desintegra: é a partícula prevista por Yukawa. Foi chamada méson π (píon).
• A secundária, mais leve e penetrante, é a que Anderson e Neddermeyer haviam observado em 1937: o méson μ (múon) — que, como se saberia depois, nem sequer é um méson, mas um lépton, primo pesado do elétron.

O processo observado é o decaimento π → μ + ν. A contradição de Conversi–Pancini–Piccioni ficava resolvida: Yukawa tinha razão, e o que se vinha observando havia uma década era o produto de decaimento da sua partícula, não a sua partícula.

Outubro de 1947

O resultado foi publicado na Nature, em duas entregas consecutivas, com a assinatura de C. M. G. Lattes, G. P. S. Occhialini e C. F. Powell:

«Observations on the Tracks of Slow Mesons in Photographic Emulsions» Nature 160, 453–456 (4 de outubro de 1947) e 486–492 (11 de outubro de 1947).

O artigo declara «quarenta exemplos do processo que conduz à produção de mésons secundários» e situa expressamente a origem do material: chapas expostas nos Andes bolivianos a 5.500 metros de altitude.

Essa linha é o documento fundacional da montanha. Em outubro de 1947 a palavra «Chacaltaya» entra na literatura científica mundial.

Nota de precisão para o dossiê. O artigo da Nature registra 5.500 m; a altitude real das instalações é de 5.200 m e a do cume, 5.600 m. A discrepância é comum na literatura da época e convém explicá-la no sítio em vez de corrigi-la em silêncio.

O que veio depois

A descoberta não fechou uma história: abriu quatro.

Berkeley, 1948. No início de 1948 Lattes chegou ao Laboratório de Radiação da Universidade da Califórnia, dirigido por Ernest Lawrence, onde o sincrociclótron de 184 polegadas funcionava havia mais de um ano sem que ninguém tivesse conseguido detectar os mésons que a máquina fora construída para produzir. Dez dias depois de sua chegada, Lattes reconheceu os traços de píons nas emulsões: a máquina os produzia desde o primeiro dia, só que ninguém sabia identificá-los. Eugene Gardner e Lattes publicaram o resultado na Science em 12 de março de 1948. Foram os primeiros píons produzidos artificialmente pelo ser humano, e a evidência de que Lawrence precisava para conseguir o financiamento do Bévatron. O que a montanha havia encontrado, a máquina pôde então fabricar: é o momento exato em que a física de partículas começa a mudar-se dos raios cósmicos para os aceleradores.

Estocolmo, 1949 e 1950. Hideki Yukawa recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1949 «pela sua previsão da existência de mésons com base no trabalho teórico sobre as forças nucleares». Cecil Powell recebeu-o em 1950 «pelo seu desenvolvimento do método fotográfico de estudo dos processos nucleares e pelas suas descobertas sobre os mésons realizadas com esse método». Ambas as citações descrevem, sem nomeá-lo, um resultado obtido com chapas expostas no Chacaltaya. Pesquisas históricas recentes documentam ainda sete indicações ao Nobel para o próprio Lattes entre 1949 e 1954.

Rio de Janeiro, janeiro de 1949. O prestígio do achado foi usado no Brasil como argumento para criar um organismo dedicado exclusivamente à pesquisa em física: nasce o Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), instituição privada fundada fora da universidade, com Lattes como diretor científico aos 24 anos. Dois anos depois cria-se o CNPq (1951). É uma cadeia causal pouco frequente na história da ciência: uma evidência obtida numa montanha boliviana fundou duas instituições matrizes da ciência brasileira.

Chacaltaya, 1952. Ao voltar dos Estados Unidos, Lattes dedicou-se a construir um laboratório permanente em altitude. A escolha era óbvia. Com o apoio financeiro da UNESCO e do recém-criado CNPq trouxe ao Brasil Occhialini e Camerini, e em 1952 assinou-se o acordo com a Universidad Mayor de San Andrés que deu origem ao Laboratório de Física Cósmica de Chacaltaya — que, ao longo da década de 1950, funcionou como um departamento do CBPF, com Escobar nomeado professor titular do Centro. Em paralelo, a UMSA tramitava desde 1949 o anteprojeto de Escobar, e em 9 de janeiro de 1952 o Decreto Supremo 02921 declarou de necessidade e utilidade pública a construção do observatório.

O sítio da descoberta tornou-se instituição.

Cronologia do marco

⚠ Ponto de datação em aberto. Carlos Aguirre Bastos situa a viagem de Lattes em 1946; Vieira e Videira, no primeiro semestre de 1947; o próprio Lattes data de 1946 o momento em que propõe a expedição. A sequência interna — chapas do Pic du Midi publicadas em maio de 1947, resultados do Chacaltaya publicados em outubro de 1947 — é compatível com uma exposição realizada entre o final de 1946 e o primeiro semestre de 1947. Para o dossiê perante a UNESCO convém resolver este ponto com documentação primária (passaportes, correspondência Bristol–La Paz, registros do Clube Andino Boliviano, imprensa paceña de 1946–1947, arquivo do Serviço Meteorológico).

Pessoas deste marco

• César Lattes (Curitiba 1924 – Campinas 2005). Físico brasileiro. Expôs as chapas no Chacaltaya e mediu a relação de massas. Descobridor dos píons artificiais em Berkeley. Primeiro diretor científico do CBPF aos 24 anos. Impulsionador do Laboratório e da Colaboração Brasil–Japão.
• Cecil Frank Powell (1903–1969). Diretor do grupo de Bristol. Prêmio Nobel de Física de 1950 pelo desenvolvimento do método fotográfico.
• Giuseppe «Beppo» Occhialini (1907–1993). Físico italiano, professor de Lattes em São Paulo. Codescobridor do píon. Expôs as chapas do Pic du Midi.
• Hideki Yukawa (1907–1981). Previu a partícula em 1935. Nobel de 1949. Em 1959 escreveria a Lattes a carta que trouxe a física japonesa ao Chacaltaya.
• Ismael Escobar Vallejo (1918–2009). Professor primário e meteorologista espanhol exilado. Fundou a estação do Chacaltaya em 1942 e seria o primeiro diretor do Laboratório.
• Marietta Kurz. Microscopista do laboratório de Bristol. Identificou o primeiro evento de méson duplo nas chapas do Pic du Midi.
• Eugene Gardner (1913–1950). Chefe da Divisão de Emulsões Nucleares de Berkeley; coautor da descoberta dos píons artificiais.

Glossário (bloco recolhível na página)

• Raio cósmico. Núcleo atômico de altíssima energia procedente do espaço. Ao chocar-se com a atmosfera gera uma cascata de partículas secundárias.
• Emulsão nuclear. Chapa fotográfica de gelatina com haleto de prata, muito sensível e espessa, na qual a passagem de uma partícula carregada fica registrada, após a revelação, como uma fileira de grãos visíveis ao microscópio.
• Méson. Partícula de massa intermediária entre o elétron e o próton. O píon é um; o múon, apesar do nome histórico, não.
• Píon (méson π). Partícula mediadora da força nuclear forte, prevista por Yukawa em 1935 e estabelecida experimentalmente em 1947.
• Múon (méson μ). Lépton pesado, produto do decaimento do píon. É a componente penetrante que chega ao solo.
• Contagem de grãos. Técnica de medida: contar os grãos revelados por unidade de comprimento ao longo de um traço permite estimar a massa da partícula.
• Rigidez de corte geomagnética. Energia mínima de que uma partícula carregada necessita para atravessar o campo magnético terrestre num dado ponto. É máxima no equador geomagnético, onde está o Chacaltaya.

Argumento para a candidatura perante a UNESCO

Forma breve (para a página):

Forma desenvolvida (para o dossiê):

1. Precedência e suficiência da evidência. Os artigos da Nature 160 (4 e 11 de outubro de 1947) identificam expressamente o material analisado como chapas expostas nos Andes bolivianos a grande altitude, e é essa amostra — e não a do Pic du Midi — que permite a medição da relação de massas e, com ela, a conclusão de que existem dois mésons distintos.
2. Consequência institucional transnacional. Do prestígio desse resultado surgem o CBPF (janeiro de 1949) e, na sua esteira, o CNPq (1951) no Brasil, e o Laboratório de Física Cósmica (1952) na Bolívia. É um caso pouco comum de um sítio geográfico que dá origem a instituições científicas nacionais em dois países. Fundamenta um dossiê conjunto Bolívia–Brasil.
3. Continuidade do uso científico. O sítio da descoberta não é uma ruína comemorativa: segue operando em 2026, com a estação GAW/CHC da OMM e o experimento ALPACA/ALPAQUITA. A integridade e a autenticidade do bem sustentam-se sobre oitenta anos de uso ininterrupto.

Fontes

1. C. M. G. Lattes, G. P. S. Occhialini e C. F. Powell, «Observations on the Tracks of Slow Mesons in Photographic Emulsions», Nature 160, 453–456 (4 de outubro de 1947) e 486–492 (11 de outubro de 1947). DOI: 10.1038/160453a0
2. C. M. G. Lattes, H. Muirhead, G. P. S. Occhialini e C. F. Powell, «Processes Involving Charged Mesons», Nature 159, 694–697 (24 de maio de 1947). DOI: 10.1038/159694a0
3. E. Gardner e C. M. G. Lattes, Science 109, 270 (1948).
4. Carlos Aguirre Bastos, Medio siglo de ciencia en Bolivia. El Laboratorio de Física Cósmica de Chacaltaya de la Universidad Mayor de San Andrés, Fundación Universitaria Simón I. Patiño, La Paz, maio de 1996, cap. III.
5. Cássio Leite Vieira (CBPF) e Antonio Augusto Passos Videira (UERJ), «Chacaltaya: um laboratório nas nuvens», em História da Física (2019), pp. 129–141. Versão anterior na Scientific American Brasil, janeiro de 2015.
6. Luca Gariboldi, «Lattes' contribution to the discovery of the π meson in Bristol», SISFA.
7. Relato autobiográfico de César Lattes sobre a descoberta, Grupo de História da Ciência e Ensino, USP.
8. A. Marques de Oliveira, «25 Anos da Descoberta do Meson pi», CBPF, Ciência e Sociedade 12, Rio de Janeiro, 1973.
9. Fundação Nobel, citações dos Prêmios de Física de 1949 (Yukawa) e 1950 (Powell).