Uma nova Física da colisão de partículas?
Blogagem do colaborador Heraldo Henrique da "Eu estudo Astronomia" e Scientia est Potentia no Facebook, com edições e complementos meus.
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O chamado Modelo Padrão das partículas elementares e interações fundamentais (MP) constitui uma das mais confiáveis teorias da Física. Em especial, até a escala de energia de algumas centenas de GeV (escala da força eletrofraca) esta teoria está em excelente acordo com um grande número dos resultados experimentais.
É um teoria da mecânica quântica que explica a dinâmica do nosso universo através da matéria e das forças, incorporando três forças fundamentais: a força nuclear fraca, a força nuclear forte e a força eletromagnética, e inclui diferentes tipos de partículas. Principalmente, o MP afirma que todos os entes do mundo (da natureza) são composto por campos fermiônicos interagindo entre si por meio de campos vetoriais.
As Simetrias
Um papel importante na Física sempre foi desempenhado pelas simetrias. [Nota 1] A criação do MP não foi uma exceção´, sendo ele uma teoria baseada em uma simetria local. O celebrado Teorema de Noether assegura que qualquer simetria diferenciável - aqui acrescentaria o termo “suave” - de um sistema físico leva a uma correspondente lei de conservação.
Um exemplo é a Teoria Eletrodinâmica Quântica (abreviada seguidamente na literatura e divulgação como QED, de Quantum electrodynamics), que foi desenvolvida em 1948 pelos físicos norte-americanos Richard Phillips Feynman (1918-1988) e Julian Schwinger (1918-1994) e pelo físico japonês Sin Itiro Tomonaga (1906-1979). Ela consiste numa teoria da Física que descreve a interação das partículas subatômicas carregadas com os campos elétrico e magnético. Possui a característica de combinar-se com a Teoria da Relatividade, considerando que as partículas carregadas interagem com os fótons, permitindo o cálculo da probabilidade dos eventos a estas partículas relacionados.
Est teoria apresenta notável precisão em suas previsões. Historicamente tem sido usada para calcular o valor de algumas grandezas físicas com precisão de até dez casas decimais, algo semelhante a calcular uma distância da ordem de 5000 quilômetros com um erro da espessura de um cabelo.
Est teoria apresenta notável precisão em suas previsões. Historicamente tem sido usada para calcular o valor de algumas grandezas físicas com precisão de até dez casas decimais, algo semelhante a calcular uma distância da ordem de 5000 quilômetros com um erro da espessura de um cabelo.
Algumas lacunas
Embora o modelo padrão tenha tido um grande sucesso em explicar os resultados experimentais e prevê-los, nunca foi aceito como uma teoria completa da Física fundamental, por ter dois grandes defeitos, sendo que desde sua conclusão como modelo físico-matemático, muitos esforços foram feitos dirigidos a tais problemas.
O primeiro é que contém 19 parâmetros livres, tais como as massas da partícula, que devem ser determinadas experimentalmente (mais uns outros 10 para massas do neutrino). Estes parâmetros não podem ser calculados independentemente.
E infelizmente, não trata daquela força que faz massa atrair massa...
Gravidade, a força fugidia de descrição pelo MP e tentativas de unificação
Uma tentativa de resolver o primeiro defeito é conhecida como teorias de grande unificação. As teorias de grande unificação às vezes chamadas de GUTs (de Grand Unified Theory) especulam que os grupos SU(3), SU(2) e U(1) de partículas são subgrupos de um único grupo da simetria maior. Em altas energias (além do alcance das experiências atuais), a simetria do grupo unificador é preservada. Em energias baixas, reduz-se a SU(3)×SU(2)×U(1) por um processo conhecido como quebra espontânea de simetria.
A primeira teoria deste tipo foi proposta em 1974 por Howard Georgi e por Sheldon Lee Glashow, usando SU(5) como o grupo unificador. Uma característica importante desta GUT é que, ao contrário do modelo padrão, o modelo de Georgi-Glashow prediz a existência do decaimento do próton.
Em 1999, o observatório de neutrinos Super-Kamiokande relatou que não tinha detectado o decaimento do próton, estabelecendo um limite mais baixo na meia-vida do próton de 6.7 × 10^32 anos. Isto e outras experiências descartaram numerosas GUTs, includindo o SU(5).
A primeira teoria deste tipo foi proposta em 1974 por Howard Georgi e por Sheldon Lee Glashow, usando SU(5) como o grupo unificador. Uma característica importante desta GUT é que, ao contrário do modelo padrão, o modelo de Georgi-Glashow prediz a existência do decaimento do próton.
Em 1999, o observatório de neutrinos Super-Kamiokande relatou que não tinha detectado o decaimento do próton, estabelecendo um limite mais baixo na meia-vida do próton de 6.7 × 10^32 anos. Isto e outras experiências descartaram numerosas GUTs, includindo o SU(5).
Além disso, há algumas razões cosmológicas pelas quais acredita-se que o Modelo Padrão seja incompleto. Dentro dele, a matéria e o antimatéria são simétricas. A preponderância da matéria no universo poderia ser explicada dizendo-se que o universo evoluiu sem ser por este caminho, mas a maioria dos físicos acham essa explicação “não elegante”. Além disso, o modelo padrão não fornece nenhum mecanismo para gerar a inflação cósmica que acredita-se ter ocorrido nos primeiros momentos do universo [Nota 2], uma consequência de sua omissão da gravidade.
O bóson de Higgs, que é predito pelo modelo padrão, não havia sido observado até 2005, embora alguns fenômenos suspeitos tenham sido observados nos últimos dias do colisor LEP (Large Electron-Positron, Grande Colisor de Elétrons e Pósitrons) que poderiam estar relacionados ao bóson de Higgs. Disto advém uma das razões para ter se construído o LHC (Large Hadron Collider, Grande Colisor de Hádrons) que é o aumento da energia na qual esperava-se fazer o bóson de Higgs observável.
Desvios do modelo e consequentes correções
O primeiro desvio experimental do modelo padrão veio em 1998, quando os resultados publicados pelo Super-Kamiokande indicaram a oscilação dos neutrinos.
Disto implicou a existência de massas não-nulas dos neutrinos dado que partículas sem massa viajam na velocidade da luz e assim não experimentam a passagem do tempo. O modelo padrão não acomodou neutrinos massivos, porque supôs a existência somente dos neutrinos "canhotos", que têm o spin alinhado no sentido anti-horário em relação ao seu eixo de movimento.Observação: O artigo sobre spin da Wikipédia em português encontra-se até agora útil apenas para uma noção extremamente superficial do que seja o spin. Recomendamos para uma noção mais segura a aula: Particulas - a dança da materia e dos campos - plato.if.usp.br , em nossos arquivos: docs.google.com
Se os neutrinos tiverem massas não-nulas, então eles viajam necessariamente mais lentamente do que a velocidade da luz. Consequentemente, seria possível "alcançar" um neutrino, escolhendo um sistema da referência em que o seu sentido do movimento é invertido sem afetar seu spin (que os faz “destros”). Desde então, os físicos revisam o Modelo Padrão para permitir que os neutrinos tenham massa, o que faz aumentar os parâmetros livres adicionais além dos 19 iniciais.
Extensões
Uma extensão do modelo padrão pode ser encontrada na teoria da supersimetria que propõe um "parceiro" supersimétrico massivo para cada partícula no modelo padrão convencional.
A nova geração de aceleradores de partículas como o LHC (Grande Colisor de Hádrons) está oferecendo indícios de que uma nova Física e novas partículas exóticas esperam para ser descobertas.
Em uma entrevista coletiva concedida em 14 de abril passado, na reunião da Sociedade Americana de Física, em Denver, três participantes explicaram que os físicos estão em busca de novas espécies de partículas, incluindo uma estrutura nunca vista antes, e a confirmação de que um modelo chamado supersimetria pode ser verídico.
A nova estrutura, atualmente chamada de Y (4140), foi descoberta em dados experimentais do Fermilab e no LHC.
“Nós não sabemos o que é”, disse Kai Yi, físico da Universidade de Iowa. Poderia ser algum tipo de nova combinação exótica de quarks, ou algo completamente diferente.
Yi disse que os atuais modelos das partículas chamadas quarks preveem sobre o que se deve encontrar em colisões em aceleradores de partículas. Considerando o fato de que os físicos não podem observar essas colisões diretamente (que acontecem a velocidades próximas da velocidade da luz), eles podem “ver” através de detectores de alta tecnologia a cascata de partículas resultantes, que diz aos observadores que tipos de partículas estavam presentes antes e durante a colisão. Neste caso, os cientistas viram algo que não se encaixava nas previsões do modelo.
Além do Modelo Padrão
Muitas teorias atuais da física, sob o Modelo Padrão, foram bem testadas. Mesmo assim, os físicos ainda têm um monte de perguntas sem respostas, nomeadamente sobre fenômenos como a matéria escura, bem como a forma de conectar as forças fundamentais da natureza, em que são conhecidos como Grandes Teorias Unificadas.
“Nós temos três gerações de partículas elementares”, disse Sung-Won Lee, professor assistente de Física na Texas Tech University. “Estamos olhando para os sinais de uma nova física… para desentendimentos com as previsões do Modelo Padrão”.
Yi disse que a nova estrutura pode ser uma evidência de que os quarks se juntam de maneiras inesperadas. Analisando os dados do LHC e de seu antecessor, o Tevatron do Fermilab, Y (4140) pode ser um conjunto de quarks que se uniram de uma maneira que eles normalmente não fazem.
Os quarks são os blocos básicos de construção da matéria. Eles vêm em seis “sabores” – up, down, strange, charm, bottom e top. Eles também têm “carga de cor”, que não tem nada a ver com cor, mas é uma maneira de descrever uma qualidade matemática dos quarks.
Um próton é formado por três quarks, dois up e um down, enquanto um nêutron é formado de dois down e um up. Prótons e nêutrons são bárions. Quarks também pode se vincular com antiquarks e formar uma outra classe de partículas chamadas mésons, que aparecem em aceleradores de partículas.
Matéria escura e supersimetria
O Modelo Padrão tem sido o sustentáculo de muito da Física ao longo de décadas, e tem sido muito bem sucedido – prevendo a existência do bóson de Higgs, por exemplo, que foi finalmente encontrado no ano passado por equipes de físicos que trabalham com o LHC.
No entanto existem ainda alguns problemas. Os astrofísicos, por exemplo, sabem que uma grande parte do universo é composta de uma coisa chamada matéria escura, uma substância invisível que só interage com a matéria através da gravidade. O Modelo Padrão não explica a natureza da matéria escura.
Outro mistério sem resposta é o chamado “problema de hierarquia”. A gravidade é 10 ^ 32 vezes mais fraca do que a força nuclear fraca, que rege os fenômenos como a radioatividade. O motivo desta desproporção não é ainda claro, e a resposta pode estar na teoria da supersimetria.
A supersimetria é uma teoria que diz que as partículas que compõem a matéria, chamadas de férmions, e aquelas que carregam forças, chamadas bósons, têm “superparceiras”. Essas superparceiras têm as mesmas propriedades quânticas, exceto uma, que descreve as suas “rotações” (note as aspas, spin).
Mas até agora ninguém encontrou os parceiros supersimétricos para as partículas elementares conhecidas – pelo menos ainda não. Os dados coletados do LHC nos últimos tempos podem dar alguma pista a respeito das partículas supersimétricas, o que poderá nos levar a uma nova Física?
Notas
1. Simetria no conceito mais geométrico, “puro”:
Simetrias - www.im.ufrj.br
No conceito mais físico, recomendamos a parte referente da Wikipédia em português e o bem didático Simetria e Física – Parte 1 - FÍSICA: CONCEITO E HISTÓRIA — POR JONAS FLORIANO GOMES DOS SANTOS .
Referências e leituras recomendadas
1. Jesse Emspak; Atom Smashers Find Something Not So Charm-ing - www.livescience.com
2. Tobias Golling; LHC searches for physics beyond the Standard Model with top quarks - arxiv.org
3. Priscila DE AQUINO; Beyond Standard Model Phenomenology at the LHC - http://itf.fys.kuleuven.be/hep/phd/PhDthesis_KUL_deAquino.pdf
4. Eduardo Gregores; O LHC: A Máquina de Descobertas - www.ufabc.edu.br
5. Jay M. Hubisz; Tools For the LHC: Beyond the Standard Model - theory.fnal.gov
6. Como a ‘morte’ de uma minúscula partícula pode acabar com o Universo? - nupesc.wordpress.com
7. Ciência está prestes a comprovar simetria entre matéria e antimatéria - veja.abril.com.br
8. The Large Hadron Collider and The Future of Physics - www.bibliotecapleyades.net
9. Mecânica Quântica - efisica.if.usp.br
10. Força nuclear forte e fraca - www.molwick.com
11. Supersimetria em tempos de LHC: fim anunciado? - coloquioscbpf.blogspot.com.br
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