OS DOIS CONSTITUINTES
O ramo da física que estuda os constituintes básicos
da matéria é a física de partículas elementares.
Nesse campo, há uma teoria chamada Modelo Padr
ão, que é compatível com todos os resultados experimentais
atualmente conhecidos. Segundo o Modelo
Padrão, a matéria tem dois tipos de constituintes:
os quarks e os léptons (figura 1). Vamos primeiramente
nos deter em algumas propriedades desses
dois constituintes.
Os quarks nunca são observados isoladamente,
mas se agregam para formar os hádrons, cujos representantes
mais conhecidos são o próton e o nêutron,
partículas encontradas nos núcleos atômicos. Por sua
vez, tanto prótons quanto nêutrons são formados cada
um por três quarks. Os quarks mais abundantes na
natureza são o up e o down. O próton é formado por dois
quarks um up e um down. Para o nêutron, a ordem se
inverte: há um só quark up e dois do tipo down.
O segundo constituinte da matéria são os léptons.
O mais conhecido entre os léptons é o elétron. Numa
imagem simplificada do átomo,
podemos dizer que ele é composto
de um núcleo, constituído de
prótons e nêutrons, cercado por
uma nuvem formada por elétrons.
O elétron também é a partícula
responsável pela ligação entre os
átomos e, conseqüentemente, pela
formação de moléculas. Está tamb
ém envolvido na corrente elétrica
que passa pelos fios elétricos.
Por fim, há um outro tipo de
lépton, o neutrino, que não possui
carga elétrica e é muito difícil de
ser observado .
da matéria é a física de partículas elementares.
Nesse campo, há uma teoria chamada Modelo Padr
ão, que é compatível com todos os resultados experimentais
atualmente conhecidos. Segundo o Modelo
Padrão, a matéria tem dois tipos de constituintes:
os quarks e os léptons (figura 1). Vamos primeiramente
nos deter em algumas propriedades desses
dois constituintes.
Os quarks nunca são observados isoladamente,
mas se agregam para formar os hádrons, cujos representantes
mais conhecidos são o próton e o nêutron,
partículas encontradas nos núcleos atômicos. Por sua
vez, tanto prótons quanto nêutrons são formados cada
um por três quarks. Os quarks mais abundantes na
natureza são o up e o down. O próton é formado por dois
quarks um up e um down. Para o nêutron, a ordem se
inverte: há um só quark up e dois do tipo down.
O segundo constituinte da matéria são os léptons.
O mais conhecido entre os léptons é o elétron. Numa
imagem simplificada do átomo,
podemos dizer que ele é composto
de um núcleo, constituído de
prótons e nêutrons, cercado por
uma nuvem formada por elétrons.
O elétron também é a partícula
responsável pela ligação entre os
átomos e, conseqüentemente, pela
formação de moléculas. Está tamb
ém envolvido na corrente elétrica
que passa pelos fios elétricos.
Por fim, há um outro tipo de
lépton, o neutrino, que não possui
carga elétrica e é muito difícil de
ser observado .
MASSA EM ENERGIA
Quarks up e down, elétrons e
neutrinos formam todos os corpos
que nos rodeiam. Segundo o Modelo
Padrão, essas quatro partículas
são classificadas como primeira
geração. A física de hoje conhece três gerações de
partículas. Esse número de gera-
ções está bem comprovado por
medidas experimentais feitas em
aceleradores de partículas como
o Laboratório Europeu de Partí-
culas Elementares (CERN).
É interessante salientar, no
entanto, que o Modelo Padrão não exige que haja
somente três gerações de quarks e léptons como as
três conhecidas. Nem mesmo o Modelo Padrão impede
a existência de um maior número de gerações. A
única restrição imposta pelo modelo é que cada
geração deve ter dois quarks e dois léptons (na primeira
geração, há o quark up e o down, o elétron e o
neutrino do elétron, os dois últimos sendo léptons.
Vale lembrar que o múon e o tau, ambos léptons,
têm também seus respectivos neutrinos .
neutrinos formam todos os corpos
que nos rodeiam. Segundo o Modelo
Padrão, essas quatro partículas
são classificadas como primeira
geração. A física de hoje conhece três gerações de
partículas. Esse número de gera-
ções está bem comprovado por
medidas experimentais feitas em
aceleradores de partículas como
o Laboratório Europeu de Partí-
culas Elementares (CERN).
É interessante salientar, no
entanto, que o Modelo Padrão não exige que haja
somente três gerações de quarks e léptons como as
três conhecidas. Nem mesmo o Modelo Padrão impede
a existência de um maior número de gerações. A
única restrição imposta pelo modelo é que cada
geração deve ter dois quarks e dois léptons (na primeira
geração, há o quark up e o down, o elétron e o
neutrino do elétron, os dois últimos sendo léptons.
Vale lembrar que o múon e o tau, ambos léptons,
têm também seus respectivos neutrinos .
O Modelo Padrão também prevê a existência de
antipartículas como os antiquarks e os antiléptons.
Uma antipartícula tem a mesma massa da partícula,
mas com carga elétrica oposta. Assim, o pósitron, de
antipartículas como os antiquarks e os antiléptons.
Uma antipartícula tem a mesma massa da partícula,
mas com carga elétrica oposta. Assim, o pósitron, de
carga positiva, é a antipartícula do elétron. Ambos
têm a mesma massa. Segundo o Modelo Padrão, toda
partícula tem sua antipartícula.
O encontro de uma partícula com sua antipartícula
causa a aniquilação do par. Assim, a massa de ambas
transforma-se em energia. Por exemplo, o que resta
do encontro de elétron com um pósitron é radiação.
Esse fenômeno é conhecido como aniquilação maté-
ria-antimatéria.
Assim como as partículas, as antipartículas tamb
ém são divididas em gerações. As antipartículas da
primeira geração são o antiquark up (ou antiup), o
antiquark down (antidown), o antielétron (ou
pósitron) e o antineutrino.
Da mesma forma que os quarks se agregam para
constituir os hádrons (prótons e nêutrons), os
antiquarks podem constituir anti-hádrons, já que o
Modelo Padrão prevê a existência de antinêutrons e
antiprótons. Estes dois últimos, ao se juntarem a
antielétrons, dariam origem a antiátomos. Uma demonstra
ção da viabilidade desse processo foi obtida
pelo experimento PS 210, realizado no CERN em
1995 quando foram criados átomos de anti-hidrogê-
nio. O anti-hidrogênio é formado por um pósitron e
um antipróton.
Anti-hádrons e antiléptons são produzidos tanto
em colisões feitas em aceleradores de partículas
quanto em chuveiros de partículas produzidos por
raios cósmicos, partículas que vêm do espaço e que
podem atingir altas energias e penetram a atmosfera
terrestre. Raios cósmicos ultra-energéticos, por
exemplo, podem chegar a ser cerca de 100 milhões
de vezes mais energéticos que as partículas geradas
em colisões nos aceleradores.
O único mecanismo conhecido de criação de partículas e antipartículas
têm a mesma massa. Segundo o Modelo Padrão, toda
partícula tem sua antipartícula.
O encontro de uma partícula com sua antipartícula
causa a aniquilação do par. Assim, a massa de ambas
transforma-se em energia. Por exemplo, o que resta
do encontro de elétron com um pósitron é radiação.
Esse fenômeno é conhecido como aniquilação maté-
ria-antimatéria.
Assim como as partículas, as antipartículas tamb
ém são divididas em gerações. As antipartículas da
primeira geração são o antiquark up (ou antiup), o
antiquark down (antidown), o antielétron (ou
pósitron) e o antineutrino.
Da mesma forma que os quarks se agregam para
constituir os hádrons (prótons e nêutrons), os
antiquarks podem constituir anti-hádrons, já que o
Modelo Padrão prevê a existência de antinêutrons e
antiprótons. Estes dois últimos, ao se juntarem a
antielétrons, dariam origem a antiátomos. Uma demonstra
ção da viabilidade desse processo foi obtida
pelo experimento PS 210, realizado no CERN em
1995 quando foram criados átomos de anti-hidrogê-
nio. O anti-hidrogênio é formado por um pósitron e
um antipróton.
Anti-hádrons e antiléptons são produzidos tanto
em colisões feitas em aceleradores de partículas
quanto em chuveiros de partículas produzidos por
raios cósmicos, partículas que vêm do espaço e que
podem atingir altas energias e penetram a atmosfera
terrestre. Raios cósmicos ultra-energéticos, por
exemplo, podem chegar a ser cerca de 100 milhões
de vezes mais energéticos que as partículas geradas
em colisões nos aceleradores.
O único mecanismo conhecido de criação de partículas e antipartículas
é a produção de pares, que é
o inverso do processo de aniquilação. No momento
da produção, uma certa quantidade de energia é
usada para criar simultaneamente uma partícula
e sua antipartícula.
A primeira antipartícula foi observada em 1933,
em um experimento com raios cósmicos, pelo físico
norte-americano Carl David Anderson (1905-1991),
descobridor do pósitron, a antipartícula do elétron.
o inverso do processo de aniquilação. No momento
da produção, uma certa quantidade de energia é
usada para criar simultaneamente uma partícula
e sua antipartícula.
A primeira antipartícula foi observada em 1933,
em um experimento com raios cósmicos, pelo físico
norte-americano Carl David Anderson (1905-1991),
descobridor do pósitron, a antipartícula do elétron.
AS TRÊS CONDIÇÕES
A teoria mais aceita para a criação do universo é a do
Big Bang. Segundo ela, tudo se iniciou em uma
grande explosão. Nos primeiros instantes, o universo
não era constituído por matéria, mas sim por energia
sob forma de radiação. O universo então passou a se
expandir e, conseqüentemente, a se resfriar. Pares de
partícula-antipartícula eram criados e aniquilados
em grande quantidade.
Com a queda de temperatura, a matéria e a antimat
éria, criadas em quantidades iguais, poderiam
começar a formar, respectivamente, hádrons e antih
ádrons. Atualmente, porém, parece que vivemos
em um universo onde só há matéria. O que aconteceu,
então, à antimatéria que teria sido criada em associa
ção a essa matéria?
Na realidade, já é estranho que o universo exista,
pois, quando a matéria e a antimatéria se encontram,
o processo de aniquilação ocorre, restando só energia
como produto. Seria altamente provável, portanto,
que logo após terem sido criadas no Big Bang, partí-
culas e antipartículas se aniquilassem, impedindo
que corpos mais complexos como hádrons, átomos,
moléculas, minerais, estrelas, planetas e seres vivos
pudessem se formar.
Acredita-se que esse processo de criação e aniquila
ção realmente ocorreu para quase toda a matéria
criada no início da expansão do universo, mas o
simples fato de existirmos indica que, ao menos, uma
pequena fração de matéria escapou a esse extermínio
precoce.
É possível que algum processo, de origem desconhecida,
tenha provocado uma separação entre a
matéria e a antimatéria e que o processo de aniquila
ção não tenha ido às últimas conseqüências, deixando
porções de matéria e antimatéria separadas.
Sendo assim, é possível pensar que existiam regiões
do universo em que a antimatéria, e não a matéria,
seria mais abundante.
Planejam-se alguns experimentos no espaço para
procurar essas regiões. No entanto, como até hoje não
se conhece um processo capaz de gerar essa separa-
ção, a maioria dos cientistas não acredita na hipótese
de regiões de antimatéria no universo.
Há também uma segunda possibilidade. A de que
Big Bang. Segundo ela, tudo se iniciou em uma
grande explosão. Nos primeiros instantes, o universo
não era constituído por matéria, mas sim por energia
sob forma de radiação. O universo então passou a se
expandir e, conseqüentemente, a se resfriar. Pares de
partícula-antipartícula eram criados e aniquilados
em grande quantidade.
Com a queda de temperatura, a matéria e a antimat
éria, criadas em quantidades iguais, poderiam
começar a formar, respectivamente, hádrons e antih
ádrons. Atualmente, porém, parece que vivemos
em um universo onde só há matéria. O que aconteceu,
então, à antimatéria que teria sido criada em associa
ção a essa matéria?
Na realidade, já é estranho que o universo exista,
pois, quando a matéria e a antimatéria se encontram,
o processo de aniquilação ocorre, restando só energia
como produto. Seria altamente provável, portanto,
que logo após terem sido criadas no Big Bang, partí-
culas e antipartículas se aniquilassem, impedindo
que corpos mais complexos como hádrons, átomos,
moléculas, minerais, estrelas, planetas e seres vivos
pudessem se formar.
Acredita-se que esse processo de criação e aniquila
ção realmente ocorreu para quase toda a matéria
criada no início da expansão do universo, mas o
simples fato de existirmos indica que, ao menos, uma
pequena fração de matéria escapou a esse extermínio
precoce.
É possível que algum processo, de origem desconhecida,
tenha provocado uma separação entre a
matéria e a antimatéria e que o processo de aniquila
ção não tenha ido às últimas conseqüências, deixando
porções de matéria e antimatéria separadas.
Sendo assim, é possível pensar que existiam regiões
do universo em que a antimatéria, e não a matéria,
seria mais abundante.
Planejam-se alguns experimentos no espaço para
procurar essas regiões. No entanto, como até hoje não
se conhece um processo capaz de gerar essa separa-
ção, a maioria dos cientistas não acredita na hipótese
de regiões de antimatéria no universo.
Há também uma segunda possibilidade. A de que
a natureza tenha, de algum modo, favorecido a
criação de matéria em detrimento da antimatéria
no Big Bang. Isso indicaria que a natureza trata de
forma ligeiramente diferente matéria e antimaté-
ria. Se isso for verdade, seria possível que uma pequena
fração da matéria inicialmente criada tenha
sobrevivido e formado o universo conhecido hoje.
Resultados experimentais e teóricos apontam nessa
direção.
Em 1966, o físico russo Andrei Sakharov (1921-
1989) delineou quais seriam as condições para que
tivesse ocorrido esse desequilíbrio entre matéria e
antimatéria. Segundo ele, foi um .desvio. (ou assimetria,
no jargão da física) nas leis da natureza o
responsável pela formação de mais matéria que
antimatéria. Numa proporção aproximada, foram
criadas um bilhão e uma partículas de matéria para
cada um bilhão de partículas de antimatéria. Assim,
tudo que existe no universo, de estrelas a seres
humanos, foi criado a partir de uma única partícula
de matéria em cada um bilhão que sobreviveu à
aniquilação.
Para que ocorresse esse ligeiro desequilíbrio no
processo de criação de matéria e antimatéria,
Sakharov impôs três condições:
1) O próton deve decair, isto é, transformar-se em
outras partículas. Esse fenômeno ocorreria quando
um dos quarks que constituem o próton decaísse em
um antielétron (ou pósitron), o que causaria a conseq
üente transformação dos dois quarks restantes em
uma nova partícula sem carga, o méson pº. Segundo
cálculos, um próton levaria 1032 (o número um seguido
de 32 zeros!) anos para decair. Atualmente, há
vários experimentos em andamento, mas o decaimento
de um próton ainda não foi observado.
2) O esfriamento do universo após o Big Bang não
se deu em equilíbrio térmico. Dizemos que um corpo
esfria em equilíbrio térmico quando sua temperatura
diminui igualmente em qualquer uma de
suas partes. Quando uma parte resfria-se mais rápido
do que outra, o esfriamento se dá fora do equilí-
brio e durante esse processo não é possível definir
uma temperatura para o corpo.
3) Deve haver uma diferença de comportamento
entre as partículas de matéria e antimatéria e essa
diferença, segundo Sakharov, poderia ser medida.
É exatamente essa diferença, como descrito a seguir,
que os físicos de partículas estão procurando
atualmente.
criação de matéria em detrimento da antimatéria
no Big Bang. Isso indicaria que a natureza trata de
forma ligeiramente diferente matéria e antimaté-
ria. Se isso for verdade, seria possível que uma pequena
fração da matéria inicialmente criada tenha
sobrevivido e formado o universo conhecido hoje.
Resultados experimentais e teóricos apontam nessa
direção.
Em 1966, o físico russo Andrei Sakharov (1921-
1989) delineou quais seriam as condições para que
tivesse ocorrido esse desequilíbrio entre matéria e
antimatéria. Segundo ele, foi um .desvio. (ou assimetria,
no jargão da física) nas leis da natureza o
responsável pela formação de mais matéria que
antimatéria. Numa proporção aproximada, foram
criadas um bilhão e uma partículas de matéria para
cada um bilhão de partículas de antimatéria. Assim,
tudo que existe no universo, de estrelas a seres
humanos, foi criado a partir de uma única partícula
de matéria em cada um bilhão que sobreviveu à
aniquilação.
Para que ocorresse esse ligeiro desequilíbrio no
processo de criação de matéria e antimatéria,
Sakharov impôs três condições:
1) O próton deve decair, isto é, transformar-se em
outras partículas. Esse fenômeno ocorreria quando
um dos quarks que constituem o próton decaísse em
um antielétron (ou pósitron), o que causaria a conseq
üente transformação dos dois quarks restantes em
uma nova partícula sem carga, o méson pº. Segundo
cálculos, um próton levaria 1032 (o número um seguido
de 32 zeros!) anos para decair. Atualmente, há
vários experimentos em andamento, mas o decaimento
de um próton ainda não foi observado.
2) O esfriamento do universo após o Big Bang não
se deu em equilíbrio térmico. Dizemos que um corpo
esfria em equilíbrio térmico quando sua temperatura
diminui igualmente em qualquer uma de
suas partes. Quando uma parte resfria-se mais rápido
do que outra, o esfriamento se dá fora do equilí-
brio e durante esse processo não é possível definir
uma temperatura para o corpo.
3) Deve haver uma diferença de comportamento
entre as partículas de matéria e antimatéria e essa
diferença, segundo Sakharov, poderia ser medida.
É exatamente essa diferença, como descrito a seguir,
que os físicos de partículas estão procurando
atualmente.
FILMES, ESPELHOS E CARGAS
Como dissemos, até hoje não houve nenhuma observa
ção experimental do decaimento de um próton.
Entretanto, espera-se que isso realmente ocorra,
mas, por ser um evento muito raro, não estaria ao
alcance dos métodos experimentais atuais. A segunda
condição imposta por Sakharov também encontra
bom amparo nos modelos teóricos existentes, bem
como com observações realizadas. As duas primeiras
condições de Sakharov não podem ser testadas experimentalmente
nos dias de hoje e não apresentam
contradições com as teorias aceitas.
É no entanto na última das condições que está o
ponto crucial para testar a hipótese de Sakharov: o
estudo da diferença de comportamento entre a mat
éria e a antimatéria. Isso está no limite de nossa
capacidade experimental e há, no momento, vários
experimentos em preparação para tentar observá-la.
Na física de partículas, as simetrias desempenham
um papel muito importante, pois elas podem
dar informações sobre os processos que estamos
interessados em estudar. Antes de tentar entender
como isso pode ser feito, vamos apresentar algumas
simetrias.
Reversão temporal (T). A reversão temporal consiste
em inverter a direção do eixo do tempo. Vamos
a dois exemplos práticos. No primeiro, diz-se que a
reversão temporal é conservada enquanto, no segundo
caso, é violada.
Uma bola é lançada em direção a uma das tabelas
de uma mesa de sinuca, colide com ela e volta exatamente
ao ponto de saída. Esse processo foi filmado
e uma pessoa assiste ao filme duas vezes. Na
primeira, as imagens, que mostram a bola já em
movimento, são projetadas como foram filmadas. Na
segunda, o filme é passado de trás para frente. O
interessante é que o espectador não terá como dizer
quais das duas projeções corresponde ao sentido real.
Nesse caso, dizemos que a simetria T é conservada.
Vejamos o segundo exemplo. Um jarro cai de uma
mesa e se quebra ao atingir o chão. Nesse caso,
saberíamos com facilidade indicar em qual seqüência
o filme foi feito, já que nos pareceria estranho ver
os fragmentos se juntando para formar um vaso íntegro.
Esse é um processo para o qual a reversão temporal
não é válida. Nesse caso, a simetria T é violada.
Paridade (P). A paridade é a
inversão das coordenadas espaciais.
Imagine que houvesse um
tipo especial de espelho no qual a imagem fosse invertida
de trás para frente, da esquerda
para a direita e de baixo para cima. Em um espelho
normal, a imagem é invertida apenas de trás para
frente.
Para saber se a paridade P é conservada, devemos
realizar uma experiência. Uma pessoa acena a mão
direita para um espelho. Uma câmera filmará nosso
ator de frente. Outra fará a gravação da imagem
refletida pelo espelho. Ao projetar o primeiro filme,
veremos a imagem de uma pessoa acenando com a
mão direita. No outro, nosso personagem aparecerá
acenando com a mão esquerda. Este é um caso no qual
os físicos dizem que a simetria P foi violada.
No entanto, ao observarmos imagens de uma esfera
perfeita, não poderemos diferenciar uma foto
tirada diretamente do objeto de uma tirada usando a
imagem dela no espelho. Nesse caso, teremos a conserva
ção da simetria P.
Conjugação de carga (C). Por fim, esta simetria
consiste em trocar uma partícula por sua antipart
ícula. Testar essa simetria é mais complicado,
pois é necessário observar o comportamento de part
ículas e antipartículas. Vamos a um exemplo prático
usando o decaimento do nêutron. Essa partícula,
quando fora de um núcleo atômico, se transforma (ou
decai) em um próton (positivo), um elétron (negativo)
e um antineutrino (sem carga elétrica). No decaimento
de um antinêutron, diz-se que a conjugação de carga
é conservada, já que a antipartícula decairá em um
antipróton (negativo), um pósitron (positivo) e um
neutrino (sem carga).
ção experimental do decaimento de um próton.
Entretanto, espera-se que isso realmente ocorra,
mas, por ser um evento muito raro, não estaria ao
alcance dos métodos experimentais atuais. A segunda
condição imposta por Sakharov também encontra
bom amparo nos modelos teóricos existentes, bem
como com observações realizadas. As duas primeiras
condições de Sakharov não podem ser testadas experimentalmente
nos dias de hoje e não apresentam
contradições com as teorias aceitas.
É no entanto na última das condições que está o
ponto crucial para testar a hipótese de Sakharov: o
estudo da diferença de comportamento entre a mat
éria e a antimatéria. Isso está no limite de nossa
capacidade experimental e há, no momento, vários
experimentos em preparação para tentar observá-la.
Na física de partículas, as simetrias desempenham
um papel muito importante, pois elas podem
dar informações sobre os processos que estamos
interessados em estudar. Antes de tentar entender
como isso pode ser feito, vamos apresentar algumas
simetrias.
Reversão temporal (T). A reversão temporal consiste
em inverter a direção do eixo do tempo. Vamos
a dois exemplos práticos. No primeiro, diz-se que a
reversão temporal é conservada enquanto, no segundo
caso, é violada.
Uma bola é lançada em direção a uma das tabelas
de uma mesa de sinuca, colide com ela e volta exatamente
ao ponto de saída. Esse processo foi filmado
e uma pessoa assiste ao filme duas vezes. Na
primeira, as imagens, que mostram a bola já em
movimento, são projetadas como foram filmadas. Na
segunda, o filme é passado de trás para frente. O
interessante é que o espectador não terá como dizer
quais das duas projeções corresponde ao sentido real.
Nesse caso, dizemos que a simetria T é conservada.
Vejamos o segundo exemplo. Um jarro cai de uma
mesa e se quebra ao atingir o chão. Nesse caso,
saberíamos com facilidade indicar em qual seqüência
o filme foi feito, já que nos pareceria estranho ver
os fragmentos se juntando para formar um vaso íntegro.
Esse é um processo para o qual a reversão temporal
não é válida. Nesse caso, a simetria T é violada.
Paridade (P). A paridade é a
inversão das coordenadas espaciais.
Imagine que houvesse um
tipo especial de espelho no qual a imagem fosse invertida
de trás para frente, da esquerda
para a direita e de baixo para cima. Em um espelho
normal, a imagem é invertida apenas de trás para
frente.
Para saber se a paridade P é conservada, devemos
realizar uma experiência. Uma pessoa acena a mão
direita para um espelho. Uma câmera filmará nosso
ator de frente. Outra fará a gravação da imagem
refletida pelo espelho. Ao projetar o primeiro filme,
veremos a imagem de uma pessoa acenando com a
mão direita. No outro, nosso personagem aparecerá
acenando com a mão esquerda. Este é um caso no qual
os físicos dizem que a simetria P foi violada.
No entanto, ao observarmos imagens de uma esfera
perfeita, não poderemos diferenciar uma foto
tirada diretamente do objeto de uma tirada usando a
imagem dela no espelho. Nesse caso, teremos a conserva
ção da simetria P.
Conjugação de carga (C). Por fim, esta simetria
consiste em trocar uma partícula por sua antipart
ícula. Testar essa simetria é mais complicado,
pois é necessário observar o comportamento de part
ículas e antipartículas. Vamos a um exemplo prático
usando o decaimento do nêutron. Essa partícula,
quando fora de um núcleo atômico, se transforma (ou
decai) em um próton (positivo), um elétron (negativo)
e um antineutrino (sem carga elétrica). No decaimento
de um antinêutron, diz-se que a conjugação de carga
é conservada, já que a antipartícula decairá em um
antipróton (negativo), um pósitron (positivo) e um
neutrino (sem carga).
VIOLAÇÃO E DESEQUILÍBRIO
Pegue uma partícula, substitua-a por sua antipartícula,
olhe-a através de nosso espelho especial e
reverta a direção do tempo. Essa receita aplicada a
qualquer partícula deveria resultar em algo indistingu
ível da partícula inicial. Em linguagem um
pouco mais técnica, diríamos .aplique a operação
CPT e observe se as três simetrias são conservadas..
Apesar de abstrato, é nessa operação que está a
chave para se entender a falta de antimatéria no
universo. Acredita-se que a simetria CPT seja conservada,
pois, além de todas as teorias aceitas estarem
baseadas na conservação dessas simetrias, não foi
encontrado nenhum sinal de violação em qualquer
dos experimentos até hoje realizados para testá-la.
Atualmente encontram-se em preparação no CERN
os experimentos ATHENA, que pretendem, usando
feixes laser, aprisionar antiátomos para testar a simetria
CPT.
Para ilustrar a capacidade dessas três simetrias
em fornecer informações sobre a natureza, podemos
recorrer a mais um exemplo. Imagine uma esfera
perfeita sendo observada através de um espelho: não
é possível distinguir, como já vimos, o objeto de sua
imagem, portanto havendo aí um caso de conservação
da simetria P.
Mas se houver uma pequena imperfeição na esfera
(uma palavra escrita nela), haverá uma diferença
clara entre ela e a imagem dela. Logo, a observação
da violação de uma simetria pode indicar diferenças
entre objetos.
Para explicar a existência de um universo em que
existe mais matéria do que antimatéria, é necessário
encontrar uma violação de simetria entre partículas
e antipartículas. Por certo tempo, os físicos pensavam
que as três simetrias descritas acima seriam conservadas
ao serem aplicadas separadamente a qualquer
interação entre partículas.
No entanto, resultados experimentais mostraram
que, sob certas condições, as simetrias P e C
não se conservam. Em 1964, os físicos norte-americanos
James Cronin e Val Fitch, ambos então trabalhando
no Laboratório Brookhaven, em Upton (NY),
nos Estados Unidos, demonstraram experimentalmente
que a combinação CP não se conservava .
CP corresponde a olhar a partícula no espelho especial
e em seguida trocá-la por sua antipartícula.
Esses estudos foram feitos com partículas denominadas
káons neutros, formadas por um quark down e
um antiquark strange. Violar a simetria CP significa
que a natureza tem preferência pela matéria do que
pela antimatéria (figura 3).
É nessa violação de CP que está a base da terceira
condição de Sakharov. A violação de CP, segundo
ele, é necessária para termos o desequilíbrio entre
matéria e antimatéria, pois, ao violar a simetria de
CP, a natureza dá preferência à produção de matéria
em detrimento da de antimatéria.
reverta a direção do tempo. Essa receita aplicada a
qualquer partícula deveria resultar em algo indistingu
ível da partícula inicial. Em linguagem um
pouco mais técnica, diríamos .aplique a operação
CPT e observe se as três simetrias são conservadas..
Apesar de abstrato, é nessa operação que está a
chave para se entender a falta de antimatéria no
universo. Acredita-se que a simetria CPT seja conservada,
pois, além de todas as teorias aceitas estarem
baseadas na conservação dessas simetrias, não foi
encontrado nenhum sinal de violação em qualquer
dos experimentos até hoje realizados para testá-la.
Atualmente encontram-se em preparação no CERN
os experimentos ATHENA, que pretendem, usando
feixes laser, aprisionar antiátomos para testar a simetria
CPT.
Para ilustrar a capacidade dessas três simetrias
em fornecer informações sobre a natureza, podemos
recorrer a mais um exemplo. Imagine uma esfera
perfeita sendo observada através de um espelho: não
é possível distinguir, como já vimos, o objeto de sua
imagem, portanto havendo aí um caso de conservação
da simetria P.
Mas se houver uma pequena imperfeição na esfera
(uma palavra escrita nela), haverá uma diferença
clara entre ela e a imagem dela. Logo, a observação
da violação de uma simetria pode indicar diferenças
entre objetos.
Para explicar a existência de um universo em que
existe mais matéria do que antimatéria, é necessário
encontrar uma violação de simetria entre partículas
e antipartículas. Por certo tempo, os físicos pensavam
que as três simetrias descritas acima seriam conservadas
ao serem aplicadas separadamente a qualquer
interação entre partículas.
No entanto, resultados experimentais mostraram
que, sob certas condições, as simetrias P e C
não se conservam. Em 1964, os físicos norte-americanos
James Cronin e Val Fitch, ambos então trabalhando
no Laboratório Brookhaven, em Upton (NY),
nos Estados Unidos, demonstraram experimentalmente
que a combinação CP não se conservava .
CP corresponde a olhar a partícula no espelho especial
e em seguida trocá-la por sua antipartícula.
Esses estudos foram feitos com partículas denominadas
káons neutros, formadas por um quark down e
um antiquark strange. Violar a simetria CP significa
que a natureza tem preferência pela matéria do que
pela antimatéria (figura 3).
É nessa violação de CP que está a base da terceira
condição de Sakharov. A violação de CP, segundo
ele, é necessária para termos o desequilíbrio entre
matéria e antimatéria, pois, ao violar a simetria de
CP, a natureza dá preferência à produção de matéria
em detrimento da de antimatéria.
ALGUMA COISA ERRADA
Como mostrar se houve ou não violação dessa simetria
(CP)? Uma maneira de fazer isso é observando
como quarks de um tipo se transformam em outro,
bem como antiquarks se transformam em outros
antiquarks. Um quark pode se transformar de várias
maneiras. A chance de cada uma dessas formas ocorrer
é chamada de probabilidade de transição. Se pudéssemos
(CP)? Uma maneira de fazer isso é observando
como quarks de um tipo se transformam em outro,
bem como antiquarks se transformam em outros
antiquarks. Um quark pode se transformar de várias
maneiras. A chance de cada uma dessas formas ocorrer
é chamada de probabilidade de transição. Se pudéssemos
fazer experimentos com quarks isolados,
poderíamos, por exemplo, medir a probabilidade
do quark b se transformar em quark c e a probabilidade
do antiquark b se transformar em antiquark c.
Se essas probabilidades de transição, como passaremos
a chamá-las, fossem iguais para quarks e
antiquarks, não teríamos nenhuma violação de CP. O
Modelo Padrão, porém, não especifica se isso é verdade
ou não.
Antes da formulação do Modelo Padrão, conheciam-
se apenas quatro tipos de quarks, e a teoria
dizia que a probabilidade de transição era a mesma
para quarks e antiquarks. Portanto, não deveria haver
violação de CP, o que contrariava os resultados de
Brookhaven em 1964.
Alguma coisa estava errada. Os físicos japoneses
Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa perceberam
o que faltava e previram a existência de mais
dois tipos de quarks. A teoria deles, agora parte do
Modelo Padrão, não especifica se a probabilidade de
transição é ou não a mesma para quarks e antiquarks,
fazendo da violação de CP uma possibilidade.
A teoria dos seis quarks foi confirmada quando os
dois novos quarks foram descobertos experimentalmente:
o quark bottom em 1977 e o quark top em
1995. Esses quarks oferecem uma boa oportunidade
para serem medidas as probabilidades de transição,
já que eles, com mais massa entre os seis, transformam-
se (ou decaem) em quarks mais leves.
Algumas vezes, o bottom e o top (este o de maior
massa entre todos) decaem diretamente; em outras,
através de processos complicados. Esses decaimentos
serão estudados por novos experimentos que poder
ão medir com que freqüência partículas se transformam
em outras.
Esses estudos ocorrerão no detector LHCb (figura
4), sigla para Large Hadron Collider, sendo que o .b.
significa que ele deverá tentar medir a probabilidade
de transição em partículas denominadas mésons B,
poderíamos, por exemplo, medir a probabilidade
do quark b se transformar em quark c e a probabilidade
do antiquark b se transformar em antiquark c.
Se essas probabilidades de transição, como passaremos
a chamá-las, fossem iguais para quarks e
antiquarks, não teríamos nenhuma violação de CP. O
Modelo Padrão, porém, não especifica se isso é verdade
ou não.
Antes da formulação do Modelo Padrão, conheciam-
se apenas quatro tipos de quarks, e a teoria
dizia que a probabilidade de transição era a mesma
para quarks e antiquarks. Portanto, não deveria haver
violação de CP, o que contrariava os resultados de
Brookhaven em 1964.
Alguma coisa estava errada. Os físicos japoneses
Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa perceberam
o que faltava e previram a existência de mais
dois tipos de quarks. A teoria deles, agora parte do
Modelo Padrão, não especifica se a probabilidade de
transição é ou não a mesma para quarks e antiquarks,
fazendo da violação de CP uma possibilidade.
A teoria dos seis quarks foi confirmada quando os
dois novos quarks foram descobertos experimentalmente:
o quark bottom em 1977 e o quark top em
1995. Esses quarks oferecem uma boa oportunidade
para serem medidas as probabilidades de transição,
já que eles, com mais massa entre os seis, transformam-
se (ou decaem) em quarks mais leves.
Algumas vezes, o bottom e o top (este o de maior
massa entre todos) decaem diretamente; em outras,
através de processos complicados. Esses decaimentos
serão estudados por novos experimentos que poder
ão medir com que freqüência partículas se transformam
em outras.
Esses estudos ocorrerão no detector LHCb (figura
4), sigla para Large Hadron Collider, sendo que o .b.
significa que ele deverá tentar medir a probabilidade
de transição em partículas denominadas mésons B,
partículas formadas
por um quark down e um antiquark bottom.
Serão observados os decaimentos de mésons B e de
antimésons B. A comparação de suas probabilidades
de seus decaimentos nos permitiria medir a violação
de CP.
por um quark down e um antiquark bottom.
Serão observados os decaimentos de mésons B e de
antimésons B. A comparação de suas probabilidades
de seus decaimentos nos permitiria medir a violação
de CP.
PREFERÊNCIA DA NATUREZA
Como o Modelo Padrão não prevê qual o grau de
violação de CP que devemos observar no decaimento
dos mésons B, isso tem de ser medido. Uma vez que
a violação de CP seja medida para um tipo de
decaimento, pode-se usar esse resultado no Modelo
Padrão para prever quanto de violação de CP esperamos
para outros tipos de decaimentos, bem como
comparar os resultados obtidos com novas medidas.
O estudo da violação de CP nos mésons B começará
em laboratórios na Alemanha, nos Estados Unidos e
no Japão. O experimento com o detector LHCb virá
mais tarde, mas será nele que a física dos mésons B
alcançará seu ápice.
O CERN, situado em Genebra, na Suíça, está construindo
um novo acelerador de partículas que entrará
violação de CP que devemos observar no decaimento
dos mésons B, isso tem de ser medido. Uma vez que
a violação de CP seja medida para um tipo de
decaimento, pode-se usar esse resultado no Modelo
Padrão para prever quanto de violação de CP esperamos
para outros tipos de decaimentos, bem como
comparar os resultados obtidos com novas medidas.
O estudo da violação de CP nos mésons B começará
em laboratórios na Alemanha, nos Estados Unidos e
no Japão. O experimento com o detector LHCb virá
mais tarde, mas será nele que a física dos mésons B
alcançará seu ápice.
O CERN, situado em Genebra, na Suíça, está construindo
um novo acelerador de partículas que entrará
em atividade em 2005 e será o mais potente do
mundo. Nessas máquinas, partículas são aceleradas
a velocidades próximas à da luz para depois se chocarem,
concentrando energias altíssimas . próximas
às do Big Bang . em diminutas regiões do espaço.
O LHC produzirá colisões entre prótons com energia
10 vezes superior a qualquer acelerador atualmente
em atividade. Dentre os muitos processos
possíveis nessas colisões, haverá a produção abundante
de mésons B . especialmente, como se diz no
jargão técnico, em torno do feixe de partículas.
O detector LHCb irá .fotografar. (ou detectar, como
dizem os físicos) as colisões geradas no LHC,
prometendo coletar um número muito maior de
decaimentos dos mésons B do que experimentos
anteriores. Isso nos proporcionará a realização de
medidas de alta precisão, consideradas cruciais para
a física do próximo século.
A construção do LHCb foi proposta por uma colabora
ção internacional que reúne cerca de 300 fí-
sicos ligados a 43 instituições de pesquisa em 13
países diferentes. O Brasil está presente nesta colabora
ção através de pesquisadores do Laboratório de
Física de Partículas Elementares do Instituto de
Física da Universidade Federal do Rio de Janeiro
(LAPE/IF/UFRJ). Esse grupo tem responsabilidade
na construção de parte do Sistema de Múons, que
será fundamental para a tomada de decisão sobre
quais eventos deverão ser armazenados para análise.
mundo. Nessas máquinas, partículas são aceleradas
a velocidades próximas à da luz para depois se chocarem,
concentrando energias altíssimas . próximas
às do Big Bang . em diminutas regiões do espaço.
O LHC produzirá colisões entre prótons com energia
10 vezes superior a qualquer acelerador atualmente
em atividade. Dentre os muitos processos
possíveis nessas colisões, haverá a produção abundante
de mésons B . especialmente, como se diz no
jargão técnico, em torno do feixe de partículas.
O detector LHCb irá .fotografar. (ou detectar, como
dizem os físicos) as colisões geradas no LHC,
prometendo coletar um número muito maior de
decaimentos dos mésons B do que experimentos
anteriores. Isso nos proporcionará a realização de
medidas de alta precisão, consideradas cruciais para
a física do próximo século.
A construção do LHCb foi proposta por uma colabora
ção internacional que reúne cerca de 300 fí-
sicos ligados a 43 instituições de pesquisa em 13
países diferentes. O Brasil está presente nesta colabora
ção através de pesquisadores do Laboratório de
Física de Partículas Elementares do Instituto de
Física da Universidade Federal do Rio de Janeiro
(LAPE/IF/UFRJ). Esse grupo tem responsabilidade
na construção de parte do Sistema de Múons, que
será fundamental para a tomada de decisão sobre
quais eventos deverão ser armazenados para análise.
QUESTÃO PROFUNDA E ESSENCIAL
Fazer experimentos para medir a violação de CP não
é tarefa fácil. Trata-se de um efeito pequeno, compar
ável ao de uma pessoa que acenasse para si própria
na frente do espelho mil vezes e só visse uma vez sua
imagem acenando de volta com a outra mão.
O Modelo Padrão, teoria atualmente usada para
descrever as interações entre as partículas, admite
que exista uma pequena violação de CP. Há indícios,
entretanto, de que o grau máximo de violação de CP
admitido nesse Modelo não seja grande o suficiente
para explicar o desequilíbrio entre matéria e antimat
éria. Em outras palavras, suspeita-se que o Modelo
Padrão preveja menos matéria do que aquela que é
observada no universo. E isso, claro, poderia criar
certas dificuldades para o Modelo.
Assim, os experimentos projetados para estudar a
violação de CP não só contribuirão para elucidar o
problema do excesso de matéria no universo, bem
como poderão indicar o caminho para novas teorias
sobre as interações fundamentais.
Esses experimentos poderiam também mostrar
se o Modelo Padrão deve ser corrigido ou deixado
de lado, para dar lugar a outro modelo. E, talvez, nos
permitirão entender uma questão essencial para a
compreensão das leis da natureza e da existência do
universo e da própria vida: por que a natureza prefere
a matéria à antimatéria?
é tarefa fácil. Trata-se de um efeito pequeno, compar
ável ao de uma pessoa que acenasse para si própria
na frente do espelho mil vezes e só visse uma vez sua
imagem acenando de volta com a outra mão.
O Modelo Padrão, teoria atualmente usada para
descrever as interações entre as partículas, admite
que exista uma pequena violação de CP. Há indícios,
entretanto, de que o grau máximo de violação de CP
admitido nesse Modelo não seja grande o suficiente
para explicar o desequilíbrio entre matéria e antimat
éria. Em outras palavras, suspeita-se que o Modelo
Padrão preveja menos matéria do que aquela que é
observada no universo. E isso, claro, poderia criar
certas dificuldades para o Modelo.
Assim, os experimentos projetados para estudar a
violação de CP não só contribuirão para elucidar o
problema do excesso de matéria no universo, bem
como poderão indicar o caminho para novas teorias
sobre as interações fundamentais.
Esses experimentos poderiam também mostrar
se o Modelo Padrão deve ser corrigido ou deixado
de lado, para dar lugar a outro modelo. E, talvez, nos
permitirão entender uma questão essencial para a
compreensão das leis da natureza e da existência do
universo e da própria vida: por que a natureza prefere
a matéria à antimatéria?
Nenhum comentário:
Postar um comentário