Caros Leitores;
De maneira intrigante, as leis da natureza parecem ser compostas em triplicado, com três cópias de todas as partículas de matéria, cada uma mais pesada que a última, mas idêntica. (Revista Lucy Reading-Ikkanda / Quanta)
Existem três cópias progressivamente mais pesadas de cada tipo de partícula de matéria, e ninguém sabe o porquê. Um novo artigo de Steven Weinberg tenta explicar o padrão.
O Universo criou todos os tipos de formas bizarras e bonitas de matéria, de estrelas em chamas a gatos ronronando, com apenas três ingredientes básicos. Elétrons e dois tipos de quarks, apelidados de "cima" e "baixo", se misturam de várias maneiras para produzir todos os átomos existentes.
Mas, surpreendentemente, essa família de partículas de matéria - o quark up, o quark down e o elétron - não é a única. Os físicos descobriram que compõem a primeira de três “gerações” sucessivas de partículas, cada uma mais pesada que a anterior. As partículas de segunda e terceira geração se transformam em seus equivalentes mais leves muito rapidamente para formar gatos exóticos, mas eles se comportam de forma idêntica. É como se as leis da natureza fossem compostas em triplicado. "Não sabemos o porquê", disse Heather Logan , física de partículas da Universidade Carleton.
Na década de 1970, quando os físicos elaboraram o Modelo Padrão da física de partículas - o conjunto ainda reinante de equações que descrevem as partículas elementares conhecidas e suas interações - eles buscaram algum princípio profundo que explicaria por que existem três gerações de cada tipo de partícula de matéria . Ninguém decifrou o código, e a questão foi deixada de lado. Agora, no entanto, o físico vencedor do Prêmio Nobel Steven Weinberg , um dos arquitetos do Modelo Padrão, reviveu o velho quebra-cabeça. Weinberg, 86 anos, e professor da Universidade do Texas, em Austin, argumentou em um artigo recente na revista Physical Review D que um padrão intrigante nas massas das partículas poderia liderar o caminho a seguir.
Veja todos os blogs sobre abstrações
"O artigo de Weinberg é um pouco relâmpago no escuro", disse Anthony Zee , físico teórico da Universidade da Califórnia, em Santa Barbara. "De repente, um titã em campo está subitamente trabalhando novamente nesses problemas."
"Estou muito feliz em ver que ele acha importante rever este problema", disse Mu-Chun Chen , físico da Universidade da Califórnia, Irvine. Muitos teóricos estão prontos para desistir, disse ela, mas "ainda devemos ser otimistas".
O Modelo Padrão não prevê por que cada partícula tem a massa que possui. Os físicos medem esses valores experimentalmente e encaixam manualmente os resultados nas equações. As medições mostram que o elétron minúsculo pesa 0,5 mega-elétron-volts (MeV), enquanto seus equivalentes de segunda e terceira geração, chamados de múon e partícula tau, inclinam a balança em 105 e 1.776 MeV, respectivamente. Da mesma forma, os quarks de primeira e alta geração são pesos leves relativos, enquanto os quarks “charme” e “estranhos” que compõem a segunda geração de quarks são pesos médios, e os quarks “superior” e “inferior” da terceira geração são pesados, os topo pesando um monstruoso 173.210 MeV.
A propagação nas massas é vasta. Quando os físicos apertam os olhos, porém, eles veem uma estrutura tentadora em que as massas caem. As partículas se agrupam em gerações espaçadas de maneira uniforme: as partículas da terceira geração pesam milhares de MeV, as partículas da segunda geração pesam aproximadamente centenas de MeV e as partículas da primeira geração chegam em torno de um MeV cada. "À medida que você desce cada nível, eles ficam exponencialmente mais leves", diz Patrick Fox , físico de partículas no Fermi National Accelerator Laboratory em Illinois.
Nas equações do Modelo Padrão, a massa de cada partícula corresponde ao grau em que "sente" um campo de preenchimento do universo conhecido como campo de Higgs. Os quarks superiores são pesados porque experimentam um arrasto intenso enquanto se movem pelo campo de Higgs, como uma mosca presa no mel, enquanto elétrons finos voam por ele como borboletas no ar. Nesta estrutura, como cada partícula sente o campo é um atributo intrínseco da partícula.
O Modelo Padrão da física de partículas inclui três cópias de cada tipo de partícula de matéria, que formam os quadrantes do anel externo do diagrama. (Revista Lucy Reading-Ikkanda / Quanta)
Nos dias inebriantes da juventude do Modelo Padrão, explicar de onde vinham esses atributos era visto como o próximo passo lógico. Zee se lembra de pedir a seu então aluno de graduação Stephen Barr que calculasse a massa do elétron como seu projeto de doutorado - uma tarefa que o trabalho recente de Weinberg luta hoje, mais de 40 anos depois. Barr e Zee publicaram uma idéia aproximada em 1978 , mas a teoria das cordas explodiu em cena apenas alguns anos depois, diz Zee, varrendo esses esforços.
A idéia principal de Barr e Zee, em parte inspirada pelos trabalhos anteriores de Weinberg, era acompanhar a missa. Comparadas com a massa pesada do quark superior, as massas do elétron e de outras partículas parecem erros de arredondamento. Talvez seja porque eles são. Barr e Zee sugeriram que apenas o peso das partículas mais pesadas é fundamental em algum sentido.
Uma teoria de 2008 de Fox e Bogdan Dobrescu, do Fermilab, retomava de onde pararam. A massa do quark superior passa a ser aproximadamente a mesma que a energia média do campo de Higgs, então Fox e Dobrescu assumiram que apenas o quark superior atravessa o campo da maneira padrão. "O topo é claramente especial em alguns aspectos", disse Fox.
As outras partículas experimentam o campo de Higgs indiretamente. Isso é possível porque a incerteza da mecânica quântica permite que as partículas se materializem por breves momentos. Essas aparições fugazes formam nuvens de partículas "virtuais" em torno de entidades mais permanentes. Quando os quarks virtuais superiores se aglomeram em torno de um múon (de segunda geração), por exemplo, eles podem expor o múon ao campo de Higgs por meio de uma interação mútua com uma nova partícula teórica, dando um pouco de massa ao múon. Mas, como a exposição é indireta, a partícula permanece muito mais leve que a parte superior.
Uma segunda rodada deste jogo de telefone quântico torna o elétron de primeira geração mais leve por um fator semelhante, explicando o espaçamento geracional aproximado de milhares, centenas e alguns MeV de massa. (As partículas mais leves de todas, os neutrinos, também vêm em três gerações. Mas agem de maneira tão diferente das outras partículas maciças fundamentais que não se encaixam nesses esquemas .)
A publicação recente de Weinberg considera toda uma variedade de maneiras pelas quais esse jogo telefônico poderia funcionar. Ele concede a capacidade de sentir o campo de Higgs para toda a terceira geração de partículas de matéria - ou seja, o quark superior, inferior e tau. A massa escorre até a segunda e a primeira geração a partir daí, por meio de interações com partículas virtuais exóticas.
As tentativas de Weinberg e Fox e Dobrescu não são suficientes. Os dois últimos acabaram aumentando (em vez de diminuir) o número de constantes inexplicáveis no Modelo Padrão, a fim de explicar as massas de partículas de três gerações. A proposta de Weinberg erra as relações entre certas massas e falha em descrever como as partículas de geração mais alta podem se transformar em partículas de geração mais baixa (o fenômeno que explica por que não vemos átomos feitos de partículas de segunda ou terceira geração). Weinberg não estava disponível para discutir seu trabalho, mas Fox sugere que Weinberg provavelmente escreveu o artigo para incentivar os recém-chegados a aceitar o desafio e sinalizar os problemas com os quais se deparam.
Fox vê esses obstáculos não como golpes fatais, mas como sinais de que as teorias precisam de mais ajustes. "A natureza nunca é exatamente como você a imagina na primeira passagem", disse ele. "Você tem uma ideia bonita e isso leva você a 80% do caminho até lá".
Outros não estão convencidos de que destacar a terceira geração e massagear nuvens temporárias de partículas é o caminho certo em primeiro lugar. "Parece bastante ad hoc porque é algo que você coloca à mão", disse Chen. Ela espera explicar as três gerações incorporando o Modelo Padrão em uma estrutura maior, como a teoria das cordas. Um modelo que ela estuda reduz o número de valores fundamentais de massa adicionando vários novos campos semelhantes a Higgs ao universo, embora as partículas exóticas associadas a esses campos hipotéticos sejam muito pesadas para serem pesquisadas no Large Hadron Collider da Europa.
A única evidência sólida que poderia apoiar ou distinguir entre as teorias das massas das partículas de matéria seria a descoberta das várias partículas exóticas que cada um prevê. O Large Hadron Collider ainda não viu nada, mas a Fox não perdeu totalmente a esperança de que os fantasmas possam um dia aparecer. Ele acredita que experimentos que investigam transformações raras de partículas, como o decaimento múon-elétron que o experimento Mu2e do Fermilab estudará quando ficar online este ano, têm a melhor chance de detectar indiretamente as partículas intrometidas e agitar o Modelo Padrão.
"Não sabemos se isso faz sentido", disse ele. "Nós vamos ter que esperar e ver".
-
Obrigado pela sua visita e volte sempre!
HélioR.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica,
Astrobiologia e Climatologia).
Membro da Society for Science and the Public
(SSP) e assinante de conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and
Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa do
projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela
NASA.A partir de 2019, tornou-se membro
da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA
Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric
Administration (NOAA) e U.S Department of State.
