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Pergunte a Ethan: Como os campos quânticos criam partículas?

Nas altas temperaturas alcançadas no Universo muito jovem, não apenas partículas e fótons podem ser criados espontaneamente, com energia suficiente, mas também antipartículas e partículas instáveis, resultando em uma sopa primordial de partículas e antipartículas. No entanto, mesmo com essas condições, apenas alguns estados específicos, ou partículas, podem emergir. (LABORATÓRIO NACIONAL DE BROOKHAVEN)

Se tudo na natureza é feito de campos quânticos em seu núcleo, como acabamos com partículas?

Do que é feito o nosso Universo? Em um nível fundamental, até onde sabemos, a resposta é simples: partículas e campos. O tipo de matéria que compõe os humanos, a Terra e todas as estrelas, por exemplo, é todo composto pelas partículas conhecidas do Modelo Padrão. A matéria escura é teorizada como uma partícula, enquanto a energia escura é teorizada como um campo inerente ao próprio espaço. Mas todas as partículas que existem, no cerne de sua natureza, são apenas campos quânticos excitados. O que lhes dá as propriedades que eles têm? Esse é o tema da pergunta desta semana, vinda de Richard Hunt, que quer saber:

Tenho uma dúvida sobre campos quânticos. Se modelarmos as propriedades das partículas como excitações de vários campos independentes (campo de Higgs para massa, campo EM para carga, etc.), então o que faz com que essas ondas de excitação viajem juntas? Existe realmente algum tipo de entidade de partículas subjacente a essas ondas?

Em outras palavras: o que faz uma partícula ter as propriedades que ela tem? Vamos dar uma olhada profunda.

As partículas e antipartículas do Modelo Padrão já foram detectadas diretamente, com a última resistência, o bóson de Higgs, caindo no LHC no início desta década. Todas essas partículas podem ser criadas nas energias do LHC, e as massas das partículas levam a constantes fundamentais que são absolutamente necessárias para descrevê-las completamente. Essas partículas podem ser bem descritas pela física das teorias quânticas de campo subjacentes ao Modelo Padrão, mas ainda não se sabe se elas são fundamentais. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

As partículas que conhecemos têm traços que parecem ser inerentes a elas. Todas as partículas do mesmo tipo — elétrons, múons, quarks up, bósons Z, etc. — são, em algum nível, indistinguíveis umas das outras. Todos eles têm uma série de propriedades que todas as outras partículas do mesmo tipo compartilham, incluindo:

• massa,
• carga elétrica,
• hipercarga fraca,
• spin (momento angular inerente),
• carga de cor,
• número bariônico,
• número lépton,
• número da família lépton,

e mais. Algumas partículas têm valor zero para muitas dessas quantidades; outros têm valores diferentes de zero para quase todos eles. Mas, de alguma forma, cada partícula que existe contém todas essas propriedades intrínsecas particulares unidas em um único estado quântico estável que chamamos de partícula específica.

As massas de repouso das partículas fundamentais do Universo determinam quando e em que condições elas podem ser criadas. Quanto mais massiva é uma partícula, menos tempo ela pode ser criada espontaneamente no início do Universo. As propriedades das partículas, campos e espaço-tempo são todas necessárias para descrever o Universo que habitamos. (FIG. 15-04A DE UNIVERSE-REVIEW.CA )

Subjacente a tudo isso, há uma variedade de campos que existem no Universo. Há o campo de Higgs, por exemplo, que é um campo quântico que permeia todo o espaço. O Higgs é um exemplo relativamente simples de campo, embora a partícula que surgiu de seu comportamento – o bóson de Higgs – tenha sido a última a ser descoberta. O campo eletromagnético (QED) e o campo de carga de cor (QCD), entre outros, também são campos quânticos fundamentais.

É assim que funciona: o campo existe em todos os lugares do espaço, mesmo quando não há partículas presentes. O campo é de natureza quântica, o que significa que possui um estado de energia mais baixo que chamamos de energia do ponto zero, cujo valor pode ou não ser zero. Em diferentes locais no espaço e no tempo, o valor do campo flutua, assim como todos os campos quânticos. O Universo quântico, até onde sabemos, tem regras que governam seu indeterminismo fundamental.

Visualização de um cálculo da teoria quântica de campos mostrando partículas virtuais no vácuo quântico. Mesmo no espaço vazio, essa energia do vácuo é diferente de zero, mas sem condições de contorno específicas, as propriedades individuais das partículas não serão restringidas. (DEREK LEINWEBER)

Então, se tudo são campos, então o que é uma partícula? Você já deve ter ouvido uma frase antes: que as partículas são excitações de campos quânticos. Em outras palavras, estes são campos quânticos não em seu estado de energia mais baixa – ou ponto zero –, mas em algum estado de energia mais alta. Mas exatamente como isso funciona é um pouco complicado.

Até este ponto, pensamos em campos em termos de espaço vazio: os campos quânticos que estamos discutindo existem em todos os lugares. Mas as partículas não existem em todos os lugares ao mesmo tempo. Pelo contrário, eles são o que chamamos localizado , ou confinados a uma determinada região do espaço.

A maneira mais simples de visualizar isso é impor algum tipo de condição de contorno: alguma região do espaço que pode ser diferente do espaço puramente vazio.

Trajetórias de uma partícula em uma caixa (também chamada de poço quadrado infinito) na mecânica clássica (A) e na mecânica quântica (B-F). Em (A), a partícula se move com velocidade constante, saltando para frente e para trás. Em (B-F), as soluções de função de onda para a Equação de Schrodinger dependente do tempo são mostradas para a mesma geometria e potencial. O eixo horizontal é a posição, o eixo vertical é a parte real (azul) ou a parte imaginária (vermelha) da função de onda. (B,C,D) são estados estacionários (autoestados de energia), que vêm de soluções para a Equação de Schrõdinger Independente do Tempo. (E,F) são estados não estacionários, soluções para a equação de Schrodinger dependente do tempo. (STEVE BYRNES / SBYRNES321 OF WIKIMEDIA COMMONS)

Em nossa imagem pré-quântica do Universo, as partículas são simplesmente pontos e nada mais: entidades individuais com um conjunto de propriedades atribuídas a elas. Mas sabemos que no universo quântico, temos que substituir partículas por funções de onda, que são um conjunto probabilístico de parâmetros que substituem quantidades clássicas como posição ou momento.

Em vez de valores únicos, há um conjunto de valores possíveis que um campo quântico pode assumir. Algumas das propriedades associadas a uma partícula são contínuas, como a posição, enquanto outras são discretas. As discretas são as mais interessantes em termos de propriedades fundamentais das partículas, pois estas só podem assumir valores específicos que são definidos pelas condições características que o Universo estabelece.

Uma corda de violão, por si só, pode vibrar em um número infinito de modos vibratórios, correspondendo a um conjunto irrestrito de sons concebíveis. Mas ao restringir a espessura da corda, a tensão sob ela e o comprimento efetivo da parte que vibra, apenas um conjunto específico de notas pode emergir. Essas “condições de fronteira” são inseparáveis ​​do conjunto de saídas possíveis. (GETTY)

Uma maneira simples de visualizar isso é imaginar uma guitarra. Em um violão, você tem seis cordas de espessuras diferentes, onde podemos ver a espessura como uma propriedade fundamental da corda. Se tudo o que você tivesse fossem essas cordas (e nenhuma guitarra), e você perguntasse o número de diferentes maneiras possíveis dessas cordas vibrarem, você terminaria com um número infinito de resultados permitidos.

Mas as guitarras não oferecem um conjunto infinito de possibilidades. Temos condições de contorno nessas strings:

• o comprimento efetivo de cada corda é restringido pelos pontos inicial e final,
• o número de excitações possíveis são limitados pelas posições dos trastes no braço da guitarra,
• os modos vibracionais são limitados pela geometria e pela música dos harmônicos,
• e os possíveis sons que pode fazer são limitados pela tensão de cada corda.

Essas propriedades são determinadas exclusivamente pelo tamanho, propriedades das cordas e afinação de cada guitarra individual.

O Modelo Padrão Lagrangiano é uma única equação que encapsula as partículas e interações do Modelo Padrão. Tem cinco partes independentes: os glúons (1), os bósons fracos (2), como a matéria interage com a força fraca e o campo de Higgs (3), as partículas fantasmas que subtraem as redundâncias do campo de Higgs (4) e a Fantasmas Fadeev-Popov, que afetam as redundâncias de interação fraca (5). As massas de neutrinos não estão incluídas. Além disso, isso é apenas o que sabemos até agora; pode não ser o Lagrangiano completo que descreve 3 das 4 forças fundamentais. (THOMAS GUTIERREZ, QUE INSISTE QUE HÁ UM 'ERRO DE SINAL' NESTA EQUAÇÃO)

No caso de nossas partículas do Modelo Padrão, também há um conjunto finito de possibilidades. Eles surgem de um tipo específico de teoria quântica de campos: uma teoria de calibre. As teorias de calibre são invariantes sob uma série de transformações (como aumentos de velocidade, translações de posição, etc.) sob as quais nossas leis físicas também deveriam ser invariantes.

O Modelo Padrão, em particular, vem de uma teoria quântica de campos composta de três grupos (como na matemática dos grupos de Lie) todos ligados:

• SU(3), um grupo que é feito de matrizes 3 × 3, que descreve a interação forte,
• SU(2), um grupo que é feito de matrizes 2 × 2, que descreve a interação fraca,
• e U(1), conhecido como grupo circular e formado por todos os números complexos com valor absoluto 1, que descreve a interação eletromagnética.

Coloque tudo isso junto da maneira correta - SU (3) × SU (2) × U (1) — e você obtém nosso Modelo Padrão.

Este diagrama exibe a estrutura do modelo padrão (de uma forma que exibe os relacionamentos e padrões principais de forma mais completa e menos enganosa do que na imagem mais familiar baseada em um quadrado de partículas 4×4). Em particular, este diagrama descreve todas as partículas no modelo padrão (incluindo seus nomes de letras, massas, spins, lateralidade, cargas e interações com os bósons de calibre – ou seja, com as forças forte e eletrofraca). Ele também descreve o papel do bóson de Higgs e a estrutura da quebra de simetria eletrofraca, indicando como o valor esperado do vácuo de Higgs quebra a simetria eletrofraca e como as propriedades das partículas restantes mudam como consequência. (LATHAM BOYLE E MARDUS DO WIKIMEDIA COMMONS)

O Modelo Padrão não é apenas um conjunto de leis da física, mas fornece condições de contorno proverbiais que descrevem o espectro de partículas que podem existir. Como o Modelo Padrão não é feito apenas de um único campo quântico isolado, mas de todos os campos fundamentais (exceto a gravidade) trabalhando juntos, o espectro de partículas com o qual acabamos tem um conjunto fixo de propriedades.

Isso é determinado pela estrutura matemática específica — SU(3) × SU(2) × U(1) — subjacente ao Modelo Padrão. Cada partícula corresponde aos campos quânticos fundamentais do Universo, todos excitados de uma maneira particular, com acoplamentos explícitos ao conjunto completo de campos. Isso determina suas propriedades de partículas, como:

• massa,
• carga elétrica,
• carga de cor,
• hipercarga fraca,
• número lépton,
• número bariônico,
• número da família lépton,
• e girar.

O padrão de isospin fraco, T_3, e hipercarga fraca, Y_W, e carga de cor de todas as partículas elementares conhecidas, giradas pelo ângulo de mistura fraco para mostrar a carga elétrica, Q, aproximadamente ao longo da vertical. O campo neutro de Higgs (quadrado cinza) quebra a simetria eletrofraca e interage com outras partículas para dar-lhes massa. (CJEAN42 OF WIKIMEDIA COMMONS)

Se o Modelo Padrão fosse tudo o que havia, nenhuma outra combinação seria permitida. O Modelo Padrão fornece campos de férmions, que correspondem às partículas de matéria (quarks e léptons), bem como campos de bósons, que correspondem às partículas portadoras de força (glúons, bósons fracos e fótons), bem como o Higgs.

O Modelo Padrão foi construído com um conjunto de simetrias em mente, e as formas particulares de quebra dessas simetrias determinam o espectro de partículas permitidas. Eles ainda exigem que coloquemos as constantes fundamentais que determinam os valores específicos das propriedades das partículas, mas as propriedades genéricas de uma teoria com:

• 6 quarks e antiquarks com três cores cada,
• 3 léptons e antiléptons carregados,
• 3 neutrinos e antineutrinos,
• 8 glúons sem massa,
• 3 bósons fracos,
• 1 fóton sem massa,
• e 1 bóson de Higgs,

são determinados pelo próprio Modelo Padrão.

O Modelo Padrão da física de partículas é responsável por três das quatro forças (exceto a gravidade), o conjunto completo de partículas descobertas e todas as suas interações. Se existem partículas e/ou interações adicionais que podem ser descobertas com colisores que podemos construir na Terra é um assunto discutível, mas só saberemos a resposta se explorarmos além da fronteira de energia conhecida. (PROJETO DE EDUCAÇÃO FÍSICA CONTEMPORÂNEA / DOE / NSF / LBNL)

Então, como obtemos partículas quânticas com as propriedades que temos? Três coisas se juntam:

1. Temos as leis da teoria quântica de campos, que descrevem os campos que permeiam todo o espaço que podem ser excitados para diferentes estados característicos.
2. Temos a estrutura matemática do Modelo Padrão, que dita as combinações permitidas de configurações de campo (ou seja, partículas) que podem existir.
3. Temos as constantes fundamentais, que fornecem os valores de propriedades específicas para cada combinação permitida: as propriedades de cada partícula.

E pode haver mais. O Modelo Padrão pode descrever a realidade extremamente bem, mas não inclui tudo. Não leva em conta a matéria escura. Ou energia escura. Ou a origem da assimetria matéria-antimatéria. Ou as razões por trás dos valores de nossas constantes fundamentais.

O Modelo Padrão fornece apenas as configurações permitidas que conhecemos. Se neutrinos e matéria escura são alguma indicação, deve haver mais. Um dos principais objetivos da ciência do século 21 é descobrir o que mais está lá. Bem-vindo à fronteira de ponta da física moderna.

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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