• Começa Com Um Estrondo

Quão certos estamos de que os prótons não se decompõem?

Experimentos como o Super-Kamiokande, que contêm enormes tanques de água (ricos em prótons) cercados por matrizes de detectores, são a ferramenta mais sensível que a humanidade tem para procurar o decaimento de prótons. A partir do início de 2020, temos apenas restrições ao potencial decaimento de prótons, mas sempre há a possibilidade de um sinal surgir a qualquer momento. (OBSERVATÓRIO DE KAMIOKA, ICRR (INSTITUTE FOR COSMIC RAY RESEARCH), UNIVERSIDADE DE TÓQUIO)

A idade do Universo é de apenas 13,8 bilhões de anos, mas sabemos que os prótons sobrevivem por muito mais tempo. Aqui está como.

Desde a descoberta da radioatividade no século 19, a humanidade foi forçada a contar com uma verdade desconfortável, mas séria: grande parte da matéria que encontramos hoje acabará por decair. Isso não se restringe ao urânio, mas afeta uma ampla variedade de elementos e isótopos, incluindo todos os elementos mais pesados ​​que o chumbo na tabela periódica, cada partícula que contém um quark estranho, charm, bottom ou top, o múon e a partícula tau, e até mesmo o nêutron.

É o suficiente para nos perguntarmos se a partícula composta estável mais leve que conhecemos – o próton – é realmente estável, ou se acabaria decaindo se esperássemos o suficiente. Mesmo que o Universo tenha apenas 13,8 bilhões de anos, já podemos afirmar com confiança que o próton é estável por pelo menos cerca de 10³⁴ anos. Aqui está como chegamos lá.

A estrutura interna de um próton, com quarks, glúons e spin de quarks mostrados. A força nuclear age como uma mola, com força desprezível quando não esticada, mas grandes forças atrativas quando esticada a grandes distâncias. Até onde sabemos, o próton é uma partícula verdadeiramente estável e nunca foi observado decaimento. (LABORATÓRIO NACIONAL DE BROOKHAVEN)

Por causa das várias leis de conservação da física de partículas, um próton só pode decair em partículas mais leves do que ele. Ele não pode decair em um nêutron ou qualquer outra combinação de três quarks. O decaimento deve conservar carga, nos ensinando que ainda precisaríamos ter uma partícula carregada positivamente no final. Precisaríamos produzir pelo menos duas partículas, em vez de uma, para conservar energia e momento.

E, finalmente, se estamos perdendo um bárion (algo feito de três quarks) no Universo, teríamos que adicionar um antilépton (como um pósitron ou um antimúon) para compensá-lo e manter a regra de conservação do Modelo Padrão : que o número de bárions menos o número de léptons nunca deve mudar. Isso significa que um próton pode decair em um pósitron e um méson neutro (como um píon), um múon e um píon neutro, ou um antineutrino e um méson carregado positivamente.

Todos esses decaimentos converterão a maior parte da massa de um próton em energia pura, via Einstein E = mc² .

Os elementos do corpo humano. Enquanto, em massa, somos principalmente Oxigênio, Carbono, Nitrogênio e Hidrogênio, existem dezenas de elementos essenciais aos processos vitais no corpo humano. Existem mais de 1⁰²⁸ prótons que compõem um corpo humano adulto típico. (OPENSTAX COLLEGE, ANATOMIA & FISIOLOGIA, SITE DE CONEXÕES)

Apenas com seu próprio corpo de sangue quente, você pode aprender algo fascinante sobre a estabilidade do próton. Considerando que cada um de nós é feito principalmente de uma mistura de prótons e nêutrons, podemos estimar para um ser humano de tamanho médio que temos cerca de 2 × 10²⁸ prótons cada um dentro de nós. E, no entanto, para manter nossa temperatura de equilíbrio como mamíferos, um humano típico precisa produzir cerca de 100 watts de energia contínua.

Se ignorássemos nosso metabolismo biológico e assumissemos que 100% dessa energia térmica veio de prótons em decomposição, isso significaria que cerca de 700 bilhões de prótons decairiam a cada segundo dentro de cada um de nós. Mas dado que o número de prótons que temos em nós a qualquer momento, isso significa que apenas 1 em 30 quatrilhões de prótons decai a cada segundo. Apenas examinando nossos próprios corpos, isso se traduz em um tempo de vida mínimo para o próton de cerca de 1 bilhão de anos.

Dois caminhos possíveis para o decaimento de prótons são descritos em termos das transformações de suas partículas constituintes fundamentais. Esses processos nunca foram observados, mas são teoricamente permitidos em muitas extensões do Modelo Padrão, como as Teorias da Grande Unificação SU(5). (JORGE LOPEZ, RELATÓRIOS DE PROGRESSO EM FÍSICA 59(7), 1996)

Mas podemos fazer muito, muito melhor do que isso realizando experimentos projetados para procurar o decaimento de prótons. Se tudo o que você fizesse fosse pegar um único próton e esperar por 13,8 bilhões de anos – toda a idade do Universo – você poderia determinar que sua meia-vida é provavelmente maior do que a quantidade total de tempo que você esperou.

Mas se você pegar algo como 10³⁰ prótons e esperar apenas um ano, se nenhum deles decair, você poderá dizer que a meia-vida é provavelmente maior que 10³⁰ anos. Se você reunir 100 vezes mais prótons (10³²) e esperar por uma década (10 anos) em vez de apenas um ano, poderá concluir que a meia-vida de um próton é superior a 10³³ anos. Resumidamente:

• quanto mais prótons você reunir,
• quanto mais sensível você for à decadência de um deles,
• e quanto mais você espera,

maiores as restrições que você pode colocar na estabilidade do próton.

Seja em aglomerados, galáxias, nossa própria vizinhança estelar ou nosso Sistema Solar, temos limites tremendos e poderosos na fração de antimatéria no Universo. Não pode haver dúvida: tudo no Universo, de planetas a estrelas a galáxias a aglomerados de galáxias ao meio intergaláctico, é dominado pela matéria. (GARY STEIGMAN, 2008, VIA HTTP://ARXIV.ORG/ABS/0808.1122 )

Teoricamente, há boas razões para esperar que o próton seja fundamentalmente instável. A maior delas é esta: o fato de que todo o nosso Universo parece ser feito de matéria e não de antimatéria. Para onde quer que olhemos, através da extensão do espaço, vemos evidências contundentes de que todas as estrelas, galáxias, aglomerados de galáxias e até mesmo o meio intergaláctico são feitos predominantemente de matéria.

A antimatéria quase não é encontrada, consistente com o fato de ser produzida apenas por processos de alta energia que criam quantidades iguais de matéria e antimatéria. Cada cenário que podemos inventar para explicar essa assimetria cósmica requer a existência de uma nova física, com cada uma delas exigindo a existência de novas partículas que aparecerão em energias muito altas. Nas Teorias da Grande Unificação (GUTs), por exemplo, é prevista a existência de novos bósons X e Y superpesados, e eles podem resolver o quebra-cabeça da assimetria matéria-antimatéria do nosso Universo.

Uma coleção igualmente simétrica de bósons de matéria e antimatéria (de X e Y, e anti-X e anti-Y) poderia, com as propriedades GUT corretas, dar origem à assimetria matéria/antimatéria que encontramos em nosso Universo hoje. No entanto, assumimos que existe uma explicação física, e não divina, para a assimetria matéria-antimatéria que observamos hoje, mas ainda não sabemos com certeza. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

A questão é esta: para criar uma assimetria matéria-antimatéria, você precisa de uma nova partícula. E as reações exigidas por essa nova partícula devem acoplar-se aos prótons de alguma forma, nos ensinando que alguma combinação da massa do próton (com alguma potência) e a massa dessa nova partícula (com essa mesma potência menos 1) corresponde à teoria teórica do próton. tempo de vida. Para a maioria dos modelos que inventamos, essa vida útil prevista é algo entre 10³¹ e 10³⁹ anos.

Em cada litro de água, existem aproximadamente 3 × 10²⁵ átomos de hidrogênio, o que significa que também existem muitos prótons individuais. Se você juntar um milhão de litros de água e esperar por um ano, poderá medir a vida útil do próton de uma maneira significativa que começará a ultrapassar os limites do que essas GUTs e outras teorias (supersimetria, supergravidade, teoria das cordas etc.) estar lá.

O tanque cheio de água em Super Kamiokande, que estabeleceu os limites mais rigorosos para a vida útil do próton. Este enorme tanque não é apenas preenchido com líquido, mas também revestido com tubos fotomultiplicadores. Quando ocorre uma interação, como um ataque de neutrinos, um decaimento radioativo ou (teoricamente) um decaimento de prótons, a luz Cherenkov é produzida e pode ser detectada pelos tubos fotomultiplicadores que nos permitem reconstruir as propriedades e origens da partícula. (ICRR, OBSERVATÓRIO KAMIOKA, UNIVERSIDADE DE TÓQUIO)

A partir do início da década de 1980, os físicos procuraram fazer exatamente isso. Em uma antiga mina no Japão, Kamioka, os físicos construíram um enorme tanque cheio de líquido, completo com todos os prótons que você espera. Eles protegeram o tanque de raios cósmicos, material radioativo na Terra e qualquer outra fonte de ruído que pudessem imaginar, enquanto revestiam o tanque com um enorme número de tubos fotomultiplicadores.

Se algum dos prótons decaísse, eles produziriam partículas carregadas (pósitrons, antimuons ou píons) juntamente com produtos de decaimento adicionais (como fótons ou chuvas de elétrons) que produziriam um sinal de luz que poderia ser visto por esses tubos fotomultiplicadores . Durante anos, este experimento foi executado procurando por decaimento de prótons: o Kamioka Nucleon Decay Experiment, ou KamiokaNDE.

Um evento de neutrinos, identificável pelos anéis de radiação de Cerenkov que aparecem ao longo dos tubos fotomultiplicadores que revestem as paredes do detector, mostra a metodologia bem-sucedida da astronomia de neutrinos e aproveitando o uso da radiação de Cherenkov. Esta imagem mostra vários eventos e faz parte do conjunto de experimentos que abre caminho para uma maior compreensão dos neutrinos. Os neutrinos detectados em 1987 marcaram o alvorecer tanto da astronomia de neutrinos quanto da reformulação dos experimentos de decaimento de nucleon como experimentos de detector de neutrinos. (COLABORAÇÃO SUPER KAMIOKANDE)

Claro, ele não detectou nenhum decaimento de prótons. No entanto, em 1987, algo espetacular ocorreu: uma supernova explodiu a apenas 168.000 anos-luz de distância na Grande Nuvem de Magalhães. Antes mesmo da luz desse evento chegar, os neutrinos que foram produzidos no núcleo em colapso dessa estrela apareceram e interagiram com os núcleos atômicos desse enorme tanque. (Assim como outros experimentos semelhantes em todo o mundo.)

A configuração experimental, incluindo os tubos fotomultiplicadores, que foram otimizados para detectar um próton em decomposição, também foram extremamente bons na detecção de neutrinos. Embora o próton não tenha decaído, os neutrinos realmente existem e interagem com grandes coleções de matéria. KamiokaNDE, o Kamioka Nucleon Decay Experiment, foi renomeado como Kamiokande: o Kamioka Neutrino Detector Experiment. Foi posteriormente expandido várias vezes e permanece - junto com IceCube, SNOLAB e outros - entre um punhado de observatórios de neutrinos de classe mundial.

O observatório de neutrinos de Sudbury, que foi fundamental para demonstrar as oscilações de neutrinos e a massividade dos neutrinos. Juntamente com muitos dos observatórios de neutrinos em todo o mundo, o SNOLAB ajuda a colocar algumas das restrições mais rígidas ao decaimento de prótons disponíveis na física moderna. (A. B. MCDONALD (QUEEN'S UNIVERSITY) ET AL., THE SUDBURY NEUTRINO OBSERVATORY INSTITUTE)

Mas os limites do decaimento de prótons se tornaram progressivamente mais rigorosos com o passar do tempo. Análises recentes de dados da década de 2010 estabeleceram limites mais baixos no tempo de vida de um próton que agora excede 10³⁴ anos, tanto de canais de decaimento de pósitrons quanto de anti-muon. As GUTs mais simples, como a unificação Georgi-Glashow, foram completamente descartadas, a menos que o Universo seja supersimétrico e contenha dimensões extras, enquanto mesmo esses cenários estão previstos para cair no final da década de 2020.

A única brecha inexplorada pode ser que prótons verdadeiramente livres são realmente bastante raros, pois normalmente os encontramos unidos em núcleos, moléculas e átomos mais pesados. Um próton livre em um átomo de hidrogênio ainda tem cerca de 0,000001% menos massa do que um próton sem um elétron ligado a ele. Enquanto um nêutron livre decai em cerca de 15 minutos, um nêutron unido em um núcleo mais pesado pode ser eternamente estável. É possível que os prótons que estamos medindo, por não serem completamente livres, possam não ser indicativos da vida útil do próton verdadeiro.

Como os estados ligados no Universo não são os mesmos que partículas completamente livres, pode ser concebível que o próton seja menos estável do que observamos medindo as propriedades de decaimento de átomos e moléculas, onde prótons estão ligados a elétrons e outros compostos. estruturas. Com todos os prótons que já observamos em todos os nossos aparatos experimentais, no entanto, nunca vimos um evento consistente com o decaimento de prótons. (GETTY IMAGENS)

Não há como argumentar, no entanto, que em todos os nossos esforços para medir a estabilidade do próton, nunca observamos sequer um evento de um próton decaindo espontaneamente em partículas mais leves e violando a conservação do número bariônico. Se o próton é realmente estável e nunca decairá, isso significa que muitas extensões propostas para o Modelo Padrão – Teorias da Grande Unificação, supersimetria, supergravidade e teoria das cordas entre elas – não podem descrever nosso Universo.

Independentemente de o próton ser realmente estável para sempre ou apenas estável por um septilhão de vezes a idade atual do Universo, a única maneira de descobrir isso é realizando os experimentos críticos e observando como o Universo se comporta. Temos um Universo cheio de matéria quase completamente desprovido de antimatéria, e ninguém sabe por quê. Se o próton for realmente estável, muitas de nossas melhores ideias sobre o que poderia causá-lo serão descartadas.

Os segredos da natureza podem permanecer um mistério por mais algum tempo, mas enquanto continuarmos procurando, sempre há a esperança de uma nova descoberta revolucionária.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

Compartilhar: