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A matéria em nosso universo é fundamentalmente estável ou instável?

Toda a matéria que conhecemos em nosso Universo é feita de partículas fundamentais e compostas. No entanto, apenas algumas das partículas fundamentais são observadas como estáveis ​​e não decaem em outras partículas. Resta saber se todas as partículas fundamentais e compostas, em algum nível, são instáveis ​​de alguma maneira. (LABORATÓRIO NACIONAL DE BROOKHAVEN / RHIC)

Se esperássemos o suficiente, os próprios prótons decairiam?

Há certas coisas no Universo que, se você as deixar sozinhas por tempo suficiente, elas acabarão se deteriorando. Outras coisas, não importa quanto tempo esperemos, nunca foram observadas em decomposição. Isso não significa necessariamente que sejam estáveis, apenas que, se forem instáveis, viverão mais do que um certo limite mensurável. Embora um grande número de partículas – tanto fundamentais quanto compostas – sejam instáveis, existem algumas poucas que parecem estáveis, pelo menos até agora, com a precisão que conseguimos medir.

Mas eles são verdadeiramente, perfeitamente estáveis, destinados a nunca decair, mesmo quando o relógio cósmico avança por toda a eternidade? Ou, se pudéssemos esperar o suficiente, eventualmente veríamos algumas ou mesmo todas essas partículas decaindo? E o que significa para o Universo se um núcleo atômico anteriormente considerado estável, um próton individual ou mesmo partículas fundamentais como o elétron, um neutrino ou o fóton se desintegram? Aqui está o que significaria se vivêssemos em um Universo onde nossa matéria fosse fundamentalmente instável.

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)

Na verdade, é uma ideia relativamente nova que qualquer forma de matéria seria instável: algo que só surgiu como uma explicação necessária para a radioatividade, descoberta no final de 1800. Materiais que continham certos elementos — rádio, radônio, urânio etc. — pareciam gerar espontaneamente sua própria energia, como se fossem movidos por algum tipo de motor interno inerente à sua própria natureza.

Com o tempo, a verdade sobre essas reações foi descoberta: os núcleos desses átomos estavam passando por uma série de decaimentos radioativos. Os três tipos mais comuns foram:

• Decaimento α (alfa): onde um núcleo atômico cospe uma partícula α (com 2 prótons e 2 nêutrons), movendo-se para baixo 2 elementos na tabela periódica,
• Decaimento β (beta): onde um núcleo atômico converte um nêutron em um próton enquanto cospe um elétron (uma partícula β) e um neutrino anti-elétron, subindo 1 elemento na tabela periódica,
• Decaimento γ (gama): onde um núcleo atômico, em um estado excitado, cospe um fóton (uma partícula γ), fazendo a transição para um estado de energia mais baixa.

Um decaimento alfa é um processo em que um núcleo atômico mais pesado emite uma partícula alfa (núcleo de hélio), resultando em uma configuração mais estável e liberando energia. O decaimento alfa, juntamente com os decaimentos beta e gama, são as principais maneiras pelas quais os elementos naturais sofrem decaimento radioativo. (LABORATÓRIO DE FÍSICA NUCLEAR, UNIVERSIDADE DE CHIPRE)

Ao final dessas reações, a massa total do que sobra (os produtos) é sempre menor que a massa total do que começamos (os reagentes), com a massa restante convertida em energia pura através da famosa equação de Einstein, E = mc² . Se você aprendeu sobre a tabela periódica antes de 2003, provavelmente aprendeu que o bismuto, o 83º elemento, era o elemento estável mais pesado, com cada elemento mais pesado do que aquele sofrendo alguma forma de decaimento radioativo (ou cadeia de decaimento) até que um elemento verdadeiramente estável seja alcançado.

Mas em 2003, os cientistas descobriram que cada isótopo de bismuto é inerentemente instável , incluindo o abundante e natural bismuto-209. Tem vida extremamente longa, com meia-vida de cerca de 10¹⁹ anos: aproximadamente um bilhão de vezes a idade do Universo atual. Desde essa descoberta, relatamos agora que o chumbo, o 82º elemento, é o elemento estável mais pesado. Mas, com tempo suficiente, é possível que também decaia.

Embora o bismuto ainda seja considerado 'estável' por muitos, é fundamentalmente instável e sofrerá decaimento alfa em escalas de tempo de cerca de 1⁰¹⁹ anos. Com base em experimentos realizados em 2002 e publicados em 2003, a tabela periódica foi revisada para indicar que o chumbo, e não o bismuto, é o elemento estável mais pesado. (MICHAEL DAYAH / HTTPS://PTABLE.COM/ )

A razão pela qual ocorrem decaimentos radioativos não foi bem compreendida por muitas décadas após a descoberta da radioatividade: é um processo inerentemente quântico. Existem certas regras de conservação que são uma parte inextricável das leis da física, pois quantidades como energia, carga elétrica e momento linear e angular são sempre conservadas. Isso significa que, se medissemos essas propriedades tanto para os reagentes quanto para os produtos (ou os produtos fisicamente possíveis) de qualquer reação candidata, elas sempre devem ser iguais. Essas quantidades não podem ser criadas ou destruídas espontaneamente; é isso que significa ser conservado na física.

Mas se houver múltiplas configurações permitidas que obedeçam a todas essas regras de conservação, algumas delas serão energeticamente mais favoráveis ​​do que outras. Energeticamente favorável é como ser uma bola redonda no topo de uma colina e rolar para baixo. Onde ele vai descansar? No fundo, certo? Não necessariamente. Pode haver muitos pontos baixos diferentes onde a bola pode acabar, e apenas um deles será o mais baixo.

Um campo escalar φ em um falso vácuo. Observe que, se você rolar para baixo de uma colina, pode acabar no vácuo falso em vez do vácuo verdadeiro. Classicamente, você teria que dar a uma partícula no estado de falso vácuo energia suficiente para pular essa barreira, mas no universo quântico, é possível fazer um túnel diretamente para o verdadeiro estado de vácuo. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS STANNERED)

Na física clássica, se você ficar preso em um desses mínimos falsos, ou em um ponto baixo que não seja a configuração mais baixa possível, você ficará preso lá, a menos que algo apareça para dar a essa bola energia suficiente para ultrapassar os limites do poço em que está. Só então ele terá a oportunidade de começar a descer a colina novamente, com o potencial de eventualmente chegar a uma configuração de energia mais baixa, possivelmente terminando no estado de energia mais baixa (terra) de todos .

Mas na física quântica, você não precisa adicionar energia para que essa transição se torne possível. Em vez disso, no universo quântico, é possível pular espontaneamente de um desses falsos estados mínimos para uma configuração de energia mais baixa – mesmo diretamente para o estado fundamental – sem nenhuma energia externa. Esse fenômeno, conhecido como tunelamento quântico, é um processo probabilístico. Se as leis da natureza não proíba explicitamente que tal processo ocorra , então com certeza será. A única questão é quanto tempo vai demorar.

A transição através de uma barreira quântica é conhecida como tunelamento quântico, e a probabilidade de um evento de tunelamento ocorrer em um determinado período de tempo depende de uma variedade de parâmetros sobre as energias dos produtos e reagentes, as interações que são permitidas entre as partículas. envolvidos, e o número de passos permitidos necessários para chegar ao estado final. (AASF / UNIVERSIDADE DE GRIFFITH / CENTRO DE DINÂMICA QUÂNTICA)

Em geral, existem alguns fatores principais que determinam quanto tempo durará um estado instável (ou quase estável).

• Qual é a diferença de energia entre os reagentes e os produtos? (Diferenças maiores e diferenças percentuais maiores se traduzem em tempos de vida mais curtos.)
• Quão suprimida é a transição do seu estado atual para o estado final? (ou seja, qual é a magnitude da barreira de energia?)
• Quantos passos são necessários para ir do estado inicial ao estado final? (Menos passos levam a uma transição mais provável.)
• E qual é a natureza do caminho quântico que o leva até lá?

Uma partícula como um nêutron livre é instável, pois pode sofrer decaimento β, fazendo a transição para um próton, um elétron e um neutrino anti-elétron. (Tecnicamente, um dos quarks down dentro de β-decai em um quark up.) Uma partícula quântica diferente, o múon, também é instável e também sofre β-decaimento, fazendo a transição para um elétron, um neutrino anti-elétron e um múon. neutrino. Ambos são decaimentos fracos e ambos mediados pelo mesmo bóson de calibre. Mas como os produtos do decaimento do nêutron são 99,9% da massa dos reagentes, enquanto os produtos do decaimento do múon são apenas ~0,05% dos reagentes, o tempo de vida médio do múon é medido em microssegundos, enquanto um nêutron livre vive por cerca de 15 minutos .

Ilustração esquemática do decaimento beta nuclear em um núcleo atômico maciço. O decaimento beta é um decaimento que prossegue através das interações fracas, convertendo um nêutron em um próton, elétron e um neutrino anti-elétron. O nêutron livre vive por cerca de 15 minutos como uma vida média, mas os nêutrons ligados podem ser estáveis ​​até onde os medimos. (WIKIMEDIA COMMONS USER INDUCTIVELOAD)

Medir partículas instáveis ​​individualmente é um excelente método para determinar suas propriedades, desde que tenham vida curta em comparação com as escalas de tempo humanas. Você pode observá-los um de cada vez e ver quanto tempo eles duram até que eventualmente se decomponham. Mas para partículas que vivem por tempos extremamente longos – mais do que a idade do Universo – essa abordagem não funcionará. Se você pegar uma partícula como o bismuto-209 e esperar por toda a idade do Universo (~ 10¹⁰ anos), há menos de 1 em um bilhão de chances de decair. É uma abordagem terrível.

Mas se você pegar um número enorme de partículas de bismuto-209, como O número de Avogadro deles (6,02 × 10²³), então depois de um ano um pouco mais de 30.000 deles decairiam. Se seu experimento fosse sensível o suficiente para medir essa pequena mudança na composição atômica de sua amostra, você seria capaz de detectar e quantificar o quão instável é o bismuto-209. Essa ideia foi um teste crítico para uma ideia importante na física de partículas na década de 1980: grandes teorias unificadas.

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. Nas grandes teorias unificadas, novas partículas adicionais que se acoplam às partículas do Modelo Padrão, como os bósons X e Y mostrados aqui, inevitavelmente levariam ao decaimento de prótons, que deve ser suprimido para concordar com as observações. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Em nosso atual Universo de baixa energia, temos quatro forças fundamentais: a força gravitacional, a força eletromagnética e as forças nucleares forte e fraca. Em altas energias, duas dessas forças – a força eletromagnética e a força nuclear fraca – unificam-se e tornam-se uma única força: a força eletrofraca. Em energias ainda mais altas, com base em ideias importantes da teoria de grupos em física de partículas, teoriza-se que a força nuclear forte se unifica com a força eletrofraca. Essa ideia, chamada de grande unificação, teria consequências importantes para um elemento vital da matéria: o próton.

Somente sob o Modelo Padrão, há nenhum bom caminho para o próton decair ; seu tempo de vida deve ser tão longo que, se monitorássemos cada próton no Universo durante o tempo de vida do Universo desde o Big Bang, exatamente zero deles deveria decair. Mas se a grande unificação estiver correta, então o próton deve ser facilmente capaz de decair em píons e (anti-)léptons, e deve ter uma vida útil de apenas ~10³⁰ anos no modelo mais simples. Isso pode parecer incompreensivelmente longo, mas os físicos têm uma maneira de testar isso.

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)

Tudo o que você precisa fazer é reunir prótons suficientes – como os átomos de hidrogênio em uma molécula de água – em um só lugar e construir um conjunto de detectores sensíveis o suficiente para identificar o sinal revelador que surgiria se os prótons decaíssem. Se você juntar 10³⁰ deles e esperar por um ano, poderá medir sua meia-vida se for menor que 10³⁰ anos e, caso contrário, colocar um limite menor em sua vida útil. Após décadas desses experimentos, combinados com as informações que aprendemos sobre o tempo de vida dos prótons em experimentos com detectores de neutrinos, agora sabemos que o tempo de vida do próton não pode ser menor do que cerca de 10³⁵ anos.

Isso nos diz que as grandes teorias unificadas mais simples não podem refletir nossa realidade , mas não nos diz se o próton é realmente estável ou não. Da mesma forma, núcleos atômicos estáveis ​​podem um dia decair; elétrons, neutrinos e fótons podem um dia decair; mesmo as ondas gravitacionais ou o próprio espaço podem não ser eternos. Algumas de nossas restrições mais fortes na física além do modelo padrão vêm da não observação desses e de outros decaimentos. Até os limites do que medimos, a maioria dos componentes do Universo parece estável.

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)

Mas a matéria em nosso Universo é realmente estável de alguma forma, ou tudo acabará - se esperarmos por tempos arbitrariamente longos - decair de alguma forma? É importante lembrar que o que estamos medindo com nossos experimentos é limitado a como estamos realizando nossos experimentos.

Por exemplo, um nêutron livre tem uma vida média de ~ 15 minutos, mas um nêutron em uma estrela de nêutrons tem energia de ligação suficiente para ser totalmente estável: nunca pode decair. Da mesma forma, é possível que prótons ou certos núcleos atômicos realmente sejam intrinsecamente instáveis, mas como os estamos medindo à medida que estão ligados em átomos e moléculas, os vemos como estáveis. Nossas conclusões são tão boas quanto os experimentos usados ​​para alcançá-las.

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)

No entanto, o fato de termos medido a estabilidade de tantas partículas fundamentais e compostas nos dá as restrições mais fortes de todas, de várias maneiras, sobre possíveis modificações no Modelo Padrão. Modelos simples de grande unificação são descartados. Muitas teorias supersimétricas estão completamente mortas. Outras ideias que introduzem novas partículas, incluindo teorias tecnicolor e teorias envolvendo dimensões extras, são restritas pela estabilidade observada da matéria em nosso Universo.

Embora o destino final da matéria em nosso Universo ainda não tenha sido determinado, a margem de manobra já é mais estreita do que muitas das maiores ideias que os físicos dos séculos 20 e 21 foram capazes de inventar. Podemos não saber tudo sobre o que é o Universo, mas é impressionante o quanto sabemos sobre o que o Universo não é.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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