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O modelo padrão é uma teoria órfã agora

As partículas e antipartículas do Modelo Padrão obedecem a todo tipo de leis de conservação, com diferenças fundamentais entre partículas fermiônicas e antipartículas e bosônicas. A peça final do quebra-cabeça que levou ao moderno Modelo Padrão foi a unificação eletrofraca, apresentada pela primeira vez pelo artigo de Steven Weinberg, 'A Model Of Leptons' em 1967. (E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)

Apenas as melhores teorias físicas sobrevivem às mentes que as inventaram.

Ao longo do século 20, uma série de descobertas revolucionaram nosso Universo. A descoberta da estrutura interior dos átomos, bem como da radioatividade, levou à revolução quântica, expondo as regras bizarras e contra-intuitivas que a natureza desempenha em um nível fundamental. O nascimento e o crescimento da física de partículas experimental levaram a enormes desenvolvimentos teóricos, permitindo que tudo o que observamos fosse representado como compostos de quanta indivisíveis. Finalmente, no final da década de 1960, as peças teóricas finais do nosso Universo quântico foram postas em prática, completando o que conhecemos hoje como o Modelo Padrão. Mais de meio século depois, todas as previsões que já foram feitas foram confirmadas por experimentos, sem nenhum conflito.

Indiscutivelmente a pessoa mais importante para completar o desenvolvimento teórico do Modelo Padrão de partículas elementares foi Steven Weinberg. Em 23 de julho de 2021, ele faleceu aos 88 anos, deixando para trás um rico legado de realizações que abrangem uma ampla gama de tópicos da física teórica. Embora ele possa ter deixado este mundo, suas contribuições estão destinadas a sobreviver a ele, pois agora são centrais não apenas para a própria física, mas foram altamente influentes e educacionais para gerações de físicos. Embora o Modelo Padrão seja agora uma teoria órfã, tendo superado seus principais arquitetos, seu reinado como a teoria de maior sucesso na história da ciência continua, assim como o legado das contribuições de Weinberg para o campo. Mesmo para físicos e estudantes de física que nunca tiveram a oportunidade de conhecê-lo pessoalmente, sua influência duradoura foi nada menos que titânica.

Quando a simetria eletrofraca é quebrada, o W+ obtém sua massa comendo o Higgs carregado positivamente, o W- comendo o Higgs carregado negativamente e o Z0 comendo o Higgs neutro. O outro Higgs neutro torna-se o bóson de Higgs, detectado e descoberto há uma década no LHC. O fóton, a outra combinação do bóson W3 e B, permanece sem massa. (FLIP TANEDO / DIÁRIOS QUÂNTICOS)

Um modelo de léptons . Em 1967, Weinberg apresentou um papel com menos de três páginas que - pela primeira vez - supôs corretamente a estrutura de partículas da unificação eletrofraca. O grande problema na época era que qualquer simetria quebrada inevitavelmente resulta na geração de pelo menos um bóson de calibre sem massa, conhecido como bóson de Goldstone. Mas, para explicar os decaimentos radioativos, bem como os outros efeitos da força fraca, um conjunto maciço de bósons de spin-1 precisava existir. Este foi o problema que Weinberg se propôs a abordar em seu artigo, simplesmente intitulado, Um modelo de léptons .

Weinberg começou com a hipótese de um estado ininterrupto, unificado e mais simétrico que aparece em altas energias, depois se rompe em alguma escala de energia mais baixa para produzir as forças fracas e eletromagnéticas que vemos hoje. O que Weinberg mostrou foi que, se os campos de fótons e bósons intermediários servem como campos de calibre - o que eles fazem no caso do mecanismo de Higgs -, essa simetria quebrada pode levar a:

• um fóton sem massa,
• um conjunto pesado de três bósons que servem como transportador de força para a carga fraca,
• o bóson de Higgs restante
• e um conjunto específico de propriedades altamente restritas de como elétrons e múons se acoplariam a essas forças.

Embora muitos outros tenham feito contribuições muito importantes para o quebra-cabeça, Weinberg foi o primeiro a juntar as peças teóricas para criar o que hoje conhecemos como o Modelo padrão . Em todos os experimentos de física de partículas que surgiram desde então, nenhum discordou de suas previsões.

Os canais de decaimento de Higgs observados versus o acordo do Modelo Padrão, com os dados mais recentes do ATLAS e do CMS incluídos. O acordo é surpreendente, mas há outliers (o que é esperado) quando as barras de erro são maiores. Com as maiores precisões já obtidas, os resultados experimentais concordam com as previsões do Modelo Padrão. (ANDRÉ DAVID, VIA TWITTER)

O mecanismo de Weinberg não era apenas presciente, mas correto. Mesmo sua proposta inicial, sobre a qual ele escreveu cautelosamente, É claro que nosso modelo tem muitas características arbitrárias para que essas previsões sejam levadas muito a sério... acabou sendo um grande sucesso. A descoberta do Bósons W-e-Z – o último dos quais até deve seu nome a Weinberg – justificou a noção de unificação, assim como suas grandes massas que, de fato, apareceram na mesma escala de massa prevista. Em 1973, as interações de corrente neutra foram observadas experimentalmente no CERN, mais uma vez exatamente como Weinberg havia previsto.

Para o bem e para o mal, o sucesso dessa abordagem levou a muitas tentativas subsequentes de criar uma extensão mais unificada do Modelo Padrão. As várias grandes teorias unificadas, as imposições de simetrias adicionais como a supersimetria e o surgimento da teoria das (super)cordas seguiram o mesmo procedimento que levou à formulação do Modelo Padrão. Weinberg aprovou muito essa abordagem e até escreveu um livro elogiando-a: Sonhos de uma teoria final . Com a morte de Weinberg, Sheldon Glashow – que dividiu o Prêmio Nobel de 1979 com Weinberg e Abdus Salam, e que está tão desencantado pela Teoria das Cordas quanto Weinberg estava entusiasmado com ela – permanece como o último cientista remanescente conectado à unificação eletrofraca.

Nosso Universo, desde o quente Big Bang até os dias atuais, passou por um enorme crescimento e evolução, e continua a fazê-lo. Todo o nosso Universo observável era aproximadamente do tamanho de uma bola de futebol há cerca de 13,8 bilhões de anos, mas se expandiu para um raio de ~46 bilhões de anos-luz hoje. O que aconteceu nos primeiros ~3 minutos leva a uma assinatura que ainda é observável hoje. (NASA/CXC/M.WEISS)

Os primeiros três minutos . Com o Modelo Padrão agora em vigor para descrever as forças, partículas e campos que permeiam o Universo, o próximo passo lógico foi combinar nosso conhecimento de física de partículas com nosso conhecimento de gravitação e do Universo. Não, não tentando construir uma teoria de tudo, mas sim aplicando nosso conhecimento de física de partículas aos estágios anteriores, mais quentes e mais densos do Universo. Como o Universo que observamos está se expandindo e esfriando hoje, o Big Bang nos diz que era mais quente, mais denso e mais uniforme no passado.

Trabalhar as previsões científicas para o que esperamos que seja o Universo primitivo – e como isso se traduz em propriedades que podemos observar hoje – tornou-se uma linha de pesquisa incrivelmente importante, levando aos campos de pesquisa modernos de cosmologia física e física de astropartículas. E, como muitos cientistas que se especializaram nesses campos, o livro que me apresentou a esses conceitos e como eles se relacionavam com o Universo foi o livro popular de Steven Weinberg de 1977, Os primeiros três minutos .

As abundâncias previstas de hélio-4, deutério, hélio-3 e lítio-7 conforme previsto pela Nucleossíntese do Big Bang, com observações mostradas nos círculos vermelhos. Isso corresponde a um Universo onde ~4-5% da densidade crítica está na forma de matéria normal. Com outros ~ 25-28% na forma de matéria escura, apenas cerca de 15% da matéria total no Universo pode ser normal, com 85% na forma de matéria escura. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)

Como muitos de meus contemporâneos, este livro foi minha primeira introdução ao Big Bang em um nível de detalhes sangrento que realmente me permitiu afundar meus dentes nele. O Universo quente e denso, quando era muito jovem, tinha quantidades iguais de matéria e antimatéria. À medida que esfriava, os excessos se aniquilavam, deixando apenas o excesso de matéria. Durante esses primeiros três minutos:

• prótons e nêutrons se interconvertem um no outro através de interações com elétrons e neutrinos,
• os neutrinos param de interagir enquanto as interações fracas congelam,
• então os elétrons e pósitrons se aniquilam,
• então os fótons energéticos impedem a formação estável do deutério,
• enquanto os nêutrons livres decaem em prótons,
• então, finalmente, o Universo esfria o suficiente para que o deutério possa se formar,
• levando à fusão e às abundâncias iniciais dos núcleos leves,

que permanecem, e podem ser medidos posteriormente, inclusive hoje. Embora meus professores na época recomendassem o trabalho de Weinberg Gravitação e Cosmologia como o livro com o qual eu deveria me ensinar Relatividade Geral, já que não o estamos oferecendo aos alunos de graduação este ano (uma ideia terrível, a propósito), seu relato popular mais bem escrito não foi apenas uma introdução muito superior ao assunto, mas foi uma excelente preparação, do ponto de vista conceitual, para realmente se tornar um profissional da área.

Em vez de adicionar uma constante cosmológica, a energia escura moderna é tratada como apenas mais um componente de energia no Universo em expansão. Esta forma generalizada das equações mostra claramente que um Universo estático está fora e ajuda a visualizar a diferença entre adicionar uma constante cosmológica e incluir uma forma generalizada de energia escura. (2014 UNIVERSIDADE DE TÓQUIO; KAVLI IPMU)

Espaço vazio não é nada . Quando ele apresentou sua teoria da Relatividade Geral, Einstein acrescentou um termo que era matematicamente permitido, mas que era fisicamente mal motivado: uma constante cosmológica. Observando que um Universo estático cheio de matéria seria instável, ele adicionou este parâmetro para evitar que o Universo entre em colapso, pois sem ele, apenas expansão ou contração são permitidas; você não pode permanecer imutável. Quando descobrimos o Universo em expansão, nós o jogamos fora, onde permaneceu por décadas.

Na sequência e de forma completamente independente, desenvolvemos a teoria quântica de campos, que afirma que cada força fundamental tem seu próprio campo associado a ela, e esses campos permeiam todo o espaço, independentemente de haver uma fonte carregada para esse campo presente ou não. Temos prescrições na teoria quântica de campos para calcular as contribuições dos efeitos das diferentes interações permitidas nas partículas, o que nos permite fazer previsões para os resultados de experimentos de física de partículas. No entanto, há outro efeito: esses campos quânticos contribuem para a energia geral presente no próprio espaço vazio, conhecido alternadamente como o valor esperado do vácuo do espaço vazio ou como a energia do ponto zero do próprio espaço. Em termos de seus efeitos, desempenha um papel idêntico na cosmologia à constante cosmológica de Einstein.

Medir no tempo e na distância (à esquerda de hoje) pode informar como o Universo irá evoluir e acelerar/desacelerar no futuro. Podemos aprender que a aceleração foi ativada há cerca de 7,8 bilhões de anos com os dados atuais, mas também aprender que os modelos do Universo sem energia escura têm constantes de Hubble muito baixas ou idades muito jovens para corresponder às observações. Uma constante cosmológica muito grande, positiva ou negativamente, tornaria impossível a formação de qualquer estrutura cósmica. (SAUL PERLMUTTER DE BERKELEY)

O problema é que, na abordagem tradicional, ou temos um absurdo (um valor absurdamente grande que teria destruído o Universo há muito tempo, cerca de 120 ordens de magnitude muito grande) ou assumimos que todas essas contribuições eram insignificantes e, de alguma forma, anuladas. ser nulo.

Em 1987, no entanto, Steven Weinberg publicou uma ideia radical, notavelmente diferente : que você poderia calcular o limite superior para a constante cosmológica simplesmente limitada pela restrição que seu Universo deve permitir a formação de objetos gravitacionalmente ligados. O que ele descobriu foi que o valor limite era apenas 118 ordens de grandeza menor do que o resultado de cálculo ingênuo e absurdo.

Isso o levou a especular que deveríamos ter uma constante cosmológica diferente de zero para o Universo, e que não seria surpreendente se estivesse dentro de uma ou duas ordens de magnitude desse valor limite. 11 anos depois, foi exatamente isso que concluímos sobre o Universo, confirmando a hipótese especulativa de Weinberg de que a energia do ponto zero do espaço vazio não é zero, mas tem um valor pequeno, mas significativamente diferente de zero. Afinal, o nada do espaço vazio não está exatamente de acordo com nossas ideias de nada.

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)

Teoria de campo eficaz . Este é geralmente subestimado, mesmo no campo da física, mas sua importância não pode ser exagerada. Quando estamos especulando sobre cenários teóricos que não podem ser testados diretamente por experimentos, precisamos encontrar uma maneira de extrair previsões fenomenológicas significativas. Embora alguns físicos prefiram jogar um jogo de adivinhar exatamente a teoria, isso geralmente é improdutivo, pois é desnecessariamente excessivamente complexo fazê-lo.

Em vez disso, uma abordagem muito superior – pelo menos em termos de extração de previsões significativas que podem impactar observáveis ​​indiretamente relacionados – é usar um modelo simplificado que captura as propriedades mais importantes da ideia teórica em jogo: um modelo de brinquedo. Usamos essa abordagem o tempo todo, inclusive na modelagem de fenômenos como inflação cósmica ou dimensões extras, para nos ajudar a entender como vários parâmetros mensuráveis ​​serão afetados por diferentes cenários. Esse tipo de trabalho nos permitiu colocar enormes restrições sobre quais encarnações de várias ideias permanecem viáveis, versus quais podem ser descartadas sem maiores considerações.

Alguns termos que contribuem para a energia do ponto zero na eletrodinâmica quântica. Embora frequentemente assumamos o valor dessas contribuições para a soma do vácuo quântico a zero, não há base sólida para essa suposição. (R. L. JAFFE; ARXIV: 0503158)

Essa ideia básica afirma que, em vez de trabalhar com (e precisar conhecer) a teoria quântica de campos exata subjacente ao fenômeno que estamos investigando, podemos usar um modelo simplificado dessa teoria de campo: um teoria de campo eficaz (EFT), em vez disso. Embora Weinberg tenha cunhado o termo e muitos de nós o usemos no contexto de outras teorias quânticas, ele mesmo observou que é absolutamente essencial, em sua mente, abordar a gravidade quântica.

Meu pensamento sobre EFTs sempre foi em parte condicionado por pensar em como podemos lidar com uma teoria quântica da gravitação. Você não pode representar a gravidade por uma simples teoria renormalizável como o Modelo Padrão, então o que você faz? Na verdade, você trata a relatividade geral da mesma forma que trata os pions de baixa energia, que são descritos por uma teoria não renormalizável de baixa energia…

Mostrei como você pode gerar uma série de potências para qualquer amplitude de espalhamento em potências de energia, em vez de uma pequena constante de acoplamento. A ideia da EFT é que qualquer interação possível está lá: se não é proibido, é obrigatório. Mas os termos mais altos e mais complicados são suprimidos por potências negativas de alguma massa muito grande porque a dimensionalidade das constantes de acoplamento é tal que elas têm potências negativas de massa, como a constante gravitacional. Por isso são tão fracos.

Em outras palavras, trabalhar com teorias de campo eficazes permite que você entenda como vários termos e fenômenos contribuem para o que você está tentando observar, mesmo quando você não trabalha (ou não pode) trabalhar com a teoria completa em todos os seus detalhes sangrentos. .

As partículas e forças do Modelo Padrão. Não foi comprovado que a matéria escura interaja através de nenhum deles, exceto gravitacionalmente, e é um dos muitos mistérios que o Modelo Padrão não pode explicar. (PROJETO DE EDUCAÇÃO FÍSICA CONTEMPORÂNEA / DOE / NSF / LBNL)

Não há uma boa maneira de resumir uma vida humana em apenas um único artigo, principalmente quando é alguém com quem você se sentiu conectado de várias maneiras, mas nunca conheceu. Steven Weinberg frequentou a mesma escola que eu (embora 46 anos antes), escreveu muitos livros e artigos antes de eu nascer, com os quais mais tarde estudaria e aprenderia, e permaneceu uma figura ativa e influente até sua morte. Ele também é um ícone nas comunidades ateístas, judaicas e reducionistas filosóficas, entre outras, bem como por sua conquista mais famosa: completar a teoria científica de maior sucesso da história, o Modelo Padrão de partículas elementares.

É lamentável – e verdade – que não tenhamos ideia se as abordagens que adotamos para chegar a esse ponto nos levarão adiante em nossos esforços para entender o Universo. Apesar de todas as ferramentas e técnicas que desenvolvemos, não temos como saber quais de nossas ideias atuais, se alguma delas, ajudarão a apontar o caminho para desvendar nossos maiores mistérios científicos atuais. A força forte se unifica com a força eletrofraca? Existe uma teoria quântica da gravidade e, em caso afirmativo, como ela se parece? O que causou a inflação e quais foram suas propriedades? O que são matéria escura e energia escura? Estas são as questões existenciais que atormentam a física e a astronomia aqui em 2021, questões que não tínhamos capacidade de fazer quando Steven Weinberg começou sua carreira.

Desde então até agora, tem sido uma jornada notável, e nós o tivemos conosco para ajudar não apenas a abrir essa trilha, mas também a trazer muitos de nós junto com ele para o passeio. Os próximos passos, sem ele, serão muito mais difíceis de dar.

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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