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O 'Problema de PC Forte' é o quebra-cabeça mais subestimado de toda a física

No Modelo Padrão, prevê-se que o momento de dipolo elétrico do nêutron seja um fator de dez bilhões maior do que nossos limites observacionais mostram. A única explicação é que, de alguma forma, algo além do Modelo Padrão está protegendo essa simetria CP nas interações fortes. Podemos demonstrar muitas coisas na ciência, mas provar que o CP é conservado nas interações fortes nunca pode ser feito. No entanto, resolver o problema de CP forte pode estar mais próximo no horizonte do que quase todo mundo imagina. (TRABALHO DE DOMÍNIO PÚBLICO DE ANDREAS KNECHT)

Na física, tudo o que não é proibido deve ocorrer. Então, por que as interações fortes não violam a simetria CP?

Se você perguntar a um físico qual é o maior problema não resolvido que o campo enfrenta hoje, provavelmente obterá uma variedade de respostas. Alguns apontarão para o problema da hierarquia, perguntando-se por que as massas das partículas do Modelo Padrão têm os valores (pequenos) que observamos. Outros perguntarão sobre bariogênese, perguntando por que o Universo está cheio de matéria, mas não de antimatéria. Outras respostas populares são igualmente intrigantes: matéria escura, energia escura, gravidade quântica, a origem do Universo e se existe uma teoria definitiva de tudo para descobrirmos.

Mas um quebra-cabeça que nunca recebe a atenção que merece é conhecido há quase meio século: o problema de CP forte . Ao contrário da maioria dos problemas que exigem nova física que vai além do Modelo Padrão, o problema de PC forte é um problema do próprio Modelo Padrão. Aqui está o resumo de um problema ao qual todos deveriam prestar mais atenção.

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 ainda existem muitos quebra-cabeças que permanecem sem resposta, como a ausência observada de forte violação de CP, com o Modelo Padrão em sua Forma Atual. (PROJETO DE EDUCAÇÃO FÍSICA CONTEMPORÂNEA / DOE / NSF / LBNL)

Quando a maioria de nós pensa no Modelo Padrão, pensamos nas partículas fundamentais que compõem o Universo e nas interações que ocorrem entre elas. Do lado das partículas, temos os quarks e léptons, juntamente com as partículas portadoras de força que governam as interações eletromagnéticas, fracas e fortes.

Existem seis tipos de quarks (e antiquarks), cada um com cargas elétricas e de cor, e seis tipos de léptons (e anti-léptons), três dos quais têm cargas elétricas (como o elétron e seus primos mais pesados) e três dos quais não possuem carga elétrica. 't (os neutrinos). Mas enquanto a força eletromagnética tem apenas uma partícula portadora de força associada a ela (o fóton), a força nuclear fraca e a força nuclear forte têm muitas: três bósons de calibre (o W+, W- e Z) para a interação fraca e oito deles (os oito glúons diferentes) para a interação forte.

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 elas não descrevem tudo, como a matéria escura, ou por que não há violação de CP nas interações fortes. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Por que tantos? É onde as coisas começam a ficar interessantes. Na maior parte da matemática convencional que usamos, incluindo a maior parte da matemática que usamos para modelar sistemas físicos simples, todas as operações são o que chamamos de comutativas. Simplificando, comutativo significa que não importa em que ordem você faz suas operações. 2 + 3 é o mesmo que 3 + 2 e 5 * 8 é o mesmo que 8 * 5; ambos são comutativos.

Mas outras coisas fundamentalmente não comutam. Por exemplo, pegue seu celular e segure-o de forma que a tela fique voltada para o seu rosto. Agora, tente fazer cada uma das duas coisas a seguir:

• gire a tela 90 graus no sentido anti-horário ao longo da direção de profundidade (de modo que a tela ainda fique voltada para o seu rosto) e, em seguida, gire-a 90 graus no sentido horário ao longo do eixo vertical (de modo que a tela fique voltada para a esquerda).
• Começando de novo, faça as mesmas duas rotações, mas na ordem oposta: gire a tela 90 graus no sentido horário ao longo do eixo vertical (para que a tela fique voltada para a esquerda) e agora gire-a 90 graus no sentido anti-horário ao longo da direção da profundidade (para que a tela fique voltada para baixo) .

As mesmas duas rotações, mas na ordem oposta, levam a um resultado final totalmente diferente.

O último celular do autor na era pré-smartphone exemplifica como as rotações no espaço 3D não comutam. À esquerda, as linhas superior e inferior começam na mesma configuração. No topo, uma rotação de 90 graus no sentido anti-horário no plano da fotografia é seguida por uma rotação de 90 graus no sentido horário em torno do eixo vertical. Na parte inferior, as mesmas duas rotações são executadas, mas na ordem oposta. Isso demonstra a não comutatividade das rotações. (E. SIEGEL)

Quando se trata do Modelo Padrão, as interações que usamos são um pouco mais complicadas matematicamente do que adição, multiplicação ou mesmo rotações, mas o conceito é o mesmo. Em vez de falar se um conjunto de operações é comutativo ou não comutativo, falamos se o grupo (da teoria matemática dos grupos) que descreve essas interações é abeliano ou não abeliano , em homenagem ao grande matemático Niels Abel .

No Modelo Padrão, o eletromagnetismo é simplesmente abeliano, enquanto as forças nucleares, fracas e fortes, são não abelianas. Em vez de adição, multiplicação ou rotações, a diferença entre abeliano e não abeliano aparece em simetrias. As teorias abelianas devem ter interações simétricas sob:

• C (conjugação de carga), que substitui partículas por antipartículas,
• P (paridade), que substitui todas as partículas com suas contrapartes de imagem espelhada,
• e T (reversão do tempo), que substitui as interações que avançam no tempo por aquelas que retrocedem no tempo,

enquanto as teorias não abelianas devem mostrar diferenças.

Partículas instáveis, como a grande partícula vermelha na foto acima, decairão através de interações fortes, eletromagnéticas ou fracas, produzindo partículas 'filhas' quando o fizerem. Se o processo que ocorre em nosso Universo ocorre em uma taxa diferente ou com propriedades diferentes, se você observar o processo de decaimento da imagem no espelho, isso viola a Paridade ou P-simetria. Se o processo espelhado for o mesmo em todos os aspectos, então a P-simetria é conservada. Substituir partículas por antipartículas é um teste de simetria C, enquanto fazer as duas simultaneamente é um teste de simetria CP. (CERN)

Para as interações eletromagnéticas, C, P e T são todos conservados individualmente, e também são conservados em qualquer combinação (CP, PT, CT e CPT). Para as interações fracas, C, P e T foram todos violados individualmente, assim como as combinações de quaisquer dois (CP, PT e CT), mas não todos os três juntos (CPT).

É aí que entra o problema. No Modelo Padrão, certas interações são proibidas, enquanto outras são permitidas. Para a interação eletromagnética, as violações de C, P e T são todas proibidas individualmente. Para as interações fraca e forte, a violação dos três em conjunto (CPT) é proibida. Mas a combinação de C e P juntos (CP), embora permitida nas interações fraca e forte, só foi vista na interação fraca. O fato de ser permitido na interação forte, mas não visto, é o problema do PC forte.

Trocar partículas por antipartículas e refleti-las em um espelho simultaneamente representa a simetria CP. Se os decaimentos anti-espelho forem diferentes dos decaimentos normais, CP é violado. A simetria de reversão de tempo, conhecida como T, também deve ser violada se CP for violado. Ninguém sabe por que a violação de CP, que é totalmente permitida em ambas as interações fortes e fracas no Modelo Padrão, só aparece experimentalmente nas interações fracas. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Em 1956, ao escrever sobre física quântica, Murray Gell-Mann cunhou o que hoje é conhecido como o princípio totalitário : Tudo o que não é proibido é obrigatório. Embora muitas vezes seja mal interpretado, é 100% correto se entendermos que, se não houver uma lei de conservação proibindo a ocorrência de uma interação, há uma probabilidade finita e diferente de zero de que essa interação ocorra.

Nas interações fracas, a violação de CP ocorre aproximadamente no nível 1 em 1.000, e talvez se esperasse ingenuamente que ocorresse nas interações fortes aproximadamente no mesmo nível. No entanto, procuramos por violação de CP extensivamente e sem sucesso. Se ocorrer, é suprimido por mais de um fator de um bilhão (10⁹), algo tão surpreendente que não seria científico simplesmente atribuir isso apenas ao acaso.

Quando vemos algo como uma bola equilibrada precariamente no topo de uma colina, isso parece ser o que chamamos de estado de sintonia fina, ou estado de equilíbrio instável. Uma posição muito mais estável é a bola estar em algum lugar no fundo do vale. Sempre que nos deparamos com uma situação física bem afinada, há boas razões para buscar uma explicação com motivação física para ela. (LUIS ÁLVAREZ-GAUMÉ & JOHN ELLIS, NATURE PHYSICS 7, 2–3 (2011))

Se você foi treinado em física teórica, seu primeiro instinto seria propor uma nova simetria que suprima os termos que violam o CP nas interações fortes e, de fato, os físicos Roberto Peccei e Helen Quinn inventaram essa simetria pela primeira vez em 1977 . Como a maioria das teorias, ela cria a hipótese de um novo parâmetro (neste caso, um novo campo escalar) para resolver o problema. Mas ao contrário de muitos modelos de brinquedos, este pode ser posto à prova.

Se a nova ideia de Peccei e Quinn estivesse correta, deveria prever a existência de uma nova partícula: o áxion. O áxion deve ser extremamente leve, não deve ter carga e deve ser extraordinariamente abundante em número. Na verdade, é uma partícula candidata perfeita à matéria escura. E em 1983, o físico teórico Pierre Sikivie * reconheceu que uma das consequências de tal áxion seria que o experimento certo poderia detectá-los de forma viável aqui mesmo em um laboratório terrestre.

A configuração criogênica de um dos experimentos que procura explorar as interações hipotéticas entre matéria escura e eletromagnetismo, focou em um candidato de baixa massa: o áxion. No entanto, se a matéria escura não tiver as propriedades específicas que os experimentos atuais estão testando, nenhum dos que imaginamos jamais a verá diretamente: mais motivação para buscar todas as evidências indiretas possíveis. (AXION DARK MATTER EXPERIMENT (ADMX) / LLNL'S FLICKR)

Isso marcou o nascimento do que se tornaria o Axion Dark Matter eXperiment (ADMX) , que vem procurando por áxions nas últimas duas décadas. Ele colocou restrições tremendamente boas sobre a existência e as propriedades dos áxions, descartando a formulação original de Peccei e Quinn, mas deixando em aberto a possibilidade de que uma simetria estendida de Peccei-Quinn ou um número de alternativas de qualidade poderiam resolver o problema de CP forte e levar a uma matéria escura convincente candidato.

A partir de 2019, nenhuma evidência de áxions foi vista, mas as restrições são melhores do que nunca e o experimento está sendo atualizado para procurar inúmeras variedades de áxions e partículas semelhantes a áxions. Se mesmo uma fração da matéria escura é feita de tal partícula, ADMX, aproveitando (o que eu conheço como) uma cavidade Sikivie, será o primeiro a descobri-la diretamente.

À medida que o detector ADMX é removido de seu ímã, o hélio líquido usado para resfriar o experimento forma vapor. O ADMX é o primeiro experimento no mundo dedicado à busca de áxions como potencial candidato à matéria escura, motivado por uma possível solução para o problema do PC forte. (RAKSHYA KHATIWADA / FNAL)

No início deste mês, foi anunciado que Pierre Sikivie será o ganhador do Prêmio Sakurai de 2020, um dos prêmios mais prestigiosos da física. No entanto, apesar das previsões teóricas em torno do áxion, da busca por sua existência e da busca por medir suas propriedades, é eminentemente possível que tudo isso seja baseado em uma ideia atraente, bonita, elegante, mas não física.

A solução para o problema do CP forte pode não estar em uma nova simetria semelhante à proposta por Peccei e Quinn, e axions (ou partículas semelhantes a axion) podem não existir em nosso Universo. Esta é mais uma razão para examinar o Universo de todas as maneiras possíveis à nossa disposição tecnológica: na física teórica, há um número quase infinito de soluções possíveis para qualquer quebra-cabeça que possamos identificar. Somente através de experimentos e observações podemos esperar descobrir qual deles se aplica ao nosso Universo.

Acredita-se que nossa galáxia esteja inserida em um enorme halo difuso de matéria escura, indicando que deve haver matéria escura fluindo através do sistema solar. Embora ainda tenhamos que detectar a matéria escura diretamente, o fato de ela estar ao nosso redor torna a possibilidade de detectá-la, se pudermos supor suas propriedades corretamente, uma possibilidade real no século XXI. (ROBERT CALDWELL & MARC KAMIONKOWSKI NATURE 458, 587–589 (2009))

Em quase todas as fronteiras da física teórica, os cientistas estão lutando para explicar o que observamos. Não sabemos o que compõe a matéria escura; não sabemos o que é responsável pela energia escura; não sabemos como a matéria venceu a antimatéria nos estágios iniciais do Universo. Mas o problema do PC forte é diferente: é um quebra-cabeça não por causa de algo que observamos, mas por causa da ausência observada de algo que é tão esperado.

Por que, nas interações fortes, as partículas que decaem combinam exatamente com os decaimentos das antipartículas em uma configuração de imagem espelhada? Por que o nêutron não tem um momento de dipolo elétrico? Muitas soluções alternativas para uma nova simetria, como um dos quarks sem massa, estão agora descartadas. A natureza existe apenas dessa maneira, desafiando nossas expectativas?

Através dos desenvolvimentos corretos na física teórica e experimental, e com uma pequena ajuda da natureza, podemos descobrir.

* Divulgação do autor: Pierre Sikivie foi professor do autor e membro de seu comitê de dissertação na pós-graduação durante o início dos anos 2000. Ethan Siegel alega não haver mais conflito de interesses.

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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