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Esta é a única simetria que o universo nunca deve violar

Uma configuração do sistema usado pela colaboração BaBar para testar a violação de simetria de reversão de tempo diretamente. A partícula ϒ(4s) foi criada, ela decai em dois mésons (que pode ser uma combinação B/anti-B), e então ambos os mésons B e anti-B irão decair. Se as leis da física não forem invariantes no tempo, os diferentes decaimentos em uma ordem específica exibirão propriedades diferentes. Isso foi confirmado em 2012 pela primeira vez: a primeira violação direta da simetria T. (APS / ALAN QUEBRADOR DE PEDRA)

A combinação de conjugação de carga, paridade e simetria de reversão no tempo é conhecida como CPT. E nunca deve ser quebrado. Sempre.

O objetivo final da física é descrever com precisão, com a maior precisão possível, exatamente como cada sistema físico que pode existir em nosso Universo se comportará. As leis da física precisam ser aplicadas universalmente: as mesmas regras devem funcionar para todas as partículas e campos em todos os locais em todos os momentos. Eles devem ser bons o suficiente para que, independentemente das condições existentes ou dos experimentos que realizamos, nossas previsões teóricas correspondam aos resultados medidos.

As teorias físicas mais bem-sucedidas de todas são as teorias quânticas de campo que descrevem cada uma das interações fundamentais que ocorrem entre as partículas, juntamente com a Relatividade Geral, que descreve o espaço-tempo e a gravitação. E, no entanto, há uma simetria fundamental que se aplica não apenas a todas essas leis físicas, mas a todos os fenômenos físicos: Simetria CPT . E por quase 70 anos, conhecemos o teorema que nos proíbe de violá-lo.

Existem muitas letras do alfabeto que apresentam simetrias particulares. Observe que as letras maiúsculas mostradas aqui têm uma e apenas uma linha de simetria; letras como I ou O têm mais de um. Essa simetria de 'espelho', conhecida como Paridade (ou P-simetria), foi verificada para todas as interações fortes, eletromagnéticas e gravitacionais, sempre que testadas. No entanto, as interações fracas ofereceram uma possibilidade de violação de paridade. A descoberta e confirmação disso valeu o Prêmio Nobel de Física de 1957. (MATH-ONLY-MATH.COM)

Para a maioria de nós, quando ouvimos a palavra simetria, pensamos em refletir as coisas em um espelho. Algumas das letras do nosso alfabeto apresentam esse tipo de simetria: A e T são simétricas verticalmente, enquanto B e E são simétricas horizontalmente. O é simétrico em relação a qualquer linha que você desenhe, assim como a simetria rotacional: não importa como você a gire, sua aparência permanece inalterada.

Mas também existem outros tipos de simetria. Se você tem uma linha horizontal e se desloca horizontalmente, ela permanece a mesma linha horizontal: isso é simetria translacional. Se você está dentro de um vagão de trem e os experimentos que você realiza dão o mesmo resultado se o trem está parado ou se movendo rapidamente na pista, isso é uma simetria sob impulsos (ou transformações de velocidade). Algumas simetrias sempre se mantêm sob nossas leis físicas, enquanto outras só são válidas enquanto certas condições forem atendidas.

Diferentes quadros de referência, incluindo diferentes posições e movimentos, veriam diferentes leis da física (e discordariam da realidade) se uma teoria não fosse relativisticamente invariante. O fato de termos uma simetria sob ‘aumentos’, ou transformações de velocidade, nos diz que temos uma quantidade conservada: momento linear. O fato de uma teoria ser invariante sob qualquer tipo de transformação de coordenadas ou velocidade é conhecido como invariância de Lorentz, e qualquer simetria invariante de Lorentz conserva a simetria CPT. No entanto, C, P e T (assim como as combinações CP, CT e PT) podem ser violadas individualmente. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO KREA)

Se quisermos descer a um nível fundamental e considerar as menores partículas indivisíveis que compõem tudo o que conhecemos em nosso Universo, vamos olhar para as partículas do Modelo Padrão. Consistindo de férmions (quarks e léptons) e bósons (glúons, fótons, bósons W-e-Z e Higgs), eles compreendem todas as partículas que conhecemos que compõem a matéria e a radiação que realizamos diretamente nos experimentos. no Universo.

Podemos calcular as forças entre quaisquer partículas em qualquer configuração e determinar como elas se moverão, interagirão e evoluirão ao longo do tempo. Podemos observar como as partículas de matéria se comportam nas mesmas condições que as partículas de antimatéria e determinar onde são idênticas e onde são diferentes. Podemos realizar experimentos que são as contrapartes de imagem espelhada de outros experimentos e observar os resultados. Todos os três testam a validade de várias simetrias.

As partículas e antipartículas do Modelo Padrão obedecem a todo tipo de leis de conservação, mas existem pequenas diferenças entre o comportamento de certos pares de partículas/antipartículas que podem ser indícios da origem da bariogênese. Os quarks e léptons são exemplos de férmions, enquanto os bósons (linha inferior) mediam forças e surgem como consequência da origem da massa. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Na física, essas três simetrias fundamentais têm nomes.

1. Conjugação de carga (C) : essa simetria envolve a substituição de cada partícula em seu sistema por sua contraparte de antimatéria. É chamado de conjugação de carga porque cada partícula carregada tem uma carga oposta (como carga elétrica ou de cor) para sua antipartícula correspondente.
2. Paridade (P) : essa simetria envolve a substituição de cada partícula, interação e decaimento por sua contraparte de imagem espelhada.
3. Simetria de reversão de tempo (T) : essa simetria exige que as leis da física que afetam as interações das partículas se comportem exatamente da mesma maneira, quer você faça o relógio avançar ou retroceder no tempo.

A maioria das forças e interações que estamos acostumados obedecem a cada uma dessas três simetrias de forma independente. Se você jogasse uma bola no campo gravitacional da Terra e ela tivesse uma forma semelhante a uma parábola, não importaria se você substituísse as partículas por antipartículas (C), não importaria se você refletisse sua parábola em um espelho ou não (P), e não importaria se você corresse o relógio para frente ou para trás (T), desde que você ignorasse coisas como a resistência do ar e quaisquer colisões (inelásticas) com o solo.

A natureza não é simétrica entre partículas/antipartículas ou entre imagens especulares de partículas, ou ambas, combinadas. Antes da detecção de neutrinos, que claramente violam simetrias-espelho, partículas fracamente decaídas ofereciam o único caminho potencial para identificar violações de simetria P. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Mas as partículas individuais não obedecem a tudo isso. Algumas partículas são fundamentalmente diferentes de suas antipartículas, violando a simetria C. Os neutrinos são sempre observados em movimento e perto da velocidade da luz. Se você apontar o polegar esquerdo na direção em que eles se movem, eles sempre giram na direção em que os dedos da mão esquerda se enrolam em torno do neutrino, enquanto os antineutrinos são sempre destros da mesma maneira.

Alguns decaimentos violam a paridade. Se você tem uma partícula instável que gira em uma direção e depois decai, seus produtos de decaimento podem ser alinhados ou anti-alinhados com o spin. Se a partícula instável exibe uma direcionalidade preferencial ao seu decaimento, então o decaimento da imagem espelhada exibirá a direcionalidade oposta, violando a P-simetria. Se você substituir as partículas no espelho por antipartículas, estará testando a combinação dessas duas simetrias: simetria CP.

Um méson normal gira no sentido anti-horário em torno de seu Pólo Norte e então decai com um elétron sendo emitido ao longo da direção do Pólo Norte. A aplicação da C-simetria substitui as partículas por antipartículas, o que significa que deveríamos ter um anti-tempo girando no sentido anti-horário em torno de seu decaimento do Pólo Norte emitindo um pósitron na direção Norte. Da mesma forma, a P-simetria inverte o que vemos em um espelho. Se partículas e antipartículas não se comportam exatamente da mesma forma sob as simetrias C, P ou CP, essa simetria é considerada violada. Até agora, apenas a interação fraca viola qualquer um dos três, mas é possível que haja violações em outros setores abaixo de nossos limites atuais. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Nas décadas de 1950 e 1960, foi realizada uma série de experimentos que testaram cada uma dessas simetrias e quão bem elas se comportavam sob as forças gravitacional, eletromagnética, nuclear forte e fraca. Talvez surpreendentemente, as interações fracas violaram as simetrias C, P e T individualmente, bem como combinações de quaisquer duas delas (CP, PT e CT).

Mas todas as interações fundamentais, cada uma delas, sempre obedecem à combinação de todas essas três simetrias: simetria CPT. A simetria CPT diz que qualquer sistema físico feito de partículas que se move para frente no tempo obedecerá às mesmas leis que o sistema físico idêntico feito de antipartículas, refletido em um espelho, que se move para trás no tempo. É uma simetria observada e exata da natureza no nível fundamental, e deve valer para todos os fenômenos físicos, mesmo aqueles que ainda temos que descobrir.

Os testes mais rigorosos de invariância CPT foram realizados em partículas semelhantes a mésons, léptons e bárions. A partir desses diferentes canais, a simetria CPT mostrou ser uma boa simetria para precisões melhores que 1 parte em 10 bilhões em todos eles, com o canal meson atingindo precisões de quase 1 parte em 1⁰¹⁸. (GERALD GABRIELSE / GRUPO DE PESQUISA GABRIELSE)

Na frente experimental, experimentos de física de partículas vêm operando há décadas para procurar violações da simetria CPT. Para precisões significativamente melhores do que 1 parte em 10 bilhões , observa-se que o CPT tem uma boa simetria nos sistemas méson (quark-antiquark), bárion (próton-antipróton) e lépton (elétron-pósitron). Nem um único experimento observou uma inconsistência com a simetria CPT, e isso é bom para o Modelo Padrão.

É também uma consideração importante do ponto de vista teórico, porque há um teorema CPT que exige que essa combinação de simetrias, aplicadas em conjunto, não seja violada. Embora fosse provado pela primeira vez em 1951 por Julian Schwinger, existem muitas consequências fascinantes que surgem devido ao fato de que a simetria CPT deve ser conservada em nosso Universo.

Podemos imaginar que existe um universo espelho ao nosso onde as mesmas regras se aplicam. Se a grande partícula vermelha mostrada acima é uma partícula com uma orientação com seu momento em uma direção, e ela decai (indicadores brancos) através de interações fortes, eletromagnéticas ou fracas, produzindo partículas 'filhas' quando o fazem, essa é a o mesmo que o processo de espelho de sua antipartícula com seu momento invertido (ou seja, movendo-se para trás no tempo). Se a reflexão do espelho sob todas as três simetrias (C, P e T) se comporta da mesma forma que a partícula em nosso Universo, então a simetria CPT é conservada. (CERN)

A primeira é que nosso Universo como o conhecemos seria indistinguível de uma encarnação específica de um anti-Universo. Se você mudar:

• a posição de cada partícula para uma posição que correspondia a uma reflexão através de um ponto (P inversão),
• cada partícula substituída por sua contraparte de antimatéria (reversão C),
• e o momento de cada partícula invertido, com a mesma magnitude e direção oposta, de seu valor presente (T reversão),

então esse anti-Universo evoluiria exatamente de acordo com as mesmas leis físicas do nosso próprio Universo.

Outra consequência é que se a combinação de CPT for válida, então cada violação de um deles (C, P ou T) deve corresponder a uma violação equivalente das outras duas combinadas (PT, CT ou CP, respectivamente) para conservar a combinação de CPT. Seu por que sabíamos que a violação T precisava ocorrer em certos sistemas décadas antes de sermos capazes de medi-lo diretamente, porque a violação do CP exigia que assim fosse.

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. Se C for violado, PT também será; se P for violado, CT também será; se T for violado, CP também será. (TRABALHO DE DOMÍNIO PÚBLICO DE ANDREAS KNECHT)

Mas a consequência mais profunda do teorema CPT é também uma conexão muito profunda entre a relatividade e a física quântica: a invariância de Lorentz. Se a simetria CPT é uma boa simetria, então a simetria de Lorentz – que afirma que as leis da física permanecem as mesmas para observadores em todos os referenciais inerciais (não acelerados) – também deve ser uma boa simetria. Se você violar a simetria CPT, a simetria de Lorentz também será quebrada .

Quebrar a simetria de Lorentz pode estar na moda em certas áreas da física teórica, particularmente em certas abordagens da gravidade quântica , mas as restrições experimentais sobre isso são extraordinariamente fortes. Houve muitas pesquisas experimentais para violações da invariância de Lorentz por mais de 100 anos, e os resultados são esmagadoramente negativo e robusto . Se as leis da física são as mesmas para todos os observadores, então o CPT deve ter uma boa simetria.

A gravidade quântica tenta combinar a teoria geral da relatividade de Einstein com a mecânica quântica. As correções quânticas à gravidade clássica são visualizadas como diagramas de loop, como o mostrado aqui em branco. Se você estender o Modelo Padrão para incluir a gravidade, a simetria que descreve a CPT (a simetria de Lorentz) pode se tornar apenas uma simetria aproximada, permitindo violações. Até agora, no entanto, não foram observadas tais violações experimentais. (LAC ACELERADOR LABORATÓRIO NACIONAL)

Na física, temos que estar dispostos a desafiar nossas suposições e a investigar todas as possibilidades, por mais improváveis ​​que pareçam. Mas nosso padrão deve ser que as leis da física que resistiram a todos os testes experimentais, que compõem uma estrutura teórica auto-consistente e que descrevem com precisão nossa realidade, sejam de fato corretas até prova em contrário. Neste caso, significa que as leis da física são as mesmas em todos os lugares e para todos os observadores até prova em contrário.

Às vezes, as partículas se comportam de maneira diferente das antipartículas, e tudo bem. Às vezes, os sistemas físicos se comportam de maneira diferente de seus reflexos de imagem espelhada, e isso também é bom. E, às vezes, os sistemas físicos se comportam de maneira diferente, dependendo se o relógio avança ou retrocede. Mas as partículas que se movem para frente no tempo devem se comportar da mesma forma que as antipartículas refletidas em um espelho que se movem para trás no tempo; isso é uma consequência do teorema CPT. Essa é a única simetria, desde que as leis físicas que conhecemos estejam corretas, que nunca deve ser quebrada.

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 .

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