• Começa Com Um Estrondo

Por que o universo é fundamentalmente canhoto?

Em nosso Universo, uma mão esquerda refletida em um espelho ou lago parece ser uma mão direita. Enquanto a maioria das leis da natureza são simétricas sob reflexões, obedecendo às mesmas regras, as interações fracas não. Por alguma razão, apenas as partículas canhotas interagem fracamente; os destros não. (GETTY)

As interações fracas apenas acoplam a partículas canhotas. E ainda não sabemos o porquê.

Quando você acena para si mesmo em um espelho, seu reflexo acena de volta. Mas a mão com a qual seu reflexo acena de volta é a mão oposta daquela com a qual você está acenando. Isso não representa um problema para a maioria de nós, já que poderíamos facilmente ter escolhido a mão oposta para acenar, e nosso reflexo também teria acenado de volta com a mão oposta. Mas para o Universo – e em particular, para qualquer partícula experimentando uma interação através da força fraca – algumas interações ocorrem apenas para a versão canhota. As versões para destros, apesar de nossos melhores esforços para localizá-las, simplesmente não existem.

Mas por que? Por que o Universo tem essa propriedade, e por que ele só aparece para as interações fracas, enquanto as interações fortes, eletromagnéticas e gravitacionais são todas perfeitamente simétricas entre as configurações canhotas e destras? É um fato que foi cientificamente demonstrado empiricamente de várias maneiras, com novos experimentos preparados para testar ainda mais essa suposição. Mesmo sendo bem descrito pela física do Modelo Padrão, ninguém sabe por que o Universo é assim. Aqui está o que sabemos até agora.

A transição através de uma barreira quântica é conhecida como tunelamento quântico, uma das propriedades bizarras inerentes à mecânica quântica. As próprias partículas individuais têm certas características – como massa, carga, spin, etc. – que são intrínsecas a elas e não mudam mesmo quando são medidas. (AASF / UNIVERSIDADE DE GRIFFITH / CENTRO DE DINÂMICA QUÂNTICA)

Imagine, em vez de um ser humano, que você fosse uma partícula. Você está se movendo pelo espaço; você tem certas propriedades quânticas como massa e carga; e você não tem apenas um momento angular em relação a todas as partículas (e antipartículas) ao seu redor, mas um momento angular intrínseco em relação à direção do seu movimento, conhecido como rotação. As propriedades quânticas específicas que você possui, como partícula, determinam e definem exatamente o que você é.

Você pode imaginar versões canhotas e destras de si mesmo usando as mãos. Comece pegando os polegares e apontando-os na mesma direção: qualquer direção que você escolher, mas na mesma direção um do outro. Agora, enrole os dedos na direção que o polegar aponta. Se você olhar de frente para os polegares, como se seus polegares estivessem vindo em sua direção, poderá ver a diferença no giro: as partículas canhotas giram no sentido horário, enquanto as partículas destras giram no sentido anti-horário.

Uma polarização à esquerda é inerente a 50% dos fótons e uma polarização à direita é inerente aos outros 50%. Sempre que duas partículas (ou um par partícula-antipartícula) são criadas, seus spins (ou momentos angulares intrínsecos, se você preferir) sempre se somam para que o momento angular total do sistema seja conservado. Não há nenhum impulso ou manipulação que se possa realizar para alterar a polarização de uma partícula sem massa, como um fóton. (E-KARIMI / WIKIMEDIA COMMONS)

Na maioria das vezes, a física não se importa para que lado você está girando; as leis e regras são as mesmas. Um pião obedece às mesmas leis da física, quer gire no sentido horário ou anti-horário; um planeta que gira em torno de seu eixo obedece às mesmas regras se gira na mesma direção ou na direção oposta à sua órbita; um elétron giratório que desce em cascata para um nível de energia mais baixo em um átomo emitirá um fóton independentemente da direção em que o elétron gira. Na maioria das circunstâncias, as leis da física são o que chamamos de simétrica esquerda-direita.

Essa simetria de espelho é uma das três classes fundamentais de simetrias que podemos aplicar às partículas e às leis da física. Na primeira metade do século XX, pensávamos que havia certas simetrias que sempre foram preservadas, sendo três delas:

• simetria de paridade (P), afirmando que as leis da física são as mesmas para todas as partículas como são para suas reflexões de imagem no espelho,
• simetria de conjugação de carga (C), onde as leis da física são as mesmas para partículas e antipartículas,
• e simetria de reversão no tempo (T), que afirma que as leis da física são as mesmas se você visualizar um sistema avançando no tempo versus um retrocedendo no tempo.

Sob todas as leis clássicas da física, assim como a Relatividade Geral e até a eletrodinâmica quântica, essas simetrias são sempre preservadas.

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 se você quer saber se o Universo é realmente simétrico sob todas essas transformações, você precisa testá-lo de todas as maneiras imagináveis. Recebemos nossa primeira dica de que algo pode não estar certo com essa foto em 1956: o ano em que descobrimos experimentalmente o neutrino. Esta partícula foi proposta em 1930 por Wolfgang Pauli, como um pequeno e neutro quantum novo que poderia transportar energia durante decaimentos radioativos. Sobre sua proposta, o eminentemente citável Pauli lamentou,

Fiz uma coisa terrível, postulei uma partícula que não pode ser detectada.

Como se previa que os neutrinos teriam uma seção transversal tão minúscula quando se tratava de interagir com a matéria normal, Pauli não conseguia imaginar uma maneira realista de detectá-los quando os propôs pela primeira vez. Mas décadas depois, os cientistas não apenas dominaram a divisão do átomo, mas os reatores nucleares tornaram-se comuns. Esses reatores – sob a proposta de Pauli – deveriam estar produzindo em grande abundância a antimatéria do neutrino: o antineutrino. Ao construir um detector ao lado de um reator nuclear, a primeira detecção de antineutrinos ocorreu em 1956, 26 anos depois.

Fred Reines, à esquerda, e Clyde Cowan, à direita, nos controles do experimento Savannah River, que descobriu o antineutrino do elétron em 1956. Todos os antineutrinos são destros, enquanto todos os neutrinos são canhotos, sem exceções . Embora o Modelo Padrão descreva isso com precisão, não há nenhuma razão fundamental subjacente conhecida para que isso aconteça. (LABORATÓRIO NACIONAL DE LOS ALAMOS)

No entanto, algo interessante foi notado sobre esses antineutrinos: cada um deles era destro, com seu giro apontando no sentido anti-horário se você olhasse na direção de seu movimento. Mais tarde, começamos a detectar neutrinos também e descobrimos que cada um deles era canhoto, com seu giro orientado no sentido horário quando sua direção de movimento é em sua direção.

Isso pode parecer uma medida impossível de fazer, à primeira vista. Se os neutrinos (e antineutrinos) são tão difíceis de medir que só interagem com outra partícula extremamente raramente, então como podemos medir seus spins?

A resposta é que não aprendemos seus spins medindo-os diretamente, mas observando as partículas que surgem após uma interação, bem como suas propriedades. Fazemos isso para todas as partículas que não podemos medir diretamente, incluindo o bóson de Higgs, atualmente conhecido por ser a única partícula fundamental a ter um spin de 0.

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 e, ao mesmo tempo, frustrante. Na década de 2030, o LHC terá aproximadamente 50 vezes mais dados, mas as precisões em muitos canais de decaimento ainda serão conhecidas apenas por alguns por cento. Um futuro colisor poderia aumentar essa precisão em várias ordens de magnitude, revelando a existência de novas partículas em potencial. (ANDRÉ DAVID, VIA TWITTER)

Como vamos fazer isso?

O Higgs às vezes decai em dois fótons, que podem ter um spin de +1 ou -1. Quando você mede os fótons, isso lhe diz que o Higgs tem um spin de 0 ou 2, porque você pode adicionar ou subtrair esses spins de fótons para obter 0 ou 2. Por outro lado, o Higgs às vezes decai em um quark- par antiquark, com cada quark/antiquark tendo um spin de +½ ou -½. Adicionando ou subtraindo esses spins, podemos obter 0 ou 1. Com apenas uma medida, não aprenderíamos o spin do bóson de Higgs, mas com todas essas medidas combinadas, apenas 0 permanece como uma opção viável para seu spin .

Técnicas semelhantes foram usadas para medir a rotação do neutrino e do antineutrino e – surpreendentemente para a maioria – elas revelaram um Universo que não é o mesmo no espelho e na nossa realidade. Se você colocar um neutrino canhoto no espelho, ele parecerá destro, assim como sua mão esquerda parece ser uma mão direita no espelho. Mas não há neutrinos destros em nosso Universo, nem anti-neutrinos canhotos. Por alguma razão, o Universo se preocupa com a lateralidade.

Se você pegar um neutrino ou antineutrino se movendo em uma direção específica, descobrirá que seu momento angular intrínseco exibe rotação no sentido horário ou anti-horário, correspondendo a se a partícula em questão é um neutrino ou um antineutrino. Se os neutrinos destros (e antineutrinos canhotos) são reais ou não é uma questão sem resposta que pode desvendar muitos mistérios sobre o cosmos. (HIPERFÍSICA / R NAVE / UNIVERSIDADE DO ESTADO DA GEÓRGIA)

Como damos sentido a isso?

Os teóricos Tsung Dao Lee e Chen Ning Yang apresentar a ideia de leis de paridade , e mostrou que, embora a paridade parecesse ser uma excelente simetria que foi conservada para as interações fortes e eletromagnéticas, ela não havia sido adequadamente testada - e poderia, portanto, ser violada - pelas interações fracas. As interações fracas são qualquer interação que envolve um decaimento onde um tipo de partícula se transforma em outro, como um múon se tornando um elétron, um quark estranho se tornando um quark up ou um nêutron decaindo em um próton (como um de seus quarks down decai em um quark up).

Se a paridade fosse conservada, então as interações fracas em geral (e todo decaimento fraco, em particular) se acoplariam igualmente a partículas destras e canhotas. Mas se a paridade fosse violada, talvez a interação fraca só se acoplasse às partículas canhotas. Se ao menos houvesse uma maneira experimental de dizer.

Chien-Shiung Wu, à esquerda, teve uma carreira notável e distinta como físico experimental, fazendo muitas descobertas importantes que confirmaram (ou refutaram) uma variedade de importantes previsões teóricas. No entanto, ela nunca recebeu um Prêmio Nobel, mesmo quando outros que fizeram menos do trabalho foram indicados e escolhidos antes dela. (ACC. 90–105 - SERVIÇO DE CIÊNCIA, REGISTROS, 1920S-1970S, ARQUIVOS DA INSTITUIÇÃO SMITHSONIAN)

Em 1956, Chien-Shiung Wu pegou uma amostra de cobalto-60, um isótopo radioativo de cobalto, e a resfriou perto do zero absoluto. O cobalto-60 era conhecido por decair em Níquel-60 via decaimento beta: o decaimento fraco transforma um dos nêutrons do núcleo em um próton, emitindo um elétron e um antineutrino no processo. Ao aplicar um campo magnético ao cobalto, ela conseguiu que todos os átomos de cobalto-60 se alinhassem ao longo do mesmo eixo de rotação.

Se a paridade fosse conservada, seria tão provável que você visse os elétrons - também conhecidos como partículas beta - emitidos alinhados com o eixo de rotação quanto os veria anti-alinhados com o eixo de rotação. Mas se a paridade fosse violada, os elétrons emitidos seriam assimétricos. Em um resultado monumental, Wu demonstrou que não apenas os elétrons emitidos eram assimétricos, mas eram tão assimétricos quanto teoricamente possível. Alguns meses depois, Pauli escreveu a Victor Weisskopf , afirmando,

Não posso acreditar que Deus seja um canhoto fraco.

A paridade, ou simetria-espelho, é uma das três simetrias fundamentais no Universo, juntamente com a simetria de reversão de tempo e conjugação de carga. Se as partículas giram em uma direção e decaem ao longo de um eixo específico, lançá-las no espelho deve significar que elas podem girar na direção oposta e decair ao longo do mesmo eixo. Observou-se que esse não era o caso dos decaimentos fracos, a primeira indicação de que as partículas poderiam ter uma “mão de mão” intrínseca, e isso foi descoberto por Madame Chien-Shiung Wu. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Mas a interação fraca só se acopla a partículas canhotas, pelo menos, até onde a medimos. Isso traz uma questão interessante sobre algo que não medimos: quando os fótons se envolvem na interação fraca, os fótons canhotos e destros desempenham um papel, ou apenas os canhotos? Por exemplo, você pode ter um quark bottom (b) se transformando em um quark estranho (s) nas interações fracas, o que normalmente ocorre sem um fóton como parte da mistura. No entanto, mesmo que seja reprimido, uma pequena fração de quarks b se transformará em um quark s com um fóton extra : menos de 1 em 1000. Embora raro, isso pode ser estudado.

De acordo com as expectativas, esse fóton deve ser sempre canhoto: consistente com a forma como esperamos que a paridade funcione (e seja violada para as interações fracas) no Modelo Padrão. Mas se o fóton às vezes puder ser destro, podemos encontrar outra rachadura em nossa compreensão atual da física. Certos decaimentos previstos podem:

• mostram uma polarização de fótons surpreendente,
• têm taxas diferentes sobre o que foi previsto,
• ou pode mostrar uma assimetria de paridade de carga (CP).

A colaboração do LHCb no CERN é o melhor lugar na Terra para estudar essa possibilidade, e eles acabou de colocar a restrição mais forte de todos os tempos na ausência de fótons destros. Se o gráfico abaixo melhorar até o ponto em que o ponto central (0,0) for excluído, isso significaria que descobrimos uma nova física.

As partes reais e imaginárias nas razões dos coeficientes de Wilson para destros (C7') e canhotos (C7), em física de partículas, devem permanecer no ponto (0,0) para que o Modelo Padrão seja considerado correto . Medições de vários decaimentos envolvendo quarks e fótons bottom ajudam a colocar as restrições mais rígidas sobre isso, com a colaboração do LHCb pronta para fazer medições ainda mais precisas em um futuro próximo. (COLABORAÇÃO CERN / LHCB)

É eminentemente verdade que podemos descrever o Universo como sendo perfeitamente simétrico entre reflexos no espelho, substituindo partículas por antipartículas e interações que avançam ou retrocedem no tempo, para todas as forças e interações que conhecemos, exceto uma. Nas interações fracas e apenas nas interações fracas, no entanto, nenhuma dessas simetrias é conservada. No que diz respeito às interações fracas, todas as medições que já fizemos mostram que Pauli ainda estaria incrédulo hoje: mais de 60 anos após a violação de paridade ter sido descoberta, a interação fraca ainda demonstrou acoplar exclusivamente à esquerda. partículas entregues.

Como os neutrinos têm massa, um dos experimentos mais notáveis ​​​​a realizar seria viajar extremamente perto da velocidade da luz: ultrapassar um neutrino canhoto para que seu giro parecesse reverter de sua perspectiva. Mostraria de repente as propriedades de um antineutrino destro? Seria destro, mas ainda se comportaria como um neutrino? Quaisquer que sejam suas características, pode revelar novas informações sobre a natureza fundamental do nosso Universo. Até esse dia chegar, medições indiretas – como as que acontecem no CERN e as buscas pelo decaimento beta duplo sem neutrinos – serão nossa melhor oportunidade para descobrir se nosso Universo não é tão canhoto quanto pensamos atualmente.

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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