Em nosso universo, o reflexo da mão esquerda parece ser a mão direita. A maioria das leis da natureza são simétricas em relação às imagens no espelho e obedecem às mesmas leis - com exceção das interações fracas. Por alguma razão, apenas as partículas canhotas interagem fracamente, mas não as destras.
Acene com a mão no espelho e seu reflexo acenará de volta para você. No entanto, ele fará isso com a mão oposta à que você está usando. Para a maioria de nós, isso não é um problema - podemos acenar com a outra mão e o reflexo, por sua vez, acenará com o oposto. Mas, para o universo, algumas interações só funcionam para partículas canhotas - em particular, para partículas que experimentam interações fracas . Suas versões do lado direito, não importa como parecêssemos, não pudemos ser encontradas.
Mas por que? Onde o Universo tem tal qualidade, e por que ela se manifesta apenas no caso de interação fraca? Afinal, as interações fortes, eletromagnéticas e gravitacionais são idealmente simétricas em relação às configurações do lado esquerdo e do lado direito. Este fato na ciência foi verificado em muitos experimentos, e novos experimentos já estão sendo preparados para uma verificação ainda mais profunda. E embora seja bem descrito pela física do Modelo Padrão, ninguém sabe por que o universo foi projetado dessa forma. Aqui está o que sabemos até agora.
A superação da barreira quântica é chamada de efeito de túnel . Esta é uma das propriedades estranhas da mecânica quântica. As próprias partículas quânticas também têm suas propriedades inerentes - massa, carga, spin - que não mudam após as medições.
Imagine-se como uma partícula. Você se move através do espaço, você tem certas propriedades quânticas como massa e carga. E você também tem não apenas o momento angular em relação a todas as partículas (e antipartículas) ao seu redor, mas também seu momento angular interno em relação à direção de seu movimento - rotação . Suas propriedades, como partículas, determinam completamente que tipo de partícula você é.
Com suas mãos, você pode imaginar duas versões de si mesmo - canhoto e destro. Primeiro, aponte ambos os polegares para um lado - de cada lado, menos um. Aperte o resto dos dedos. Se você agora olhar para os polegares de modo que eles estejam direcionados para você, verá como os giros são diferentes - todas as partículas canhotas, desse ponto de vista, "giram" no sentido horário [o giro é direcionado contra o movimento], e os destros no sentido anti-horário [o giro é direcionado por movimento].
A polarização para canhotos é inerente a 50% dos fótons, e a polarização para destros é inerente aos outros 50%. Quando um par de partículas (ou um par de partícula-antipartícula) é criado, seus spins (seu momento angular interno) são sempre somados, mantendo o momento angular total do sistema. Não há nada que você possa fazer para mudar a polarização de uma partícula sem massa como um fóton.
Na maioria das vezes, os físicos não se importam com sua interpretação - todas as leis e regras permanecem as mesmas. O pião obedece às mesmas leis da física, independentemente de estar girando no sentido horário ou anti-horário. O planeta obedece às mesmas regras, ele gira em torno de um eixo ao longo ou contra a direção do movimento em órbita. Um elétron em "rotação" que passa para o nível de energia inferior de um átomo emitirá um fóton independentemente da direção de seu spin. Em quase todas as circunstâncias, as leis da física são consideradas simétricas da esquerda para a direita .
"Simetria de espelho" é uma das três classes fundamentais de simetria que podem ser aplicadas a partículas e às leis da física. Na primeira metade do século 20, acreditávamos que sempre houve simetrias conservadas, três das quais eram:
- A simetria da paridade espacial (P), segundo a qual as leis da física são as mesmas para as partículas e seus reflexos no espelho.
- Simetria de carga ©, segundo a qual as leis da física são as mesmas para partículas e antipartículas.
- Simetria com respeito à reversão do tempo (T), segundo a qual as leis da física não mudam dependendo se o sistema está se movendo para frente ou para trás no tempo.
De acordo com todas as leis clássicas da física, bem como a relatividade geral e até mesmo a eletrodinâmica quântica, essas simetrias são sempre preservadas.
A natureza não é simétrica para partículas / antipartículas, para reflexos especulares de partículas ou todas essas propriedades de uma vez. Antes da descoberta dos neutrinos de quebra de simetria de espelho, apenas as partículas de interação fraca eram potenciais quebradores de simetria P.
Mas para ter certeza de que o universo é realmente simétrico para todas essas transformações, você deve testá-las de todas as maneiras possíveis. A primeira indicação de que algo estava errado com essa imagem veio em 1956, quando detectamos neutrinos pela primeira vez. Essa partícula foi introduzida em 1930 por Wolfgang Pauli na forma de um minúsculo quantum neutro, capaz de transportar energia durante o decaimento radioativo. Depois de tal anúncio, o tão citado Pauli reclamou: “Fiz uma coisa terrível. Postulei a existência de uma partícula que não pode ser detectada. "
Como foi previsto que os neutrinos interagem com a matéria comum, a seção transversal é insignificante, Pauli não viu nenhuma maneira realista de detectá-los. No entanto, depois de algumas décadas, os cientistas não foram apenas capazes de dividir o átomo - os reatores nucleares tornaram-se comuns. Segundo Pauli, esses reatores deveriam produzir grandes quantidades de antipartículas de neutrino - antineutrinos. Um detector foi construído próximo ao reator nuclear, e o primeiro antineutrino foi descoberto em 1956, 26 anos depois.
Frederick Reines, à esquerda, e Clyde Cowan, à direita, nos controles do experimento Savannah River, onde o antineutrino eletrônico foi descoberto em 1956. Todos os antineutrinos são destros e todos os neutrinos são canhotos, sem exceções. Embora o Modelo Padrão descreva tudo isso com precisão, não há uma razão fundamental para isso.
Porém, algo interessante foi percebido sobre esses neutrinos: todos eles, sem exceção, eram destros, seu spin era direcionado ao longo de seu movimento. Mais tarde, começamos a encontrar antineutrinos também, e descobrimos que eram todos canhotos, com spin para trás.
Pode parecer que tais medidas não podem ser feitas. Se os neutrinos (e antineutrinos) são tão difíceis de detectar porque raramente interagem com outras partículas, como podemos medir seus spins?
O fato é que aprendemos seu spin não como resultado de medições diretas, mas como resultado do estudo das propriedades das partículas que aparecem após a interação. Isso é o que fazemos com todas as partículas que não podemos medir diretamente, incluindo o bóson de Higgs, a única partícula fundamental de spin zero conhecida hoje.
Canais de decaimento do bóson de Higgs - observados e previstos pelo Modelo Padrão. Inclui os dados mais recentes de experimentos ATLAS e CMS. Coincidência incrível, mas também decepcionante. Por volta de 2030, o LHC terá acumulado cerca de 50 vezes mais dados, mas a precisão em muitos canais de decaimento ainda permanecerá no nível de alguns por cento. O novo colisor pode aumentar a precisão em muitas ordens de magnitude e, possivelmente, descobrir a existência de novas partículas.
Como isso é feito?
O bóson de Higgs às vezes decai em dois fótons, cujo spin pode ser +1 ou -1. Conclui-se que o spin do bóson de Higgs pode ser 0 ou 2, já que essa será a soma ou diferença dos spins dos fótons. Por outro lado, às vezes o bóson de Higgs decai em um par quark / antiquark, cada um dos quais tem um spin de + ½ ou –½. Somando-os e subtraindo-os, obtemos 0 ou 1. Uma dessas medidas não nos daria o spin do bóson de Higgs, mas juntas deixam apenas um valor possível, 0.
Tecnologias semelhantes têm sido usadas para medir o spin de neutrinos e antineutrinos, e é uma surpresa para a maioria dos cientistas que o universo e sua reflexão especular não sejam os mesmos. Se você colocar um espelho na frente de um neutrino canhoto, seu reflexo será destro - como no caso da mão esquerda, que parece estar à direita no espelho. Porém, em nosso Universo não existem neutrinos destros, assim como não existem antineutrinos canhotos. Por alguma razão, o universo se preocupa.
Se você pegar um neutrino ou antineutrino se movendo em uma determinada direção, verá que seu momento angular interno gira no sentido horário ou anti-horário, dependendo se é um neutrino ou um antineutrino.
Como compreender tudo isso?
Os teóricos Li Zhengdao e Yang Zhenning tiveram a ideia de leis de paridade e mostraram que embora a paridade pareça ser uma simetria perfeita, preservada nas interações fortes e eletromagnéticas, ela não foi devidamente testada nas fracas. Interações fracas ocorrem quando, durante o decaimento, uma partícula se transforma em outra - um múon se transforma em um elétron, um quark estranho em um ascendente, um nêutron em um próton (quando um de seus quarks descendentes decai, transformando-se em um ascendente).
Se a paridade fosse preservada, as interações fracas (todas e cada uma) iriam da mesma forma para as partículas destras e canhotas. Mas, se violadas, as interações fracas ocorreriam apenas com partículas canhotas. Se ao menos fosse possível verificar isso experimentalmente ...
Wu Jianxiong, à esquerda, é um físico experimental notável e notável. Ela fez muitas descobertas importantes que confirmaram (ou refutaram) várias previsões teóricas importantes. Ela nunca recebeu o Prêmio Nobel.
Em 1956, Wu Jianxiong pegou uma amostra de cobalto-60, um isótopo radioativo de cobalto, e o resfriou até quase o zero absoluto. Sabe-se que o cobalto-60 é convertido em níquel-60 durante o decaimento beta. Uma interação fraca converte um dos nêutrons do núcleo em um próton, durante o qual um elétron e um antineutrino são emitidos. Ao aplicar um campo magnético ao cobalto, os spins de todos os átomos podem ser alinhados.
Se a paridade fosse preservada, seria possível observar que ambos os elétrons emitidos - também conhecidos como partículas beta - teriam spins paralelos e antiparalelos. Se a paridade fosse violada, todos os elétrons emitidos seriam antiparalelos. O tremendo resultado do experimento de Wu não foi apenas que todos os elétrons emitidos eram antiparalelos, mas que eles eram tão antiparalelos quanto possível teoricamente. Poucos meses depois, Pauli escreveu em uma carta a Victor Weisskopf : "Não posso acreditar que Deus seja um canhoto fraco."
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No entanto, apenas partículas canhotas estão envolvidas na interação fraca - pelo menos a julgar por nossas medições. A esse respeito, surge uma questão interessante, sobre a qual ainda não realizamos medições: quando os fótons participam da interação fraca, os fótons canhotos e destros participam dela ou apenas os canhotos? Por exemplo, o quark bonito (b) se transforma em um (s) estranho (s) em interações fracas, o que normalmente acontece sem a participação de fótons. No entanto, uma pequena fração dos quarks b, menos de 1 em mil, ainda assim se transformará em um quark s com a emissão de um fóton. O fenômeno é raro, mas você pode estudá-lo.
Espera-se que esse fóton seja sempre canhoto. Acreditamos que a paridade no Modelo Padrão funciona assim (quebrando em interações fracas). Mas se às vezes o fóton pode acabar sendo destro, outra rachadura aparecerá em nossa compreensão atual da física. Entre as previsões dos resultados de tal decadência estão as seguintes:
- polarização inesperada de um fóton,
- a porcentagem de casos diferentes de cárie diferente do esperado,
- violação da invariância CP .
O melhor de tudo é que essas oportunidades podem ser estudadas pela colaboração do LHCb no CERN. Recentemente, eles acabaram de instalar o limite mais rigoroso de todos os tempos sobre a possibilidade de fótons destros. Se o gráfico abaixo, como resultado de outros experimentos, se curvar de modo que não inclua mais a origem (0, 0), isso significa que descobrimos uma nova física.
As partes reais e imaginárias dos coeficientes de Wilson para destros (C7) e canhotos (C7) na física de partículas devem permanecer em torno do ponto (0, 0) para que o Modelo Padrão permaneça correto. As medições de vários decaimentos envolvendo quarks b e fótons ajudam a impor as restrições mais estritas a essas condições. Em um futuro próximo, a colaboração do LHCb ameaça fazer medições ainda mais precisas.
Podemos definitivamente dizer que o Universo é idealmente simétrico em relação às imagens no espelho, substituindo as partículas por antipartículas, a direção do tempo em que os processos se desdobram - para todas as interações e forças, exceto uma. Nas interações fracas, e somente nelas, essas simetrias não são preservadas. Todas as medições que fizemos mostram que Pauli teria permanecido perdido hoje. 60 anos após a primeira descoberta de quebra de simetria, parece que as interações fracas estão associadas apenas a partículas canhotas.
Como os neutrinos têm massa, um dos experimentos mais incríveis seria aquele em que poderíamos chegar muito perto da velocidade da luz. Então, ultrapassaríamos o neutrino da mão esquerda para que seu spin, do nosso ponto de vista, mudasse para o oposto. Uma partícula exibiria repentinamente as propriedades de um antineutrino destro? Ou se tornaria destro, mas ainda se comportaria como um neutrino? Quaisquer que sejam as características que tenha, poderia nos revelar novas informações sobre a natureza fundamental do Universo. Até aquele dia, nossa melhor oportunidade de descobrir se o universo é realmente tão canhoto quanto nos parece seriam as medições indiretas. Tal experimento está em andamento no CERN, onde eles estão procurando por um decaimento beta duplo sem neutrinos .