Teoria Particulas Elementares

7/23/2019 Teoria Particulas Elementares

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é um a entidade caracterizada por um conjunto

lim itado de propriedades. A escolha dessas propriedades é feita ten-

do com o critério as sim etrias satisfeitas pelas interações da partícula.

Existem algum as sim etrias que podem ser consideradas funda-

m entais, dada a relação íntim a que elas guardam com as nossas pró-

prias percepções de espaço e de tem po. Um a delas é a sim etria em

relação à escolha de um ponto a partir do qual podem os com eçar a

m edir distâncias no espaço vazio. Podem os tam bém escolher qualquer

instante para com eçar a contar o tem po – quando não está aconte-

cendo nada –, assim com o qualquer direção do espaço (vazio).

Tam bém sabem os que não podem os distinguir entre repouso e

m ovim ento com velocidade constante –lem brem o-nos da experiên-

cia de estar em um trem , observando outro trem paralelo ao nosso

em m ovim ento.

Em particular, sabem os que, com o conseqüência da existência

das sim etrias acim a, deve existir um a série de quantidades que m an-

tém o seu valor inalterado à m edida que o tem po passa. Podem os

citar alguns exem plos: a conservação da energia é conseqüência da si- >>>

José Abdalla Helayël-Neto

Alexander William Smith

Francesco Toppan

Sebastião Alves Dias

pesquisadores visitantes

e bolsistas de pós-doutorado,

doutorado, mestrado

e iniciação científica



m etria por escolha da origem do tem po; a conservação do m o-

m entum linear –tam bém cham ado quantidade de m ovim ento,num ericam ente equivalente ao produto da m assa pela veloci-

dade da partícula – é conseqüência da sim etria por escolha da

origem das coordenadas no espaço. E assim por diante.

Essas sim etrias m ostraram -se tão

exatas no contexto do m undo m acroscópico que tornaram a

sua extrapolação natural para o contexto m icroscópico (ou

subatôm ico), em que a natureza das observações é certam en-

te m uito m ais indireta.

N o nível m icroscópico, freqüentem ente ocorre de a m edida

de um a grandeza interferir, de m odo incontrolável, na m edida

de outra. Por exem plo, posição e velocidade de um a partícula

não podem ser conhecidas sim ultaneam ente com precisão ar-

bitrária. Aqui aparece o papel das constantes de m ovim ento:

existe um conjunto m áxim o de inform ações sobre um sistem a

que pode ser conhecido sim ultaneam ente de m odo exato.

Conhecer os valores tom ados pelas constantes de m ovi-

m ento com patíveis entre si –ou seja, cujas m edidas não se inter-

ferem m utuam ente –é dizer o m áxim o possível sobre a partícu-

la em um dado instante de tem po. D o ponto de vista físico, o

que resta a ser dito é com o duas

ou m ais partículas, descritas por

essa lista de propriedades, intera-

gem entre si (figura 1).

O s

tipos de interação existentes entre

as partículas determ inam , de m odo

fundam ental, a m aneira pela qual a

evolução se dá. Afinal, a física é a ci-

ência da m udança. Se todas as coi-

sas perm anecessem estáticas e

im utáveis o tem po todo, não have-

ria necessidade da física – nem da

ciência, de um a form a geral.

Percebem os o m undo através da percepção de suas m u-

danças, sem o que nenhum tipo de conhecim ento seria pos-

sível. A pretensão da física é prever, a partir de um a ‘fotografia’

(descrição) do sistem a, produzida em um certo tem po, qual a

seqüência de ‘fotografias’irá se suceder. Em outras palavras,

prever a m udança.

N a física, vista do ponto de vista m icroscópico, a inform a-

ção m áxim a contida na ‘fotografia’é obtida através de um a

função m atem ática, denom inada função de onda. Essa fun-

ção, que contém toda a inform ação possível de ser obtida

sobre o sistem a em um dado tem po t , m uda continuam ente

à m edida que o tem po passa.

Teoricam ente, é possível prever a m udança da função de

onda através de um conhecim ento da energia associada ao siste-

m a. N ada m ais razoável, se nos lem brarm os da conexão, vista aci-

m a, entre energia e sim etria por translações tem porais –estas po-

dem ser traduzidas tam bém com o m udanças no tem po. M ostra-

se que o problem a de determ inar a form a teórica da energia,

com o função dos parâm etros que caracterizam as partículas, re-

duz-se à determ inação da energia de interação entre as partícu-

las, que cham am os de V . Essa interação V deve respeitar todas as

sim etrias que ajudam a caracterizar as partículas (figura 2).

Em m uitos aspectos, a descrição

atual das partículas elem entares ainda é incom pleta e insatisfatória

para m uitos físicos. H á um núm ero excessivo de parâm etros –

dos quais não se conhece a origem –no m odelo teórico corres-

pondente às interações (ou forças) eletrom agnética, fraca e forte.

Tam bém tem os que apelar para m ecanism os teóricos surpre-

endentes. com o o m ecanism o de geração de m assa para as par-

tículas W +, W - e Z0, que interm edeiam

as interações fracas. O u m esm o m e-

canism os teóricos incom preendidos,

com o o que m antém os quarks e os

glúons (partículas que interagem

através da força nuclear forte) sem -

pre confinados, ou seja, essas partí-

culas nunca são observadas livres.

Figura 1. Uma partícula elementar caracteriza-se pelo conteúdo

de cada ‘cesta’ (por exemplo, dentro da cesta ‘energia’,

a partícula tem um total de duas unidades básicas de energia),

que reflete os diferentes valores que essas grandezas podem

tomar. Os conteúdos das cestas podem mudar durante interações

entre as partículas, sempre conservando a quantidade

total da grandeza em questão.

Figura 2. Colisões entre partículas

têm seu resultado determinado

pela forma específica da interação

entre elas. Diferentes interações V

produzem resultados

de colisão diferentes.

I L U

S T R A Ç

Õ

E S M

I O

C

O

F O

S H

I N

A



Reduzir o núm ero desses parâm etros e entender os m eca-

nism os teóricos em ação nessas teorias é tarefa das m ais com -

plexas e que ocupa hoje inúm eros físicos em todo o m undo.

Com a finalidade de reduzir a com plexidade da pesquisa a ní-

veis m ais tratáveis, consideram -se diversos lim ites das teorias,

em dim ensões m enores, por exem plo, ou com um conteúdode partículas sim plificado, em relação à situação realista.

O núm ero de parâm etros

tende tam bém a ser reduzido se consideram os um a nova sim e-

tria, cham ada supersim etria, que envolve trocas de partículas de

spin inteiro (bósons) por partículas de spin sem i-inteiro (fér-

m ions). Para um a m elhor visualização, podem os associar a

grandeza spin a um estado de rotação (horário ou anti-horá-

rio) das partículas. O interessante é que a supersim etria prevê a

existência de um a vasta classe de partículas ainda não detecta-

das e ainda não produzidas (excitadas) nos aceleradores de al-

tas energias. Esses novos constituintes da natureza podem serum a grande porção daquilo a que, hoje, a física cham a ‘m atéria

escura’do universo.

Sléptons, squarks, charginos, neutralinos e gravitino são as

partículas supersim étricas que, esperam os, poderão vir a ser des-

cobertas em um a nova geração de aceleradores que está sendo

construída – m ais especificam ente, esses aceleradores são o

N ovo Colisor de Léptons e o G rande Colisor de H ádrons.

A cosm ologia do universo pri-

m ordial propõe que essas partículas supersim étricas tenham

sido produzidas no universo em seus prim eiríssim os instantes

de existência, e que hoje possam ser encontradas com o relí-

quias de um passado de cerca de 15 bilhões de anos em m ui-

tas das galáxias. Porém , há um a interação a ser entendida, m es-

m o que de m odo parcial, com o as outras: a gravitação. Esta,

cuja form a foi a prim eira a ser proposta classicam ente, ainda no

século 17, pelo físico e m atem ático inglês Isaac N ew ton (1642-

1727), resiste ainda a um a descrição m icroscópica, que é deno-

m inada gravitação quântica.N a tentativa de produzir essa descrição, têm sido considera-

das teorias que descrevem , de m odo unificado, todas as quatro

interações conhecidas, ou seja, as forças eletrom agnética,

gravitacional, nuclear forte e nuclear fraca. As m ais prom issoras,

até agora, envolvem um a m odificação básica: considerar que as

diversas partículas elem entares, vistas em escalas de distância

m uito m enores que as atualm ente acessíveis, seriam diferentes

aspectos de um a m esm a entidade – no caso, um a corda ou

um a m em brana.

O acréscim o de dim ensões a partículas que tinham dim en-

são zero introduz diversas possibilidades de novas interação en-

tre as partículas, agora vistas com o des-

crições efetivas das cordas ou m em bra-

nas, em distâncias m aiores. Entre as novas

características que aparecem juntam en-

te com essas teorias, está a possibilidade

de o espaço-tem po ter dim ensão dez

(no caso, de cordas) ou m esm o onze

(no caso, de m em branas), seis ou sete a

m ais que as atuais (e visíveis) quatro di-

m ensões (figura 3).

Finalizando, poderíam os concluir en-

fatizando que o grande com prom isso –

a busca do G raal – da física teórica de al-

tas energias contem porânea é a form u-

lação de m odelos consistentes para as

quatro interações fundam entais da na-

tureza; se possível – e este tem sido o es-

forço m aior – a elaboração de um a teo-

ria da grande unificação consistente e

que consiga abranger, em um esquem a

único, todas as escalas de energia, des-

de a escala atôm ica (aproxim adam ente

10-8cm ) à escala planckeana (da ordem

de 10-33cm ).

As linhas de pesquisa desenvolvidas

atualm ente no G rupo de Cam pos e

Partículas do CBPF dizem respeito à

análise das propriedades de teorias re-

lacionadas às quatro interações (ou

forças) da natureza.

Estudam os, particularm ente, as di-

versas conseqüências dinâm icas da

supersim etria. D im ensões diferentes dequatro tam bém são interessantes, por

possibilitarem soluções exatas em cer-

tos casos (duas dim ensões); por exibi-

rem fenôm enos peculiares que podem

ser aplicados em descrições efetivas

(duas e três dim ensões); ou por apa-

recerem em propostas de m istura da

gravitação e da supersim etria (dez e 11

dim ensões).

O estudo das cham adas teorias M ,

que incorporam cordas e m em branas,

tam bém está em curso atualm ente em

nosso grupo já dentro do contexto da

unificação das três interações com a

gravitação. C ab e ressaltar que as

interações eletrom agnética e nuclear

fraca já foram enquadradas em um

esquem a unificador no final da déca-

da de 1960, naquele que hoje se co-

nhece com o o m odelo eletrofraco deW einberg-Salam -G lashow .

O leitor interessado em m ais deta-

lhes sobre os tem as tratados neste ar-

tigo poderá encontrá-los em http://

w w w .aventuradasparticulas.ift.unesp.br/

(página sobre a física das partículas

elem entares em term os básicos), bem

com o em http://w w w .cbpf.br, cli-

cando no item ‘Cam pos e Partículas’–

neste últim o endereço, está o trabalho

do nosso grupo.

Figura 3.

Modernas teorias

propõem que,

quando observadas

suficientemente de

perto, as partículas

elementares

revelam-se com

o sendo cordas ou

mesmo membranas.

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