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FF ÍÍ SS II CC AA
O Big Bang , a teoria mais
aceita para a criação
do universo, diz que tudo
se iniciou em uma grande
explosão. Nos primeiros
instantes, o universo
não era formado por matéria,
mas sim por energia sob forma
de radiação. Aos poucos,
matéria e antimatéria foram
criadas em quantidades iguais.
Mas, como prevê a física,
o encontro de matéria
com antimatéria causa
o aniquilamento de ambas,
fazendo o que era massa
retornar à condição
inicial de radiação.
Mas a existência de animais,
vegetais, planetas, estrelas
e galáxias, ou seja,
a existência do próprio
universo é a prova concreta
de que um excesso de matéria
sobreviveu a essa aniquilação
precoce. O que aconteceu,
então, com a antimatéria
criada em associação
à matéria do universo?
Onde estaria ela?
Ou será que, por um ‘capricho’
da natureza, a criação
do universo deu preferência
à matéria?
Leandro de Paula e Miriam Gandelman Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro
P O R Q U E E X I S T E M A I S M AT É R I A D O
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a
AsSI
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OS DOIS CONSTITUINTES
O ramo da fÌsica que estuda os constituintes b·si- cos da matÈria È a fÌsica de partÌculas elementares. Nesse campo, h· uma teoria chamada Modelo Pa- dr„o, que È compatÌvel com todos os resultados expe- rimentais atualmente conhecidos. Segundo o Mode- lo Padr„o, a matÈria tem dois tipos de constituintes: os quarks e os lÈptons (figura 1). Vamos primeira- mente nos deter em algumas propriedades desses dois constituintes. Os quarks nunca s„o observados isoladamente, mas se agregam para formar os h·drons, cujos repre- sentantes mais conhecidos s„o o prÛton e o nÍutron, partÌculas encontradas nos n˙cleos atÙmicos. Por sua vez, tanto prÛtons quanto nÍutrons s„o formados cada um por trÍs quarks. Os quarks mais abundantes na natureza s„o o up e o down. O prÛton È formado por dois quarks um up e um down. Para o nÍutron, a ordem se inverte: h· um sÛ quark up e dois do tipo down. O segundo constituinte da matÈria s„o os lÈptons. O mais conhecido entre os lÈptons È o elÈtron. Numa imagem simplificada do ·tomo, podemos dizer que ele È compos- to de um n˙cleo, constituÌdo de prÛtons e nÍutrons, cercado por uma nuvem formada por elÈtrons. O elÈtron tambÈm È a partÌcula respons·vel pela ligaÁ„o entre os ·tomos e, conseq¸entemente, pela formaÁ„o de molÈculas. Est· tam- bÈm envolvido na corrente elÈtri- ca que passa pelos fios elÈtricos. Por fim, h· um outro tipo de lÈpton, o neutrino, que n„o possui carga elÈtrica e È muito difÌcil de ser observado (ver ëNeutrinos, partÌculas onipresentes e miste- riosasí em CiÍncia Hoje no^ 147).
MASSA EM ENERGIA
Quarks up e down, elÈtrons e neutrinos formam todos os corpos que nos rodeiam. Segundo o Mo- delo Padr„o, essas quatro partÌcu- las s„o classificadas como ëpri- meira geraÁ„oí (figura 1). A fÌsica de hoje conhece trÍs geraÁıes de partÌculas. Esse n˙mero de gera- Áıes est· bem comprovado por medidas experimentais feitas em aceleradores de partÌculas como o LaboratÛrio Europeu de PartÌ- culas Elementares (CERN). … interessante salientar, no entanto, que o Modelo Padr„o n„o exige que haja somente trÍs geraÁıes de quarks e lÈptons como as trÍs conhecidas. Nem mesmo o Modelo Padr„o impe- de a existÍncia de um maior n˙mero de geraÁıes. A ˙nica restriÁ„o imposta pelo modelo È que cada geraÁ„o deve ter dois quarks e dois lÈptons (na pri- meira geraÁ„o, h· o quark up e o down, o elÈtron e o neutrino do elÈtron, os dois ˙ltimos sendo lÈptons. Vale lembrar que o m˙on e o tau, ambos lÈptons, tÍm tambÈm seus respectivos neutrinos, conforme mostra a figura 1. O Modelo Padr„o tambÈm prevÍ a existÍncia de antipartÌculas como os antiquarks e os antilÈptons. Uma antipartÌcula tem a mesma massa da partÌcula, mas com carga elÈtrica oposta. Assim, o pÛsitron, de
Q U E A N T I M AT É R I A?
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F Í S I C A
ARTE DE AMPERSAND SOBRE O DETALHE DO QUADRO
SEVERAL CIRCLES
, DE KANDINSKY, 1926
mETRia
do
universo
do
universo
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a natureza tenha, de algum modo, favorecido a criaÁ„o de matÈria em detrimento da antimatÈria no Big Bang. Isso indicaria que a natureza trata de forma ligeiramente diferente matÈria e antimatÈ- ria. Se isso for verdade, seria possÌvel que uma pe- quena fraÁ„o da matÈria inicialmente criada tenha sobrevivido e formado o universo conhecido hoje. Resultados experimentais e teÛricos apontam nessa direÁ„o. Em 1966, o fÌsico russo Andrei Sakharov (1921-
- delineou quais seriam as condiÁıes para que tivesse ocorrido esse desequilÌbrio entre matÈria e antimatÈria. Segundo ele, foi um ëdesvioí (ou assi- metria, no jarg„o da fÌsica) nas leis da natureza o respons·vel pela formaÁ„o de mais matÈria que antimatÈria. Numa proporÁ„o aproximada, foram criadas um bilh„o e uma partÌculas de matÈria para cada um bilh„o de partÌculas de antimatÈria. Assim, tudo que existe no universo, de estrelas a seres humanos, foi criado a partir de uma ˙nica partÌcula de matÈria em cada um bilh„o que sobreviveu ‡ aniquilaÁ„o. Para que ocorresse esse ligeiro desequilÌbrio no processo de criaÁ„o de matÈria e antimatÈria, Sakharov impÙs trÍs condiÁıes:
- O prÛton deve decair, isto È, transformar-se em outras partÌculas. Esse fenÙmeno ocorreria quando um dos quarks que constituem o prÛton decaÌsse em um antielÈtron (ou pÛsitron), o que causaria a conse- q¸ente transformaÁ„o dos dois quarks restantes em uma nova partÌcula sem carga, o mÈson p∫. Segundo c·lculos, um prÛton levaria 10 32 (o n˙mero um se- guido de 32 zeros!) anos para decair. Atualmente, h· v·rios experimentos em andamento, mas o decai- mento de um prÛton ainda n„o foi observado.
- O esfriamento do universo apÛs o Big Bang n„o se deu em equilÌbrio tÈrmico. Dizemos que um cor- po esfria em equilÌbrio tÈrmico quando sua tempe- ratura diminui igualmente em qualquer uma de suas partes. Quando uma parte resfria-se mais r·pi- do do que outra, o esfriamento se d· fora do equilÌ- brio e durante esse processo n„o È possÌvel definir uma temperatura para o corpo.
- Deve haver uma diferenÁa de comportamento entre as partÌculas de matÈria e antimatÈria e essa diferenÁa, segundo Sakharov, poderia ser medida. … exatamente essa diferenÁa, como descrito a se- guir, que os fÌsicos de partÌculas est„o procurando atualmente.
FILMES, ESPELHOS E CARGAS
Como dissemos, atÈ hoje n„o houve nenhuma obser- vaÁ„o experimental do decaimento de um prÛton. Entretanto, espera-se que isso realmente ocorra,
mas, por ser um evento muito raro, n„o estaria ao alcance dos mÈtodos experimentais atuais. A segun- da condiÁ„o imposta por Sakharov tambÈm encontra bom amparo nos modelos teÛricos existentes, bem como com observaÁıes realizadas. As duas primeiras condiÁıes de Sakharov n„o podem ser testadas ex- perimentalmente nos dias de hoje e n„o apresentam contradiÁıes com as teorias aceitas. … no entanto na ˙ltima das condiÁıes que est· o ponto crucial para testar a hipÛtese de Sakharov: o estudo da diferenÁa de comportamento entre a ma- tÈria e a antimatÈria. Isso est· no limite de nossa capacidade experimental e h·, no momento, v·rios experimentos em preparaÁ„o para tentar observ·-la. Na fÌsica de partÌculas, as simetrias desempe- nham um papel muito importante, pois elas podem dar informaÁıes sobre os processos que estamos interessados em estudar. Antes de tentar entender como isso pode ser feito, vamos apresentar algumas simetrias. Revers„o temporal (T). A revers„o temporal con- siste em inverter a direÁ„o do eixo do tempo. Vamos a dois exemplos pr·ticos. No primeiro, diz-se que a revers„o temporal È conservada enquanto, no segun- do caso, È violada. Uma bola È lanÁada em direÁ„o a uma das tabelas de uma mesa de sinuca, colide com ela e volta exa- tamente ao ponto de saÌda. Esse processo foi filma- do e uma pessoa assiste ao filme duas vezes. Na primeira, as imagens, que mostram a bola j· em movimento, s„o projetadas como foram filmadas. Na segunda, o filme È passado de tr·s para frente. O interessante È que o espectador n„o ter· como dizer quais das duas projeÁıes corresponde ao sentido real. Nesse caso, dizemos que a simetria T È conservada. Vejamos o segundo exemplo. Um jarro cai de uma mesa e se quebra ao atingir o ch„o. Nesse caso, saberÌamos com facilidade indicar em qual seq¸Ín- cia o filme foi feito, j· que nos pareceria estranho ver os fragmentos se juntando para formar um vaso Ìnte- gro. Esse È um processo para o qual a revers„o tem- poral n„o È v·lida. Nesse caso, a simetria T È violada. Paridade (P). A paridade È a invers„o das coordenadas espa- ciais. Imagine que houvesse um tipo especial de espelho (figura 2) no qual a imagem fosse invertida de tr·s para frente, da esquerda
Figura 2. A operação de inversão de paridade corresponde a realizar uma observação através de um espelho que inverta as três coordenadas espaciais, isto é, no qual a imagem fosse invertida de trás para frente, da esquerda para a direita e de baixo para cima. Um espelho usual inverte a imagem apenas de trás para frente
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para a direita e de baixo para cima. Em um espelho normal, a imagem È invertida apenas de tr·s para frente. Para saber se a paridade P È conservada, devemos realizar uma experiÍncia. Uma pessoa acena a m„o direita para um espelho. Uma c‚mera filmar· nosso ator de frente. Outra far· a gravaÁ„o da imagem refletida pelo espelho. Ao projetar o primeiro filme, veremos a imagem de uma pessoa acenando com a m„o direita. No outro, nosso personagem aparecer· acenando com a m„o esquerda. Este È um caso no qual os fÌsicos dizem que a simetria P foi violada. No entanto, ao observarmos imagens de uma es- fera perfeita, n„o poderemos diferenciar uma foto tirada diretamente do objeto de uma tirada usando a imagem dela no espelho. Nesse caso, teremos a con- servaÁ„o da simetria P. ConjugaÁ„o de carga (C). Por fim, esta simetria consiste em trocar uma partÌcula por sua an- tipartÌcula. Testar essa simetria È mais complicado, pois È necess·rio observar o comportamento de par- tÌculas e antipartÌculas. Vamos a um exemplo pr·tico usando o decaimento do nÍutron. Essa partÌcula, quando fora de um n˙cleo atÙmico, se transforma (ou decai) em um prÛton (positivo), um elÈtron (negativo) e um antineutrino (sem carga elÈtrica). No decaimento de um antinÍutron, diz-se que a conjugaÁ„o de carga È conservada, j· que a antipartÌcula decair· em um antiprÛton (negativo), um pÛsitron (positivo) e um neutrino (sem carga).
VIOLAÇÃO E DESEQUILÍBRIO
Pegue uma partÌcula, substitua-a por sua antipar- tÌcula, olhe-a atravÈs de nosso espelho especial e reverta a direÁ„o do tempo. Essa receita aplicada a qualquer partÌcula deveria resultar em algo indis- tinguÌvel da partÌcula inicial. Em linguagem um pouco mais tÈcnica, dirÌamos ëaplique a operaÁ„o CPT e observe se as trÍs simetrias s„o conservadasí. Apesar de abstrato, È nessa operaÁ„o que est· a chave para se entender a falta de antimatÈria no universo. Acredita-se que a simetria CPT seja conser- vada, pois, alÈm de todas as teorias aceitas estarem baseadas na conservaÁ„o dessas simetrias, n„o foi encontrado nenhum sinal de violaÁ„o em qualquer dos experimentos atÈ hoje realizados para test·-la. Atualmente encontram-se em preparaÁ„o no CERN os experimentos ATHENA, que pretendem, usando feixes laser, aprisionar anti·tomos para testar a si- metria CPT. Para ilustrar a capacidade dessas trÍs simetrias em fornecer informaÁıes sobre a natureza, podemos recorrer a mais um exemplo. Imagine uma esfera perfeita sendo observada atravÈs de um espelho: n„o
È possÌvel distinguir, como j· vimos, o objeto de sua imagem, portanto havendo aÌ um caso de conservaÁ„o da simetria P. Mas se houver uma pequena imperfeiÁ„o na esfe- ra (uma palavra escrita nela), haver· uma diferenÁa clara entre ela e a imagem dela. Logo, a observaÁ„o da violaÁ„o de uma simetria pode indicar diferenÁas entre objetos. Para explicar a existÍncia de um universo em que existe mais matÈria do que antimatÈria, È necess·rio encontrar uma violaÁ„o de simetria entre partÌculas e antipartÌculas. Por certo tempo, os fÌsicos pensavam que as trÍs simetrias descritas acima seriam conser- vadas ao serem aplicadas separadamente a qualquer interaÁ„o entre partÌculas. No entanto, resultados experimentais mostra- ram que, sob certas condiÁıes, as simetrias P e C n„o se conservam. Em 1964, os fÌsicos norte-ameri- canos James Cronin e Val Fitch, ambos ent„o traba- lhando no LaboratÛrio Brookhaven, em Upton (NY), nos Estados Unidos, demonstraram experimen- talmente que a combinaÁ„o CP n„o se conservava ñ CP corresponde a olhar a partÌcula no espelho es- pecial e em seguida troc·-la por sua antipartÌcula. Esses estudos foram feitos com partÌculas denomi- nadas k·ons neutros, formadas por um quark down e um antiquark strange. Violar a simetria CP significa que a natureza tem preferÍncia pela matÈria do que pela antimatÈria (figura 3). … nessa violaÁ„o de CP que est· a base da terceira condiÁ„o de Sakharov. A violaÁ„o de CP, segundo ele, È necess·ria para termos o desequilÌbrio entre matÈria e antimatÈria, pois, ao violar a simetria de CP, a natureza d· preferÍncia ‡ produÁ„o de matÈria em detrimento da de antimatÈria.
Figura 3. Diferença entre as duas curvas. Uma mostra o decaimento de partículas denominadas káons neutros e a outra o decaimento de antikáons neutros. Essa diferença indica uma preferência pelos káons, o que demonstra a preferência da natureza pela matéria. A violação de CP foi descoberta pela primeira vez nos decaimentos dos káons. A unidade de tempo usada no gráfico ao lado equivale a aproxima- damente 100 ps ( picossegundos, ou 10-10, um décimo de bilionésimo de segundo)
1 0^6
1 0^5
1 0^4
1 0^3
1 0^2
káons
Razão de decaimento antikáons
Tempo de decaimento do káon
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O detector LHCb será construído para a obtenção de medidas precisas dos decaimentos dos mésons B. Seu caráter específico o torna menos complexo que outros detectores, como ATLAS, CMS e ALICE, que serão construídos no acelerador LHC. O LHCb conta ainda com a van- tagem de poder ser oti- mizado para essas me- didas, garantindo o me- lhor resultado possível para as medidas de vio- lação de CP. Mesmo sendo simples para os padrões dos fu- turos detectores de partículas, o LHCb medirá cerca de 20 m de comprimento e deverá ser dividido em várias partes. Seus principais componentes são: a) O detector de vértices, que irá medir a trajetó- ria das partículas. b) O RICH (do inglês, Ring Imaging Cherenkov Detector ) que, em conjunto com o Sistema de Múons, atua na iden- tificação das partí- culas. Esse detector mede uma radiação chamada Cherenkov (nome do físico russo que a descobriu). Essa radiação é emitida por uma partícula carre- gada que atravessa um meio material com velocidade maior que a da luz neste meio. c) O Sistema de Múons é um conjunto de detecto- res que tem por função identificar, dentre as partícu-
formadas por um quark down e um antiquark bottom. Ser„o observados os decaimentos de mÈsons B e de antimÈsons B. A comparaÁ„o de suas probabilidades de seus decaimentos nos permitiria medir a violaÁ„o de CP.
PREFERÊNCIA DA NATUREZA
Como o Modelo Padr„o n„o prevÍ qual o grau de violaÁ„o de CP que devemos observar no decaimento dos mÈsons B, isso tem de ser medido. Uma vez que
a violaÁ„o de CP seja medida para um tipo de decaimento, pode-se usar esse resultado no Modelo Padr„o para prever quanto de violaÁ„o de CP espera- mos para outros tipos de decaimentos, bem como comparar os resultados obtidos com novas medidas. O estudo da violaÁ„o de CP nos mÈsons B comeÁar· em laboratÛrios na Alemanha, nos Estados Unidos e no Jap„o. O experimento com o detector LHCb vir· mais tarde, mas ser· nele que a fÌsica dos mÈsons B alcanÁar· seu ·pice. O CERN, situado em Genebra, na SuÌÁa, est· cons- truindo um novo acelerador de partÌculas que entra-
las observadas, quais são múons (figura 5). Um dos grandes desafios para a construção do LHCb será sua eletrônica. Só pequena parte das colisões próton-próton produzirá mésons B e, entre as efetivas, apenas uma fração decairá de forma interessante para que sejam feitas medi- das de violação de CP. Para selecionar esses poucos eventos em meio a milhões de outros, será necessário um sofistica- do sistema eletrônico. Ele procurará por partí- culas cujas trajetórias se originaram alguns milíme- tros depois do ponto onde os prótons colidiram. Iniciar a trajetória próximo ao ponto de colisão é um traço característico deixado por mésons B ou an- timésons B no decaimento (figura 6). No decaimento do méson B não pode haver a produção de léptons, assim como no decaimento do antiméson B não pode haver a produ- ção de antiléptons. Assim, a identificação de um lépton (elétron ou múon) indica que quem decaiu foi um antiméson B e vice- versa. Quando um evento tem essas ca- racterísticas, um sinal eletrônico é enviado para os detectores para que todas as informações sejam obtidas e armazenadas para uma futura análise de dados.
Figura 5. Foto do protótipo de um detector que fará parte do Sistema de Múons do LHCb
Figura 6. Esquema de um evento após uma colisão de um próton contra outro próton. O primeiro vértice representa o ponto de colisão; o segundo, o ponto onde o méson B inicia sua transformação em outras partículas. Na física, essa transformação é denominada decaimento. Costuma-se procurar por mésons B em locais muito próximos ao da colisão
FOTO CEDIDA PELOS AUTORES
Ponto de colisão
Ponto de decaimento
LHCb será desafio para a eletrônicaLHCb será desafio para a eletrônica
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r· em atividade em 2005 e ser· o mais potente do mundo. Nessas m·quinas, partÌculas s„o aceleradas a velocidades prÛximas ‡ da luz para depois se cho- carem, concentrando energias altÌssimas ñ prÛximas ‡s do Big Bang ñ em diminutas regiıes do espaÁo. O LHC produzir· colisıes entre prÛtons com ener- gia 10 vezes superior a qualquer acelerador atual- mente em atividade. Dentre os muitos processos possÌveis nessas colisıes, haver· a produÁ„o abun- dante de mÈsons B ñ especialmente, como se diz no jarg„o tÈcnico, em torno do feixe de partÌculas. O detector LHCb ir· ëfotografarí (ou detectar, co- mo dizem os fÌsicos) as colisıes geradas no LHC, prometendo coletar um n˙mero muito maior de decaimentos dos mÈsons B do que experimentos anteriores. Isso nos proporcionar· a realizaÁ„o de medidas de alta precis„o, consideradas cruciais pa- ra a fÌsica do prÛximo sÈculo. A construÁ„o do LHCb foi proposta por uma co- laboraÁ„o internacional que re˙ne cerca de 300 fÌ- sicos ligados a 43 instituiÁıes de pesquisa em 13 paÌses diferentes. O Brasil est· presente nesta colabo- raÁ„o atravÈs de pesquisadores do LaboratÛrio de FÌsica de PartÌculas Elementares do Instituto de FÌsica da Universidade Federal do Rio de Janeiro (LAPE/IF/UFRJ). Esse grupo tem responsabilidade na construÁ„o de parte do Sistema de M˙ons, que ser· fundamental para a tomada de decis„o sobre quais eventos dever„o ser armazenados para an·lise.
QUESTÃO PROFUNDA E ESSENCIAL
Fazer experimentos para medir a violaÁ„o de CP n„o È tarefa f·cil. Trata-se de um efeito pequeno, compa- r·vel ao de uma pessoa que acenasse para si prÛpria na frente do espelho mil vezes e sÛ visse uma vez sua imagem acenando de volta com a outra m„o. O Modelo Padr„o, teoria atualmente usada para descrever as interaÁıes entre as partÌculas, admite que exista uma pequena violaÁ„o de CP. H· indÌcios, entretanto, de que o grau m·ximo de violaÁ„o de CP admitido nesse Modelo n„o seja grande o suficiente para explicar o desequilÌbrio entre matÈria e antima- tÈria. Em outras palavras, suspeita-se que o Modelo Padr„o preveja menos matÈria do que aquela que È observada no universo. E isso, claro, poderia criar certas dificuldades para o Modelo. Assim, os experimentos projetados para estudar a violaÁ„o de CP n„o sÛ contribuir„o para elucidar o problema do excesso de matÈria no universo, bem como poder„o indicar o caminho para novas teorias sobre as interaÁıes fundamentais. Esses experimentos poderiam tambÈm mostrar se o Modelo Padr„o deve ser corrigido ou deixado de lado, para dar lugar a outro modelo. E, talvez, nos permitir„o entender uma quest„o essencial para a compreens„o das leis da natureza e da existÍncia do universo e da prÛpria vida: por que a natureza prefe- re a matÈria ‡ antimatÈria? n
Sugestões para leitura
COUGHLAN, G.D. e DODD, J.E. The ideas of particle physics, Cambridge University Press, Segunda edição,
QUINN, H.R. e WITHERELL, M.S. ‘The asymmetry between matter and antimatter’ inScientific American, outubro 1998, pp. 55. GUTH, A. H. O universo inflacionário, Rio de Janeiro, Editora Campus,
http://www.cern.ch/public
Figura 7. Para medir a violação de CP, os físicos usarão o LHCb para observar decaimentos de mésons B e de suas antipartículas. Será possível medir, por exemplo, a probabilidade de o méson Bs decair emitindo os mésons Ds e K+, bem como de sua antipartícula, o méson B (^) s decair emitindo D (^) s+^ e K. A diferença entre essas duas probabilidades fornecerá uma medida da violação de CP
b
s
b
s
s s
s b b c c u u
c
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u
s
u
s
c
méson B S
antiméson B S ( BS)
decaimento
decaimento
méson D S
_
méson K
_
méson K+
méson D S+
quarkquarkquark quarkquark strangestrangestrangestrangestrange
antiquarkantiquarkantiquark antiquarkantiquark^ strangestrangestrangestrangestrange
quarkquarkquark quarkquark^ bottombottombottombottombottom
antiquarkantiquarkantiquark antiquarkantiquark bottombottombottombottombottom
quarkquarkquark quarkquark^ charmcharmcharmcharmcharm
antiquarkantiquarkantiquark antiquarkantiquark^ charmcharmcharmcharmcharm
quarkquarkquark quarkquark upupupupup
antiquarkantiquarkantiquark antiquarkantiquark^ upupupupup
