O Universo tem assimetrias, mas isso é bom. As imperfeições são essenciais para a existência das estrelas e até da própria vida.
Muitos físicos teóricos são fascinados pela simetria e acham que as equações devem refletir essa beleza. A presença de antimatéria foi predita com sucesso por equações matemáticas baseadas em simetria. No entanto, há um risco em equiparar verdade e beleza com simetria. O Universo, como os seres vivos, não é completamente simétrico.
Nós, canhotos, somos uma minoria entre os humanos, com aproximadamente uma proporção de 1:10 . Mas não se engane: o Universo, das partículas subatômicas à própria vida, ama o canhoto. De fato, se a Natureza não tivesse essa assimetria básica, o Universo seria um lugar completamente diferente – sem graça, principalmente cheio de radiação e vazio de estrelas, planetas ou vida.
No entanto, há uma estética popular nas ciências físicas que promove a perfeição matemática – expressa como simetria – como o projeto da Natureza. E, como muitas vezes acontece, nos perdemos em uma dualidade falsamente fabricada de ter que escolher campos: você é a favor do “tudo é simetria” ou é um iconoclasta da imperfeição?
Antimatéria: por que os físicos amam a simetria
“A beleza é a verdade, a verdade é a beleza”, como disse Keats . No entanto, se você insistir em equiparar a beleza de Keats com a simetria matemática como um caminho para descobrir a “verdade” sobre as leis naturais – o que é bastante comum na física teórica – o perigo é que você relacione a simetria com a “verdade” de tal forma que o A matemática que usamos para representar o Universo através da física deve refletir a simetria matemática: o Universo é lindamente simétrico, e as equações que usamos para descrevê-lo devem revelar essa bela simetria. Só assim poderemos nos aproximar da verdade.
Citando o grande físico Paul Dirac , “é mais importante ter beleza em suas equações do que fazê-las caber em um experimento”. Se qualquer outro físico menos conhecido dissesse isso, eles seriam ridicularizados pelos colegas, rotulados de platônicos cripto-religiosos ou charlatães. Mas foi Dirac, e sua bela equação, baseada em conceitos de simetria, previu a presença de antimatéria, o fato de que cada partícula de matéria (como elétrons e quarks) tem um companheiro antipartícula.
Essa é uma conquista incrível – a matemática da simetria, aplicada a uma equação, guiou os humanos a encontrar todo um reino paralelo da matéria. Não é surpresa que Dirac fosse tão dedicado ao deus da simetria. Dirigiu seus pensamentos para uma descoberta incrível.
É importante notar que a antimatéria não tem o significado estranho que parece ter. Em um campo gravitacional, as antipartículas não aumentam. Algumas de suas características físicas, principalmente a carga elétrica, são invertidas. Como resultado, o pósitron, a antipartícula do elétron carregado negativamente, tem uma carga elétrica positiva.
Devemos nossa existência à assimetria
Mas aqui está a questão que Dirac desconhecia. As leis que ditam o comportamento das partículas fundamentais da Natureza predizem que matéria e antimatéria devem ser igualmente abundantes, ou seja, devem aparecer na proporção de 1:1. Um pósitron para cada elétron. No entanto, supondo que essa simetria perfeita fosse mantida, matéria e antimatéria deveriam ter se aniquilado em frações de radiação de segundo após o Big Bang (principalmente fótons). Isso, porém, não foi o caso. Como excesso , cerca de uma em um bilhão (aproximadamente) partículas de matéria sobreviveram. E isso é uma coisa maravilhosa, porque tudo o que vemos no Universo – galáxias e estrelas, planetas e luas, vida na Terra, toda forma de aglomerado de matéria, viva e não viva – surgiu desse pequeno excesso, dessa assimetria fundamental entre matéria e antimatéria.
Apesar da esperada simetria e beleza do cosmos, nossa pesquisa nas últimas décadas revelou que as leis da natureza não se aplicam igualmente à matéria e à antimatéria. Uma das questões não resolvidas mais importantes em física de partículas e cosmologia é qual mecanismo pode ter causado esse pequeno excesso, essa imperfeição que é responsável por nossa existência.
Existe uma operação de simetria interna que converte uma partícula de matéria em uma de antimatéria na linguagem de interno (“interno” como na mudança de propriedade de uma partícula) e externo (“externo” como em girar um objeto). A operação é representada pela letra maiúscula C e é conhecida como “conjugação de carga”. A assimetria matéria-antimatéria observada implica que a Natureza carece de simetria de conjugação de carga: partículas e suas antipartículas não podem ser transformadas umas nas outras em alguns casos. A simetria C é especificamente violada nas interações fracas, que são responsáveis pelo decaimento radioativo. Os culpados são os neutrinos, a mais estranha de todas as partículas conhecidas, carinhosamente chamadas de partículas fantasmas devido à sua capacidade de atravessar a matéria praticamente sem perturbações.
Para entender por que os neutrinos violam a simetria C, precisamos considerar outra simetria interna conhecida como paridade, que é representada pela letra P. Uma “operação de paridade” transforma um objeto em seu inverso. Você não é, por exemplo, invariante de paridade. O coração está no lado direito da sua imagem no espelho. A paridade, como os piões, está ligada à forma como as partículas giram. No entanto, as partículas são objetos quânticos. Isso implica que eles não podem simplesmente girar em qualquer direção. Seu giro é “quantizado”, o que significa que eles só podem girar de algumas maneiras, semelhante a como os antigos discos de vinil só podiam ser tocados em três velocidades: 33, 45 e 78 rpm.
Uma “velocidade” de rotação é a menor quantidade de spin que uma partícula pode ter. (Muito grosseiramente, é como um pião girando para cima. Pode girar no sentido horário ou anti-horário quando visto de cima.) Elétrons, quarks e neutrinos são exemplos disso. Possuem spin 1/2, que pode ser +1/2 ou -1/2, correspondendo aos dois sentidos de rotação. Curvar a mão direita com o polegar apontando para cima é uma boa maneira de perceber isso. O giro positivo é no sentido anti-horário, enquanto o giro negativo é no sentido horário.
Devemos receber um anti-neutrino canhoto se aplicarmos a operação C a um neutrino canhoto. (Sim, mesmo que o neutrino seja eletricamente neutro, ele tem sua antipartícula, também eletricamente neutra.) A questão é que a Natureza não contém antineutrinos canhotos. Existem apenas neutrinos que são canhotos. As interações fracas, que são as únicas interações que os neutrinos experimentam (além da gravidade), quebram a simetria da conjugação de cargas. Isso é um problema para aqueles que amam a simetria.
Violação de CP: assimetria vence
Mas vamos dar um passo adiante. Quando aplicamos C e P (paridade) a um neutrino canhoto, devemos obter um anti-neutrino destro: o C converte o neutrino em um anti-neutrino e o P converte o neutrino canhoto em um direito neutrino de mão. Os anti-neutrinos, aliás, são destros! Parece que estamos com sorte. Embora as interações fracas violem C e P separadamente, elas parecem satisfazer a operação de simetria CP combinada. Na prática, isso significa que as reações de partículas com a mão esquerda devem ocorrer na mesma velocidade que as reações antipartícula com a mão direita. Todos ficaram aliviados. A natureza parece ser CP-simétrica em todas as interações conhecidas. A beleza estava de volta.
A empolgação não durou muito. Em 1964, James Cronin e Val Fitch descobriram uma pequena violação da simetria CP combinada nos decaimentos de um kaon neutro, identificado como K0. Essencialmente, K0 e suas antipartículas não decaem no ritmo previsto por uma teoria CP-simétrica. A comunidade física ficou chocada. A beleza se foi. Mais uma vez, nunca se recuperou totalmente. A violação do CP é um fenômeno que ocorre naturalmente.
Tantas assimetrias
A violação de CP tem uma implicação mais profunda e misteriosa: as partículas escolhem uma direção de tempo preferida. A assimetria do tempo, marca registrada de um Universo em expansão, acontece também no nível microscópico! Isso é enorme. É tão grande, na verdade, que vai precisar de seu próprio ensaio em breve.
E aqui está outro fato explosivo sobre a imperfeição que abordaremos. A vida também é “manual”: os aminoácidos e açúcares encontrados em todos os seres vivos, de amebas a uvas, crocodilos e humanos, são canhotos e destros. Geramos combinações 50:50 de moléculas para canhotos e destros no laboratório, mas isso não é o que vemos na natureza. A vida gosta quase exclusivamente de aminoácidos canhotos e açúcares destros. Novamente, este é um grande assunto científico aberto no qual passei uma quantidade considerável de tempo trabalhando. Da próxima vez, vamos lá.
JP em 13.07.2022
