Carga, paridade e a seta do tempo

Bruno Carneiro da Cunha
11/05/2017

Uma animação ilustrando o efeito da força de Coriolis no pêndulo de Foucault. No hemisfério norte, o plano de oscilação irá lentamente rodar e, se o pêndulo estiver inicialmente oscilando na direção leste-oeste, eventualmente irá oscilar na direção norte-sul. [1]
No ambiente de selva em que a física de partículas estava no início dos anos 60, com várias dezenas de partículas instáveis e nenhuma ideia de como ordená-las, surgiu a proposta que partículas hadrônicas, como o próton e o nêutron, eram formadas por constituintes mais fundamentais.

A proposta parecia estranha aos olhos de quem não estava a par das características dessas partículas instáveis: os quarks deveriam ter carga fracionária (1/3 ou 2/3 da carga do elétron), e deveriam ter um outro tipo de carga, chamada de “cor”, que permitiria que eles se juntassem para formar hádrons e mésons. O seu próprio batismo, retirado por Murray Gell-Mann da críptica novela de Joyce, “Finnegan’s wake”, refletia a dubiedade da proposta. Que, no entanto, foi um sucesso experimental estrondoso, e formou a base do modelo padrão de partículas que conhecemos hoje.

Na época da proposta, para explicar as partículas vistas, só eram necessários três tipos (ou sabores) de quarks: o “up”, o “down” e o “strange”. O “up” e “down” constituíam os mésons e hádrons mais leves e comuns, como o méson pi (píon) o próton e o nêutron, enquanto o “strange” aparecia em certas partículas instáveis (“estranhas”) como o káon e o bárion lambda.

Alguns anos antes, um novo fenômeno tinha sido descoberto experimentalmente, associado com o káon neutro [2], que aparece em dois tipos em força nuclear forte: um é um estado ligado entre um quark strange e um antiquark down (“K-zero”), e o outro associado ao antiquark strange e o quark down (“K-zero-barra”).  O K-zero-barra é a antipartícula do K-zero.

Cada partícula é associada a uma freqüência de vibração distinta, relacionada com sua massa, que recebe contribuição das forças fundamentais da natureza. Desta forma, a força nuclear forte associa dois modos de vibração distintos para o K-zero e K-zero-barra. Porém, os quarks também sentem a força nuclear fraca, que tem a propriedade de misturar os dois modos de vibração, fazendo que o K-zero “lentamente” se transforme no K-zero-barra. Este fenômeno é chamado de oscilação do káon neutro, e é análogo ao que acontece com os neutrinos, já mencionado nesta coluna (veja aqui).

Uma bela analogia deste fenômeno é o pêndulo de Foucault, que é um pêndulo livre para mudar seu plano de oscilação. Quando ele é suspenso em lugares com latitude alta (como Paris), a força de Coriolis faz com que a direção de oscilação do pêndulo lentamente mude de direção. Após um determinado número de horas, o pêndulo vai passar de um modo de oscilação leste-oeste para um modo de oscilação norte-sul. Nesta analogia, a força nuclear fraca faz com que um tipo de káon neutro se transforme no outro.

O processo de “oscilação entre o K-zero (à esquerda), e o K-zero-barra (à direita). As interações são “mediadas” pelos mensageiros da força fraca, os bósons W+ e W. [3]
As duas formas de káon neutro são radicalmente diferentes nos seus modos de decaimento, um deles decai em dois píons, em uma reação rápida e o outro modo em três píons, em uma reação lenta. Da mesma forma que a força de Coriolis se mantém constante no eixo leste-oeste, mas tem uma pequena variação no eixo norte-sul, a força nuclear fraca atua de forma diferente com o káon neutro rápido do que com o káon neutro lento. Assim, há uma pequena chance do káon neutro rápido decair em três píons, e vice-versa: os káons neutro lento decair em dois píons.

Esta propriedade é chamada de “mistura”, pois o káon neutro rápido pode ser entendido como uma superposição quântica dos estados da força forte K-zero e K-zero-barra. Na verdade, o decaimento do káon neutro lento em dois píons acarreta uma propriedade profunda da força nuclear fraca: ela trata de forma desigual partículas (K-zero) de anti-partículas (K-zero-barra).

Este efeito dos káons, chamado de violação CP (carga-paridade) foi descoberta experimentalmente em 1964, rendeu o prêmio Nobel a Cronin, Fitch em 1980 [4]. É uma propriedade do quark strange, que é compartilhada com os quarks de segunda e terceira geração (strange, charm, bottom e top). Com os quarks bottom, a alta quantidade de modos de decaimento levou à criação das “B(eauty)-factories”, aceleradores dedicados ao estudo da violação CP em mésons e hádrons compostos com o quark bottom.  Exemplos incluem o BaBar na universidade de Stanford, e o Belle no Japão, que descobriram o fenômeno de violação CP nos quarks bottom, o que valeu o prêmio Nobel a Kobayashi e Maskawa em 2008. Atualmente, o LHCb está em operação no CERN, e o Belle II está sendo comissionado no acelerador KEK no Japão (vídeo), e deve entrar em operação em 2018. A modelagem teórica da violação CP com quarks bottom costuma ser complicada, com os resultados previstos não batendo muito bem com os experimentos.

Por trás dessa discrepância, pode estar a resposta de um grande mistério do universo: como a força fraca trata diferentemente algumas partículas das suas anti-partículas, ela pode explicar o porquê de vermos uma quantidade muito maior de matéria do que de antimatéria no universo, um fato que é verificado desde nossa experiência mundana até em eventos astrofísicos e cosmológicos. O problema é que a força nuclear fraca é, bem, muito fraca para explicar a impressionante proporção entre matéria e antimatéria vista no cosmos. Uma solução seria que a força forte também apresentasse a violação CP, fato que experimentalmente não ocorre, e ninguém sabe porquê: uma consequência direta dessa violação seria um momento de dipolo elétrico do nêutron bilhões de vezes maior que o medido. O fato deste momento de dipolo ser tão baixo mostra que há alguma simetria extra na força forte que ainda não conseguimos articular — apesar de haver algumas propostas.

Explicar as fontes de violação CP no modelo padrão é uma maneira de tentar explicar em última instância como necessariamente uma evolução temporal “para frente no tempo” forçosamente inclui uma percepção de um universo composto essencialmente por partículas e não por antipartículas. Se as fontes não forem suficientes, é a prova que o modelo está incompleto.

[1] Crédito da imagem: Nbrouard / Creative Commons (CC BY-SA 3.0). URL:  https://en.wikipedia.org/wiki/Foucault_pendulum#/media/File:Foucault-rotz.gif.

[2] G Buchalla. Kaon and Charm Physics: Theory. arXiv:hep-ph/0103166 (2001). URL: https://arxiv.org/pdf/hep-ph/0103166.pdf.

[3] Crédito da imagem: Wikimedia Commons / Creative Commons (CC BY-SA 3.0). URL: https://en.wikipedia.org/wiki/CP_violation#/media/File:Kaon-box-diagram-alt.svg.

[4] Uma breve síntese, e links para informações adicionais, podem ser encontradas em https://hep.uchicago.edu/cpv/history.html.

Como citar este artigo: Bruno Carneiro da Cunha. Carga, paridade e a seta do tempo. Saense. URL: http://www.saense.com.br/2017/05/carga-paridade-e-a-seta-do-tempo/. Publicado em 11 de maio (2017).

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Bruno Carneiro da Cunha

Doutor em Física. Professor da Universidade Federal de Pernambuco. Escreve sobre Física de Partículas Elementares no Saense.

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