Matéria e antimatéria: uma relação não muito simétrica

Postado em: 18/11/2014

Por Alberto Correa dos Reis*

 

Uma das noções mais fundamentais da Física é a de simetrias.  O termo simetria significa uma operação que deixa inalterado o resultado de uma medida, ou o cálculo do valor de alguma grandeza, ou ainda a forma de uma equação. A relação íntima entre simetrias e propriedades de teorias e características de fenômenos físicos é explorada exaustivamente. De uma forma geral, a existência de simetrias está associada a leis a conservação.

As simetrias podem ser contínuas ou discretas. A translação e a rotação são simetrias contínuas. A relação entre força e movimento, por exemplo, não depende da escolha da origem do sistema de coordenadas ou de sua orientação espacial, que podem variar continuamente. A simetria por translação está associada à conservação do momento linear, enquanto a simetria por rotação está associada à conservação do momento angular.

Sabemos há cerca de cem anos que fenômenos do mundo microscópico são descritos pelas teorias quânticas. São muito mais complexos que os do mundo macroscópico. Mas mesmo no mundo quântico as teorias são construídas com base nas simetrias. Antes de discutir as simetrias no mundo microscópico, é preciso abrir um parêntese.

Conhecemos hoje dois tipos de partículas elementares: os quarks e os léptons. São elementares pois não possuem estrutura interna até onde é possível medi-la (0,000000000000000001 cm). Existem seis léptons: o elétron, o múon, o tau e os neutrinos. Também são seis os quarks: up (u), down (d), strange (s), charm (c), beauty (b) e top (t). Prótons e neutrons, por exemplo, são compostos por três quarks (uud, ddu). Para cada quark ou lépton existe um antiquark ou antilépton, com carga elétrica oposta. Como as massas dessas partículas são muito pequenas, a gravidade é irrelevante. Três formas de interação entre essas partículas são conhecidas: as chamadas interações fortes, fracas e eletromagnéticas. Pode haver outras, assim como não há razão para supor que quarks e léptons sejam a última fronteira.

As simetrias discretas são um pouco mais abstratas. Uma simetria discreta importante é a chamada conjugação de carga (C). A conjugação de carga é uma transformação que troca alguns números quânticos de uma partícula, como a carga elétrica. Ou seja, transforma uma partícula na sua anti-partícula. A interação eletromagnética possui a simetria C: a interação entre dois elétrons, por exemplo, é em tudo idêntica à interação entre dois anti-elétrons (pósitrons).

Outra simetria bastante importante é a chamada paridade (P). A paridade é uma operação que inverte as coordenadas de um sistema, x-> -x, y->-y e z-> -z. É equivalente a uma reflexão por um espelho seguida de uma rotação de 180 graus.

A interação eletromagnética liga os elétrons aos núcleos atômicos e é a responsável por todos os fenômenos químicos. A interação forte mantém os prótons e neutrons coesos dentro do núcleo atômico, sendo assim responsável pela estabilidade da matéria. Ambas possuem as simetrias C e P. Ou seja, se vamos realizar uma medida de qualquer processo regido por essas formas de interação, obteremos sempre o mesmo resultado se aplicarmos as transformações C e P.

A interação fraca é responsável pela desintegração radiativa de núcleos atômicos, bem como pela desintegração (ou decaimento) de algumas partículas, como o neutron. Ela é muito diferentes das demais, pois não possui as simetrias C e P. Apesar disso, acreditava-se que as interações fracas fossem invariantes à transformação combinada, CP.

Houve uma grande surpresa em 1964, quando se descobriu que a simetria combinada CP não era realmente uma propriedade das interações fracas. Numa linguagem mais técnica, dizemos que em alguns processos regidos pelas interações fracas a simetria combinada CP é quebrada, ou violada.

O termo violação de CP significa simplesmente que partículas e antipartículas  comportam-se de formas ligeiramente distintas nos processos que ocorrem devido às interações fracas. Apesar de sutil, o fenômeno da violação de CP é de extrema importância. A sua existência é uma das condições necessárias para explicar o fato de o Universo ser feito de matéria e não de antimatéria.  Mas isso é outra (longa e controversa) história.

Durante cerca de 40 anos a violação de CP ficou restrita a poucos processos envolvendo partículas conhecidas como káons. Káons e píons (estes descobertos pelo nosso Cesar Lattes) pertencem à classe dos mésons, partículas compostas por um quark e um antiquark. Somente no início dos anos 2000, observou-se o fenômeno da violação de CP em outro tipo de partículas, os chamados mésons B.

O início da operação do LHC, o grande acelerador de partículas localizado entre a Suíça e a França, deu um novo impulso ao estudo da violação de CP. O acelerador consiste em dois tubos paralelos com aproximadamente 10 cm de diâmetro e 27 km de circunferência, a 110 metros de profundidade. Em cada tubo circula um feixe de prótons. Os prótons são acelerados até atingirem energias altíssimas. Os feixes circulam em sentidos opostos e em quatro pontos ao longo do acelerador eles se cruzam. Colisões violentíssimas, embora minúsculas, ocorrem nesses quatro pontos, onde se encontram os detectores. 

Um deles é voltado para o estudo da violação de CP: o LHCb, experimento que conta com uma significativa participação brasileira. O LHCb estuda reações envolvendo os mesons B, partículas compostas por um quark b e um antiquark leve (u, d ou s). A massa dos mésons B é cerca de cinco vezes maior que a do próton. Existem  mésons B neutros (B0, B0s) e carregados (B+ ou B-), dependendo do antiquark leve que acompanha o quark b.

Um dos métodos mais utilizados no estudo da violação de CP é a análise dos decaimentos dos mésons B em partículas mais leves e estáveis. Nos mésons B+ e B- (um é a anti-partícula do outro), a violação de CP se manifesta como uma diferença entre as taxas de decaimento. O decaimento B+ ->K+ pi+ pi-, por exemplo, ocorre com uma frequência ligeiramente menor que o de sua antipartícula, B- ->K- pi- pi+.

A grande maioria dos estudos com mésons B é realizado usando decaimentos em duas partículas, como o B+ -> K0 pi+. Há sete anos um grupo de pesquisadores brasileiros do CBPF, da UFRJ e da PUC  se dedica ao estudo da violação de CP em decaimentos de B+ e B- em três partículas no estado final. A motivação de se estudar os decaimentos em três corpos, mais complexos que os em dois corpos, decorre exatamente dessa complexidade maior: ela abre muitas possibilidades, inexistentes nos decaimentos mais simples em dois corpos.

Imagine um méson B inicialmente em repouso. Em algum momento, impossível de se prever, o méson B decai em duas outras partículas. A energia e o momento linear são conservados em todo e qualquer processo, e isso impõe um vínculo que limita a direção e a energia de cada partícula do estado final: elas têm que se propagar em direções diametralmente opostas, e cada um carrega consigo igual momento linear. A única variável é a direção em que as partículas "filhas" se propagam. Os decaimentos em três corpos também estão sujeitos aos vínculos impostos pela conservação da energia e do momento, mas agora cada "filha" possui inúmeras possibilidades combinações de direção e energia. Os decaimentos em três corpos são descritos por duas variáveis independentes, contra apenas uma dos decaimentos em dois corpos. E isso faz toda a diferença.

 Os pesquisadores do Rio realizaram um estudo sistemático da violação de CP em decaimentos de mésons B em três corpos, utilizando os estados finais K+ K+ K-,K+ K- pi+, K+ pi+ pi-, pi+ pi- pi+ e próton antipróton K+. As duas variáveis que descrevem esses decaimentos formam um plano conhecido na literatura científica como diagrama de Dalitz. Cada decaimento observado no detector possui uma configuração particular de direção e energia de cada "filha". Cada configuração corresponde a um ponto nesse diagrama bidimensional.

Analisando amostras selecionadas contendo milhares de decaimentos de B+ e de B-, os diagramas de Dalitz correspondentes a cada estado final foram construídos. Cada diagrama reflete a dinâmica específica do decaimento da partícula "mãe". Dividindo cada diagrama de Dalitz em pequenas células, conta-se quantos decaimentos de B+ e quantos de B- estão contidos em cada célula. As diferenças entre taxas de decaimento, também referidas como assimetria CP, são computadas célula a célula.

Os resultados desse estudo, publicados recentemente, foram surpreendentes, causando um impacto significativo. Os valores típicos de assimetria CP observados em decaimentos em dois corpos sao pequenos, da ordem de 10%. No estudo realizado pelos pesquisadores "cariocas" foram encontradas regiões nos diagramas de Dalitz com assimetrias CP de até 80%, uma intensidade jamais observada em qualquer outro processo. Além disso, a distribuição da assimetria CP ao longo dos diagramas de Dalitz possui um padrão extremamente rico, alternando valores positivos (mais B- do que B+) e negativos (o oposto). Tanto a intensidade como a distribuição do efeito ao longo do diagrama de Dalitz revela a existência de novos mecanismos de violação de CP, que só são possíveis em decaimentos com mais de dois corpos no estado final. E esse é um terreno praticamente inexplorado.

Esse trabalho foi citado com destaque na edição de julho do CERN Courier, comemorativa do cinquentenário da descoberta da violação de CP. Foi citado também como destaque na conferência anual LHCP, onde são discutidos os principais resultados obtidos pelos experimentos do LHC. O grupo "carioca" segue ativo, agora com uma análise que tenta desvendar que novos mecanismos de violação de CP estarão por trás dos resultados observados.

 

*Alberto Correa dos Reis é pesquisador do CBPF.


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