Energia

Compreenda as forças fundamentais do Universo e suas interações

R.M. Davis - Symmetry Magazine - 22/12/2023

Aqui falamos de teorias. Mas recentemente um experimento questionou nossa compreensão das forças nucleares.
[Imagem: Sandbox Studio/Thumy Phan]

Quantas forças fundamentais?

Quantas forças fundamentais existem em nosso Universo? Para os físicos de partículas, responder a esta pergunta pode ser complicado.

Claro, existe a força da gravidade, que nos impede de flutuar para fora das nossas cadeiras. Há também a força nuclear forte, que une os núcleos dos nossos átomos. Depois, há a força eletromagnética, que é de onde obtemos correntes elétricas e campos magnéticos. E há a força nuclear fraca, que medeia o decaimento radioativo.

Estamos então restritos a quatro forças, certo?

Talvez não. E essa dúvida se deve a algo que os cientistas descobriram sobre as duas últimas. A força eletromagnética e a força fraca diferem muito em suas funções, mecanismos, alcance e força. Mas, na década de 1960, os cientistas perceberam que ambas são expressões de uma força fundamental única e unificada: A força eletrofraca.

Como eles chegaram a essa conclusão e o que isso nos diz sobre o nosso Universo?

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Duas forças muito diferentes

Quando observamos como as forças eletromagnética e nuclear fraca funcionam em nosso Universo, é fácil ver por que os físicos não perceberam imediatamente sua relação especial.

O eletromagnetismo fornece a eletricidade que usamos para acessar artigos digitais, como este, e a luz visível que precisamos para ver as palavras em nossas telas. Ele é responsável pelo campo magnético da Terra, que evita que sejamos fritos pelos raios cósmicos, e ainda permite as ligações químicas necessárias para a vida biológica.

A força nuclear fraca, embora também essencial, é consideravelmente menos versátil. Ela é a principal responsável pelo decaimento beta radioativo, um processo subatômico que faz com que partículas instáveis se transformem em outras partículas menos massivas. Esse decaimento é crucial para as reações nucleares que alimentam o Sol e demais estrelas.

E o eletromagnetismo e a força nuclear fraca não diferem apenas nos seus efeitos: As partículas que constituem cada uma dessas forças são igualmente distintas.

Um dos princípios básicos da física de partículas é que tudo em nosso mundo cotidiano é feito de partículas. Essas partículas são, na verdade, "excitações locais", essencialmente pequenas oscilações dentro de campos quânticos que permeiam todo o espaço. Cada tipo de partícula é descrito por um campo quântico.

Uma excitação local do campo eletromagnético é chamada de fóton. Todos os efeitos eletromagnéticos que observamos são o resultado da combinação das qualidades únicas do fóton. Ele não tem carga elétrica e não tem massa. Sem nada para desacelerá-lo, ele percorre o Universo no que chamamos de velocidade da luz.

A força fraca é mediada por uma partícula diferente - três delas, na verdade: O bóson Z neutro e dois bósons W, um com carga elétrica positiva e outro negativo. Em relação ao veloz fóton, essas três partículas da força fraca são pesadas e comparativamente lentas. Elas se desintegrarão rapidamente se percorrerem a largura de um núcleo atômico.

Quando os físicos observam o comportamento das partículas eletromagnéticas e da força fraca no nosso Universo, parece claro que são expressões de duas forças fundamentais separadas e distintas. Porém, quando eles usam a matemática da física de partículas para descrever como essas partículas se comportam, a situação fica um pouco mais complicada.

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[Imagem: Sandbox Studio/Thumy Phan]

Teorias de calibre

Os físicos usam equações de movimento para descrever como as partículas de matéria e de força interagem, pintando um quadro de seus prováveis movimentos e comportamentos. A força eletromagnética, a força fraca e suas partículas correspondentes podem ser todas descritas pelo que é conhecido como teorias de calibre, ferramentas matemáticas que os físicos usam para compreender quais tipos de interações são possíveis para diferentes tipos de partículas.

"Você tem alguma interação que é mediada por uma [partícula de força], e isso é sempre uma teoria de calibre," explica Ilaria Brivio, pesquisadora da Universidade de Bolonha, na Itália. "O termo descreve a estrutura matemática muito específica na qual a teoria é formulada."

Cada tipo de partícula requer sua própria teoria de calibre. "Essas interações entre todas essas partículas satisfazem regras," disse Pierre-Hugues Beauchemin, professor na Universidade Tufts, nos EUA. "Elas satisfazem leis que restringem o que pode acontecer."

Por exemplo, o fóton - e o campo eletromagnético por extensão - é "invariante de fase local". A fase local de uma partícula é uma quantidade que varia no espaço-tempo e impacta o cálculo da função de onda da partícula. A função de onda é uma ferramenta que os físicos usam para aprender sobre a probabilidade de obter certos resultados quando medem a partícula.

Os fótons são descritos como "invariantes de fase local" porque, quando você aplica a invariância de fase - fazendo com que as equações permaneçam as mesmas, independentemente do que você insere como a fase local da partícula - às equações de movimento, você obtém uma teoria matemática que descreve com muita precisão as interações entre os fótons e outras partículas.

Não apenas isto, mas também se obtém uma teoria matemática que descreve tudo o que sabemos sobre a força eletromagnética - tanto o seu campo quântico quanto os fótons que brotam dele.

Isso é parte do que torna uma teoria de calibre uma teoria de calibre. Ao colocar algumas restrições em uma teoria genérica do movimento das partículas, essas invariâncias de calibre resultam em equações que descrevem com muita precisão as interações das partículas.

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[Imagem: FUW]

Como dividir uma força

O setor eletromagnético tem apenas uma invariância de calibre, para acompanhar sua única partícula de força, o fóton. Os bósons da força fraca têm um conjunto de três invariâncias de calibre locais, uma para cada um dos três bósons da força fraca. Se aplicarmos as invariâncias da força eletromagnética e da força fraca às equações de movimento e definirmos os termos da escala de energia nessas equações para corresponderem às escalas de energia da realidade que vivenciamos como seres humanos cotidianos, obteremos as duas teorias muito distintas das forças eletromagnética e fraca.

Notavelmente, embora a força eletromagnética seja considerada uma teoria de calibre, a força fraca, tal como a observamos no nosso mundo cotidiano, tecnicamente não o é - por razões que não temos tempo para aprofundar aqui. No entanto, se ajustarmos os nossos termos de energia até as escalas de energia mais elevadas do universo primitivo, acontece algo interessante. Nessas escalas de alta energia, as forças fraca e eletromagnética se misturam em uma teoria de calibre combinada - uma única força fundamental consistindo em quatro partículas sem massa, todas parentes das quatro partículas que associamos às forças eletromagnéticas e nucleares fracas separadamente.

Os físicos agora entendem que, em algum ponto nas frações de segundos imediatamente após o Big Bang, houve uma força eletrofraca combinada. Meros picossegundos depois, essa força eletrofraca unificada se dividiu nas forças eletromagnéticas e fracas que vemos hoje.

Durante décadas, os cientistas não tinham certeza de como essa transição aconteceu, postulando que algo devia ter quebrado essa força. "Quando o Universo arrefeceu de uma temperatura muito elevada para temperaturas mais baixas, ele sofreu uma transição de fase na escala de energia em que a força eletrofraca se rompe," explicou Tevong You, da Faculdade do Rei de Londres. "Isso é muito similar a você mudar a temperatura de um lago, quando você passa da fase líquida para o gelo, a 0 ºC.

O que quer que tenha quebrado a força eletrofraca em duas durante essa transição de fase teve que resultar na transformação das quatro partículas originais da força eletrofraca sem massa em três partículas muito massivas de força fraca e uma partícula eletromagnética sem massa, o fóton.

Com base nessa ideia, os cientistas previram a existência de um campo quântico que poderia dar massa a algumas (mas não a todas) partículas elementares: O campo de Higgs. Em 2012, em experimentos no Grande Colisor de Hádrons (LHC), cientistas anunciaram a descoberta da partícula associada a esse campo, o bóson de Higgs.

Comprovado: Força forte cria partículas subatômicas leves

Também já temos notícias de partículas que não se encaixam no Modelo padrão da física de partículas.
[Imagem: Drummermean]

Questões permanecem

É claro que há muitas coisas que os cientistas ainda não sabem sobre essa transição. "Não sabemos se isso aconteceu muito gradualmente ou muito repentinamente," detalha You. "Esta é uma questão muito importante para resolver sobre como o nosso Universo primitivo evoluiu desde o Big Bang, e também pode nos ajudar a compreender alguns mistérios."

Por exemplo, o mistério de por que a matéria não se aniquilou contra a antimatéria durante o Big Bang, deixando o Universo cheio de nada além de luz. Você diz que isso pode estar relacionado à ruptura da força eletrofraca no campo de Higgs ocorrendo como uma mudança repentina, em vez de uma transição gradual.

Os cientistas também se perguntam se as forças eletromagnéticas e fracas não seriam as únicas forças combinadas no universo primitivo. Esta ideia vem da grande teoria unificada, que sugere que uma terceira força fundamental - a força nuclear forte - pode ter sido unificada com a força eletrofraca.

"A unificação da força eletromagnética e da força fraca em uma força unificada levou à sugestão, que é bastante convincente, de que talvez também a força forte se unifique em altas energias," disse You. "Existem indicações indiretas de que esta é uma possibilidade. A matemática destas forças tem uma relação elegante que se encaixa de uma forma que, se conseguíssemos construir um grande colisor de hádrons do tamanho da órbita de Marte ao redor do Sol, então poderíamos ir diretamente para essas escalas de energia e ver diretamente uma grande teoria unificada."

Alguns teóricos chegam a sugerir que a última força fundamental que conhecemos, a gravidade, também pode ter feito parte dessa unificação. "A esperança seria encontrar uma simetria, um grupo de transformações, que fosse capaz de explicar tudo - as interações fracas, as fortes, as eletromagnéticas e as gravitacionais," disse Beauchemin.

As teorias da grande unificação geralmente tratam apenas da unificação das forças fraca, forte e eletromagnética; a unificação da gravidade se enquadra em um conjunto diferente de ideias, conhecido como teoria das cordas.

Em ambos os casos, parece haver muito a descobrir sobre a unificação das forças para além do setor eletrofraco. Como diz Beauchemin: "Por que parar por aí?"