33.6: GuTS - A Unificação das Forças

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Declare a grande teoria unificada.
• Explique a teoria eletrofraca.
• Defina glúons.
• Descreva o princípio da cromodinâmica quântica.
• Defina o modelo padrão.

Apresente missões para mostrar que as quatro forças básicas são manifestações diferentes de uma única força unificada seguindo uma longa tradição. No século 19, mostrou-se que as distintas forças elétricas e magnéticas estavam intimamente conectadas e agora são chamadas coletivamente de força eletromagnética. Mais recentemente, foi demonstrado que a fraca força nuclear está conectada à força eletromagnética de uma maneira que sugere que uma teoria pode ser construída na qual todas as quatro forças são unificadas. Certamente, existem semelhanças na forma como as forças são transmitidas pela troca de partículas transportadoras, e as próprias partículas transportadoras (os bósons de calibre em [link]) também são semelhantes em aspectos importantes. A analogia com a unificação das forças elétricas e magnéticas é muito boa — as quatro forças são distintas em circunstâncias normais, mas há indícios de conexões até mesmo na escala atômica, e podem haver condições nas quais as forças estejam intimamente relacionadas e até mesmo indistinguíveis. A busca por uma teoria correta ligando as forças, chamada de Grande Teoria Unificada (GUT), é explorada nesta seção no domínio da física de partículas. Frontiers of Physics expande a história ao fazer uma conexão com a cosmologia, na extremidade oposta da escala de distância.

A figura é um diagrama de Feynman mostrando como a força nuclear fraca é transmitida pela partícula transportadora\(Z^0\), semelhante aos diagramas em [link] e [link] para as forças eletromagnéticas e nucleares fortes. Na década de 1960, uma teoria de calibre, chamada teoria eletrofraca, foi desenvolvida por Steven Weinberg, Sheldon Glashow e Abdus Salam e propôs que as forças eletromagnéticas e fracas são idênticas em energias suficientemente altas. Uma de suas previsões, além de descrever fenômenos eletromagnéticos e de força fraca, foi a existência das\(W^+,W^−\) partículas\(Z^0\) transportadoras e. Não foram apenas previstas três partículas com spin 1, a massa do\(W^+\) e\(W^−\) foi prevista em 81\(GeV/c^2\) e a do\(Z^0\) foi prevista em 90\(GeV/c^2\). (Suas massas deveriam ser cerca de 1000 vezes a do píon, ou cerca de 100\(GeV/c^2\), já que o alcance da força fraca é cerca de 1000 vezes menor do que a força forte transportada pelos píons virtuais.) Em 1983, essas partículas transportadoras foram observadas no CERN com as características previstas, incluindo massas com os valores previstos, conforme visto em [link]. Esse foi outro triunfo da teoria de partículas e do esforço experimental, resultando no Prêmio Nobel de 1984 para os líderes do grupo do experimento, Carlo Rubbia e Simon van der Meer. Os teóricos Weinberg, Glashow e Salam já haviam recebido o Prêmio Nobel de 1979 por outros aspectos da teoria eletrofraca.

Figura\(\PageIndex{1}\): A troca de um virtual\(Z^0\) carrega a fraca força nuclear entre um elétron e um neutrino neste diagrama de Feynman. A\(Z^0\) é uma das partículas transportadoras da força nuclear fraca que agora foi criada em laboratório com características previstas pela teoria eletrofraca.

Embora a força nuclear fraca tenha um alcance muito curto ()\(< 10^{–18} m\), seus efeitos nos níveis atômicos podem ser medidos devido à extrema precisão das técnicas modernas. Como os elétrons passam algum tempo no núcleo, suas energias são afetadas e os espectros podem até indicar novos aspectos da força fraca, como a possibilidade de outras partículas transportadoras. Portanto, sistemas com muitas ordens de magnitude maiores do que o alcance da força fraca fornecem evidências de unificação eletrofraca, além das evidências encontradas na escala de partículas.

Os glúons (\(g\)) são as partículas transportadoras propostas para a força nuclear forte, embora não sejam observados diretamente. Como os quarks, os glúons podem estar confinados a sistemas com uma cor total de branco. Menos se sabe sobre os glúons do que o fato de serem portadores da força fraca e, certamente, da força eletromagnética. A teoria da QCD exige oito glúons, todos sem massa e todos com spin 1. Seis dos glúons carregam uma cor e um anticolor, enquanto dois não carregam cor, conforme ilustrado na Figura\(\PageIndex{2a}\). Há evidências indiretas da existência de glúons nos nucleons. Quando elétrons de alta energia são espalhados pelos nucleons e evidências de quarks são vistas, os momentos dos quarks são menores do que seriam se não houvesse glúons. Isso significa que os glúons que transportam a força entre os quarks também carregam algum momento, inferido pelas medições já indiretas do momento dos quarks. De qualquer forma, os glúons carregam carga de cor e podem mudar as cores dos quarks quando trocados, como visto na Figura\(\PageIndex{2b}\). Na figura, um quark vermelho interage com um quark verde estranho enviando-lhe um glúon. Esse glúon afasta o vermelho do quark inferior e o deixa verde, porque é um glúon\(R\bar{G}\) (vermelho-antiverde). (Tirar o antiverde deixa você verde.) Sua antiesverdeza mata o verde no quark estranho, e sua vermelhidão torna o quark vermelho.

A Figura (b) mostra que a troca de glúons entre quarks carrega a força forte e pode mudar a cor de um quark.

A força forte é complicada, pois as partículas observáveis que sentem a força forte (hádrons) contêm vários quarks. A figura\(\PageIndex{3}\) mostra os detalhes de quarks e glúons da troca de píons entre um próton e um nêutron, conforme ilustrado anteriormente em [link] e [link]. Os quarks dentro do próton e do nêutron se movem juntos trocando glúons, até que o próton e o nêutron se aproximem. Quando o quark u deixa o próton, um glúon cria um par de partículas virtuais, um\(d\) quark e um\(d^−\) antiquark. O\(d\) quark fica para trás e o próton se transforma em um nêutron, enquanto o\(u\) e\(\bar{d}\) se move junto como um\(π^+\) ([link] confirma a composição ud− para o π +.) O d− aniquila um quark d no nêutron, o u se junta ao nêutron e o nêutron se torna um próton. Um píon é trocado e uma força é transmitida.

Figura\(\PageIndex{3}\): Este diagrama de Feynman tem a mesma interação mostrada em [link], mas mostra os detalhes de quarks e glúons da interação de força forte.

Está além do escopo deste texto entrar em mais detalhes sobre os tipos de interações de quarks e glúons subjacentes às partículas observáveis, mas a teoria (cromodinâmica quântica ou QCD) é muito autoconsistente. Tão bem-sucedidas foram a QCD e a teoria eletrofraca que, juntas, são chamadas de Modelo Padrão. Espera-se que os avanços no conhecimento modifiquem, mas não derrubem, o Modelo Padrão de Física de Partículas e Forças.

FAZENDO CONEXÕES: UNIFICAÇÃO DE FORÇAS

A Grande Teoria Unificada (GUT) é bem-sucedida em descrever as quatro forças como distintas em circunstâncias normais, mas conectadas de maneiras fundamentais. Experimentos verificaram que a força fraca e a força eletromagnética se tornam idênticas a distâncias muito pequenas e fornecem a descrição GUT das partículas transportadoras das forças. O GUT prevê que as outras forças se tornam idênticas em condições tão extremas que não podem ser testadas em laboratório, embora possa haver evidências persistentes delas na evolução do universo. O GUT também é bem-sucedido ao descrever um sistema de partículas transportadoras para todas as quatro forças, mas há muito a ser feito, particularmente no reino da gravidade.

Como as forças podem ser unificadas? Eles são definitivamente distintos na maioria das circunstâncias, por exemplo, sendo transportados por partículas diferentes e tendo forças muito diferentes. Mas experimentos mostram que, a distâncias extremamente pequenas, as forças das forças começam a se tornar mais semelhantes. De fato, a previsão da teoria eletrofraca das\(W^+, W^−\) partículas\(Z^0\) transportadoras e foi baseada nas forças das duas forças sendo idênticas a distâncias extremamente pequenas, como visto na Figura\(\PageIndex{4}\). Conforme discutido no caso da criação de partículas virtuais por tempos extremamente curtos, as pequenas distâncias ou distâncias curtas correspondem às grandes massas das partículas transportadoras e às energias correspondentemente grandes necessárias para criá-las. Assim, a escala de energia no eixo horizontal da Figura\(\PageIndex{4}\) corresponde a distâncias cada vez menores, com 100 GeV correspondendo a aproximadamente,\(10^{−18}m\) por exemplo. A essa distância, os pontos fortes do EM e as forças fracas são os mesmos. Para testar a física a essa distância, energias de cerca de 100 GeV devem ser colocadas no sistema, e isso é suficiente para criar e liberar as\(W^+, W^−\) partículas\(Z^0\) transportadoras. Nessas e mais altas energias, as massas das partículas transportadoras se tornam cada vez menos relevantes e,\(Z^0\) em particular, se assemelham ao fóton de spin 1 sem massa e sem carga. Na verdade, há energia suficiente quando as coisas são empurradas para distâncias ainda menores para transformá-las\(Z^0\) em partículas transportadoras sem massa, mais semelhantes aos fótons e glúons. Eles não foram observados experimentalmente, mas há uma previsão de uma partícula associada chamada bóson de Higgs. A massa dessa partícula não é prevista com quase a certeza com que a massa das\(Z^0\) partículas e foi prevista\(W^+,W^−\), mas esperava-se que o bóson de Higgs pudesse ser observado no Supercondutor Super Colisor (SSC), agora cancelado. Experimentos em andamento no Large Hadron Collider no CERN apresentaram algumas evidências de um bóson de Higgs com uma massa de 125 GeV, e existe a possibilidade de uma descoberta direta em 2012. A existência dessa partícula mais massiva daria validade à teoria de que as partículas transportadoras são idênticas sob certas circunstâncias.

Figura\(\PageIndex{4}\): As forças relativas das quatro forças básicas variam com a distância e, portanto, a energia é necessária para sondar pequenas distâncias. Em energias comuns (alguns eV ou menos), as forças diferem muito, conforme indicado em [link]. No entanto, nas energias disponíveis nos aceleradores, as forças fracas e EM se tornam idênticas ou unificadas. Infelizmente, as energias nas quais as forças fortes e eletrofracas se tornam as mesmas são inacessíveis, mesmo em princípio, em qualquer acelerador concebível. O universo pode fornecer um laboratório, e a natureza pode mostrar efeitos em energias comuns que nos dão pistas sobre a validade desse gráfico.

As pequenas distâncias e altas energias nas quais a força eletrofraca se torna idêntica à força nuclear forte não são alcançáveis com nenhum acelerador construído pelo homem. Em energias de cerca de\(10^{14}GeV\) (16.000 J por partícula), distâncias de aproximadamente\(10^{−30}m\) podem ser sondadas. Essas energias são necessárias para testar diretamente a teoria, mas elas são cerca de\(10^{10}\) mais altas do que o SSC gigante proposto teria, e as distâncias são quase\(10^{−12}\) menores do que qualquer estrutura da qual tenhamos conhecimento direto. Esse seria o reino de vários GUTs, dos quais existem muitos, pois não há evidências restritivas nessas energias e distâncias. Experiências anteriores mostraram que sempre que você investiga tantas ordens de magnitude (aqui, aproximadamente\(10^{12}\)), você encontra o inesperado. Ainda mais extremas são as energias e distâncias nas quais se pensa que a gravidade se unifica com as outras forças em um TOE. Os mais especulativos e menos restritos pelo experimento são os TOEs, um dos quais é chamado de teoria das supercordas. Supercordas são entidades que estão\(10^{−35}m\) em escala e agem como cordas oscilantes unidimensionais e também são propostas para fundamentar todas as partículas, forças e o próprio espaço.

Com a energia dos GUTs, as partículas transportadoras da força fraca se tornariam sem massa e idênticas aos glúons. Se isso acontecer, a conservação do lépton e do bárion seria violada. Não vemos tais violações, porque não encontramos essas energias. No entanto, há uma pequena probabilidade de que, em energias comuns, as partículas virtuais que violam a conservação do número de bárions possam existir por períodos de tempo extremamente pequenos (correspondendo a faixas muito pequenas). Portanto, todos os GUTs preveem que o próton deveria ser instável, mas decairia com uma vida útil extremamente longa de cerca de\(10^{31}y\). O modo de decaimento previsto é

\(p→π^0+e^+\), (decaimento de prótons proposto)

o que viola a conservação do número bariônico e do número da família de elétrons. Embora\(10^{31}y\) seja um período extremamente longo (cerca de\(10^{21}\) vezes a idade do universo), existem muitos prótons e detectores foram construídos para procurar o modo de decaimento proposto, conforme visto na Figura\(\PageIndex{5}\). É um tanto reconfortante que o decaimento do próton não tenha sido detectado, e sua vida útil experimental agora seja maior do que\(5×10^{32}y\). Isso não prova que o GUTs está errado, mas impõe maiores restrições às teorias, beneficiando os teóricos de várias maneiras.

Ao olhar cada vez mais para dentro em detalhes menores em busca de evidências diretas da teoria eletrofraca e dos GUTs, nos voltamos e olhamos para o universo em busca de evidências da unificação de forças. Na década de 1920, a expansão do universo foi descoberta. Pensando para trás no tempo, o universo já deve ter sido muito pequeno, denso e extremamente quente. Em uma pequena fração de segundo após o lendário Big Bang, as forças teriam sido unificadas e poderiam ter deixado suas impressões digitais no universo existente. Essa, uma das vanguardas mais empolgantes da física, é o tema Frontiers of Physics.

Figura\(\PageIndex{5}\): No acelerador Tevatron do Fermilab, prótons e antiprótons colidem em altas energias, e algumas dessas colisões podem resultar na produção de um bóson de Higgs em associação com um bóson W. Quando o bóson W decai para um lépton de alta energia e um neutrino, o detector é acionado no lépton, seja ele um elétron ou um múon. (crédito: D. J. Miller)

Resumo

• As tentativas de mostrar a unificação das quatro forças são chamadas de Grandes Teorias Unificadas (GUTs) e foram parcialmente bem-sucedidas, com conexões comprovadas entre EM e forças fracas na teoria eletrofraca.
• A força forte é transportada por oito partículas propostas chamadas glúons, que estão intimamente conectadas a um número quântico chamado cor — sua teoria governante é, portanto, chamada de cromodinâmica quântica (QCD). Em conjunto, a QCD e a teoria eletrofraca são amplamente aceitas como o Modelo Padrão da Física de Partículas.
• A unificação da força forte é esperada em energias tão altas que ela não pode ser testada diretamente, mas pode ter consequências observáveis no decaimento ainda não observado do próton e nos tópicos a serem discutidos no próximo capítulo. Embora a unificação de forças seja geralmente prevista, ainda há muito a ser feito para provar sua validade.

Glossário

teoria eletrofraca

teoria mostrando conexões entre EM e forças fracas

grande teoria unificada

teoria que mostra a unificação das forças fortes e eletrofracas

glúons

oito partículas propostas que carregam a força forte

Bóson de Higgs

uma partícula massiva que, se observada, daria validade à teoria de que as partículas transportadoras são idênticas sob certas circunstâncias

cromodinâmica quântica

a teoria governante de conectar a cor do número quântico aos glúons

modelo padrão

combinação de cromodinâmica quântica e teoria eletrofraca

teoria das supercordas

uma teoria de tudo baseada em cordas vibratórias, algumas\(10^{−35}m\) de comprimento