Comprovado: Força forte cria partículas subatômicas leves

Com informações do Instituto Kavli - 02/07/2021

Comparado com o espectro de massa dos mésons (lado esquerdo) e prótons, nêutrons e bárions (lado direito), fica claro que os píons são muito leves.
[Imagem: Kavli IPMU]

Cromodinâmica quântica

Um físico japonês conseguiu finalmente provar uma hipótese feita décadas atrás, de que a força forte de fato gera píons leves - píons, nêutrons e prótons compõem a família do hádrons.

A força forte - a teoria da interação forte é conhecida como cromodinâmica quântica, ou QCD - é responsável por muitas coisas em nosso Universo, desde fazer o Sol brilhar até manter os quarks dentro dos prótons.

E isso é importante, já que garante que os prótons e nêutrons se liguem para formar os núcleos de todos os átomos existentes.

Mas ainda há muito mistério em torno da força forte.

A relação de Einstein E = mc² significa que uma força forte leva a mais energia, e mais energia significa uma massa mais pesada. Mas as partículas subatômicas chamadas píons são muito leves - se não fossem, os núcleos dos átomos não se ligariam, não haveria outros tipos de átomos além do hidrogênio e, portanto, nós e nem nada no Universo existiria.

Quando os quarks foram descobertos experimentalmente, arrancados de um próton com elétrons energéticos, os cientistas deram a "explicação" de que uma propriedade da força forte, que eles chamaram de confinamento, aprisionava os quarks, impedindo que eles fossem observados diretamente.

No entanto, essa explicação continha um mistério, já que ninguém conseguia encontrar uma prova de que o confinamento derivava da cromodinâmica quântica (QCD).

O lado esquerdo mostra que, se os píons fossem pesados, eles não seriam capazes de mediar uma força forte entre dois prótons e, como resultado, os prótons se afastariam um do outro, não seriam capazes de se unir para formar núcleos, e o único átomo no Universo seria o átomo de hidrogênio, com seu próton único. O lado direito mostra como píons leves do mundo real são capazes de unir dois prótons ao mediar a força forte entre eles.
[Imagem: Kavli IPMU]

Quebra espontânea de simetria

Em busca de uma solução para o mistério, o professor Yoichiro Nambu, ganhador do prêmio Nobel de 2008, propôs um conceito chamado "quebra espontânea de simetria", que seria responsável pela criação de partículas essencialmente sem massa equivalentes aos píons.

É por isso que esses píons são tão leves - no mundo real, uma pequena massa intrínseca de quarks não cria partículas completamente sem massa.

Contudo, mais uma vez, ninguém conseguiu demonstrar que a teoria da força forte, ou QCD, torna real a quebra de simetria espontânea proposta.

(Coluna da esquerda) Em 1994, Nathan Seiberg e Edward Witten propuseram um modelo com supersimetria estendida para mostrar que o confinamento era uma consequência da QCD. (Coluna da direita) Em 1961, Yoichiro Nambu propôs um conceito de QCD, denominado quebra de simetria quiral, que fornecia uma representação do mundo real da força forte. (Coluna do centro) Agora, Hitoshi Murayama usou a mediação de anomalias para quebrar a supersimetria, permitindo-lhe conectar o modelo de Seiberg e Witten ao mundo real que Nambu havia proposto.
[Imagem: Kavli IPMU]

Por que nós existimos

Agora, o professor Hitoshi Murayama, do Instituto Kavli, no Japão, resolveu esse problema usando uma versão da teoria com um aprimoramento matemático chamado supersimetria.

No entanto, como o mundo real não tem supersimetria, Murayama deu realismo à sua proposta usando uma forma específica de quebrar a supersimetria, chamada mediação de anomalias, que ele propôs em 1998.

Ao fazer isso, Murayama conseguiu demonstrar que a QCD de fato produz píons muito leves, algo que havia sido sugerido por simulações numéricas com supercomputadores, mas que é tecnicamente impossível de se demonstrar experimentalmente com quarks sem massa.

"Eu sempre tive esperança de entender como a força nuclear forte funciona, para que possamos existir. Estou muito animado por ter conseguido provar a teoria de Nambu da QCD, que tem sido tão difícil por décadas. Isso é parte da minha longa busca do porquê nós existimos. A física pode não estar muito longe de responder a esta pergunta milenar," disse Murayama.

Mais tópicos