Titular e colega fazem revisão de violação de CP

Ignácio Bediaga, pesquisador titular do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro (RJ), acaba de publicar, em coautoria com colega da Pontifícia Universidade Católica do Rio (PUC-Rio), amplo artigo de revisão. O fenômeno tratado no artigo está relacionado a uma das condições para a existência do universo.

Já disponível online, o trabalho – assinado também por Carla Göbel, do Departamento de Física da PUC-Rio – sai na edição de setembro de Progress in Particle and Nuclear Physics (v. 114). O tema da revisão é a violação de carga e paridade em partículas que tenham em sua constituição um de dois tipos de quarks (tijolos fundamentais da matéria): beauty e charm.

No diminuto mundo das partículas subatômicas, vale – em geral – a seguinte ‘regra’: a carga elétrica (C) deve se conservar antes e depois da interação de duas ou mais partículas – ou do decaimento (transformação) de uma partícula em outra. Em termos simples, a natureza nem cria, nem destrói cargas elétricas.

A conservação da paridade (P) é mais sutil. Pode ser entendida assim: a imagem no espelho da interação entre partículas (ou do decaimento de uma delas) deve ser ‘invertida’, mas nada além disso. Por exemplo, a mão direita aparece no espelho como esquerda. Só isso.

Até meados da década de 1960, a conservação de CP – isto é, de carga e ‘imagem’ especular – parecia bem estabelecida. Mas um resultado experimental – que deu aos autores o Nobel de Física – mostrou que essa conservação pode ser violada. No caso, os protagonistas desse espanto geral foram os mésons k (ou káons) – mésons são partículas formadas por um quark e um antiquark. Em outras palavras, aqueles resultados surpreendentes mostravam que a natureza, ainda que infimamente, privilegiava a matéria (káons) em detrimento da antimatéria (antikáons).

Na década de 1970, surgiu a explicação teórica para a violação conjunta de carga e paridade. Para isso, foi preciso a proposição da existência de mais quarks – hoje, são conhecidos seis deles. Ao longo dos anos, a violação de CP foi observada experimentalmente em outras partículas. Por exemplo, aquelas contendo quarks beauty e charm, ambos tema do artigo de revisão de Bediaga e Göbel, encomendado a eles pelo editor-chefe do periódico, o físico alemão Amand Fässler, em meados de 2018, com primeira versão apresentada à revista em fevereiro deste ano. O artigo conta com mais de 300 referências.

Pesquisadores, engenheiros, técnicos e estudantes do LHCb, no CERN

(Crédito: CERN/Maximilien Brice, Rachel Barbier)

Por que tudo existe?

Bediaga e Göbel restringiram-se à chamada violação direta de CP em hádrons (partículas formadas por dois ou três quarks) que contivessem, pelo menos, um beauty ou um charm. Direta, no caso, significa que a desintegração de uma partícula é diferente da de seu antipartícula. É o primeiro artigo de revisão que trata da violação direta de CP.

Os autores são membros do experimento LHCb, no Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (CERN), com sede em Genebra (Suíça), local do atual mais potente acelerador de partículas do planeta, o LHC (sigla, em inglês, para Grande Colisor de Hádrons).

“Nossos  trabalhos experimentais no LHCb e aqueles de vários de nossos teóricos têm abordado, nos últimos anos, a violação de CP.  Podemos dizer, então, que esse tema tem, tanto teórica quanto experimentalmente, uma marca bem peculiar de nosso grupo experimental e de teóricos brasileiros”, disse Bediaga.

A revisão tem outras ‘marcas’ pessoais dos autores: i) fixou-se em hádrons, em contraposição a outros artigos semelhantes mais focados em quarks; ii) com base em dados do LHCb, enfatizou peculiaridades da violação de CP, relacionando esta última com uma ‘regra’ ainda mais ampla do mundo subatômico: a invariância de carga, paridade e tempo (CPT).

A parte final da revisão traz os esforços experimentais recentes para a observação de violação de CP em partículas que contêm o quark charm – área de pesquisa dos autores.

A violação CP tem implicações para além do mundo liliputiano das partículas subatômicas. Vejamos o caso mais emblemático. No processo que deu origem ao universo (Big Bang) – segundo leis da física muito bem comprovadas –, deveria ter sido criada a mesmíssima quantidade de matéria e antimatéria. Mas, se isso tivesse ocorrido, haveria apenas um ‘universo de luz’, pois matéria e antimatéria, ao interagirem, dão origem a radiação.

Mas o universo, como o conhecemos, é formado quase exclusivamente por matéria – antimatéria é rara. Resultados teóricos – e há evidências experimentais nesse sentido – mostram que houve levíssima preferência da natureza pela matéria. Para cada 10 bilhões de partículas de antimatéria, a natureza criou 10 bilhões mais uma de matéria. Estas últimas sobreviveram – ou seja, não viraram luz – e deram origem a praticamente tudo que existe: galáxias, estrelas, planetas, animais, plantas, vírus, minerais etc.

Enfim, em última instância, o universo existe por causa de uma ‘imperfeição’ da natureza – no caso, uma violação de CP.

Mais informações:

Artigo: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0146641020300557

LHCb (inglês): https://home.cern/science/experiments/lhcb

Cohep (CBPF): https://portal.cbpf.br/en-us/home/estrutura-organizacional/diretoria/cohep

Depto de Física (PUC-Rio): https://www.fis.puc-rio.br/