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Escola Avançada de Física do IFGW

terça-feira, 7 out 2008; \41\America/New_York\America/New_York\k 41 5 comentários

Einstein a la Star Wars

A Escola Avançada de Física do IFGW é uma iniciativa muito interessante deste instituto de física, que teve sua primeira edição em 2005. O objetivo não poderia ser mais nobre: Incentivar e inspirar jovens alunos do ensino médio sobre as belezas da física, sobre como se faz esta bela ciência, os desafios que ela apresenta, seus mistérios, e suas grandes descobertas. Tudo isso feito com maestria por competentes e dedicados professores/pesquisadores do IFGW. Os alunos assistem aulas expositivas dos professores convidados, sobre diversos assuntos, alguns inclusive temas de pesquisa dos mesmos.

Em minha opinião, além da óbvia preocupação com a divulgação da ciência, e sua importância, um dos destaques deste evento, é sua organização e sua democratização. Um pensaria que apenas alunos de escolas de Campinas teriam essa oportunidade, mas um se engana. A organização do evento toma devidas precauções, sempre visando o bem estar do aluno. Desde a saúde básica, estadia, e até mesmo conceder bolsas à alunos que necessitem desse tipo de auxílio, sempre com um critério de incentivo (Uma redação descrevendo o motivo de querer participar do evento).

O link da VI Escola Avançada de Física do IFGW, que ocorreu em julho deste ano (2008): http://www.ifi.unicamp.br/osa/fife6/

Site do Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW): http://www.ifi.unicamp.br/

Este evento ocorre sempre na metade do ano. Fica a dica para o ano que vem.

Palavras-Chave: Escola, Avançada, Física, IFGW, OSA, UNICAMP.

Categorias:Ars Physica Tags:

Prêmio Nobel de Física de 2008

terça-feira, 7 out 2008; \41\America/New_York\America/New_York\k 41 16 comentários

Os laureados Nobel de Física de 2008 são: Yochiro Nambu, pela introdução da quebra espontânea de simetria na Física de partículas, e Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa pelo mecanismo da quebra de simetrias discretas de sabor e CP no Modelo Padrão. Eu pensei em escrever brevemente para leigos uma explanação do que significa os trabalhos deles e a relevância para a nossa compreensão do universo.

Quebra espontânea de simetria

Apesar do nome sofisticado, esse conceito é simples. As equações que descrevem um fenômeno podem ter uma certa simetria, mas essa simetria pode ou não ser manifesta nas soluções da equação. Por exemplo, a lei de Newton da gravitação universal diz que a força da gravidade é inversamente proporcional ao quadrado da distância. A equação F = ma com essa força possui uma simetria de rotação do sistema de coordenadas, porque a distância entre dois pontos não é alterada se você girar os eixos xyz por ângulos quaisquer. Mas não apenas a equação possui a simetria: uma solução da equação, que são os movimentos em cônicas (elipses, parábolas e hipérbolas), é levada em outra solução da equação por uma rotação. Uma elipse com eixo principal ao longo dos x, pode ser girada para ter o seu eixo principal ao longo de uma outra direção.
Porém, nem sempre simetrias das equações que descrevem o fenômeno são respeitadas pelas soluções da equação. Quando consideramos vários dipolos magnéticos interagindo pelas leis de Newton, a força em cada dipolo depende de (o gradiente de) \mathbf{m}\cdot\mathbf{B} onde \mathbf{m} é o momento magnético do dipolo e \mathbf{B} é o campo magnético dos dipolos vizinhos. Essa força é invariante por rotações (o produto interno garante isso), mas as soluções não precisam ser: é possível existir um campo mangético total \mathbf{H}, produzido por todos os dipolos combinados, gerando assim um eixo de coordenadas preferencial na solução, que é a direção do vetor \mathbf{H}. Isso é o que acontece nos imãs para gerar o campo magnético do material. Quando a simetria aparece nas leis da Física que descrevem o fenômeno, mas não nas soluções das equações, a simetria é chamada de espontaneamente quebrada.

Momentos magnéticos dos átomos podem ser organizadas para formar imãs. O sistema então possui uma direção privilegiada (a direção em que a maioria das setas, simbolizando o momento magnético, apontam). No entanto, as leis da Fisica que descrevem o fenômeno são simétricas por rotação.

Momentos magnéticos dos átomos podem ser organizadas para formar imãs. O sistema então possui uma direção privilegiada (a direção em que a maioria das setas, simbolizando o momento magnético, apontam). No entanto, as leis da Física que descrevem o fenômeno são simétricas por rotação.

Nambu e Giovanni Jona-Lasinio introduziram esse conceito na física de partículas para descrever a interação nuclear entre nucleons e mésons em 1960, depois que este foi aplicado com sucesso para modelar a supercondutividade. Este modelo hoje leva o nome de Nambu-Jona-Lasinio. A grande idéia deles foi sugerir que a massa do próton e do nêutron era devida, primordialmente, a quebra espontânea de uma simetria quiral: quarks são (aproximadamente) descritos por componentes de projeção de spin esquerda e direita independentes, mas essas duas componentes se combinam para dar massa aos prótons e nêutrons. Essa combinação é devida ao confinamento dos quarks. Eles mostraram que uma conseqüência dessa simetria é a existência dos mésons.

Hoje, o conceito de quebra espontanea de simetria é fundamental na física de partículas. Partindo da exigência de respeitar essa simetria, podemos construir as interações entre mésons e baryons, e calcular não apenas relações entre diferentes seções de choque dessas partículas mas também relações de massas e todas as propriedades de spin e paridade. Depois dos trabalhos de Nambu e Jona-Lasinio, vários físicos teóricos exploraram a idéia, culminando com a descoberta do mecanismo de Higgs — simultaneamente por vários físicos em trabalhos independentes — e da teoria da unificação eletrofraca de Weinberg e Salam. No modelo de Weinberg e Salam, a força fraca e a eletromagnética advém de um único princípio de simetria. Se essa simetria não fosse espontaneamente quebrada, todas as partículas teriam massa zero. A formulação de quebra espontânea de simetria permite adicionar termos de massa para as partículas, mas não de forma completamente arbitrária: as massas dos bósons W e Z acabam relacionadas, e a relação obtida do modelo é observada experimentalmente.

Resumindo, o trabalho de Nambu e Jona-Lasinio abriu a porta dessa nova forma de realizar simetrias na Natureza que acabou por ser a forma correta com que várias simetrias das partículas elementares aparecem.

A matriz de Kobayashi-Maskawa

Quando Weinberg escreveu seu modelo de unificação em 1967, ele deixou de fora os quarks, que ele não acreditava que fossem reais naquela época [arxiv:0401010]. A extensão do modelo para os quarks acabou se provando não-trivial. A razão era a violação da simetria de carga paridade (CP) observada nas reações nucleares: uma reação envolvendo partículas com dadas projeções de spin não tinha a mesma taxa que a reação envolvendo as anti-partículas com projeções de spin opostas. Em 1972, Kobayashi e Maskawa mostraram que o Modelo Padrão de Weinberg e Salam só podia conter violação CP se existissem pelo menos três famílias de quarks. Duas já eram conhecidas naquela época: os quarks up e down, charmed e strange. A nova família de quarks ficou conhecida como top e bottom (ou beauty). Esses quarks foram observados no Fermilab, o bottom em 1977, e o top apenas em 1995, depois de muito esforço.

Kobayashi e Maskawa mostraram que a única forma de violar CP entre os quarks no Modelo Padrão era através de um modelo para as correntes eletrofracas bem específico, hoje conhecido como modelo de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa. A previsão de Kobayashi e Maskawa foi extensivamente testada empricamente nos últimos anos, em experimentos como o Belle no Japão e BaBar no SLAC em Stanford. A conclusão foi uma série de medidas precisas que mostraram a validade do modelo de Kobayashi-Maskawa. No LHC, o experimento LHCb vai continuar o escrutínio desse modelo.

O fenômeno da violação CP através do mecanismo de Kobayashi-Maskawa é muito importante na Natureza. É observado que o universo é dominando por elétrons e prótons, mas sabe-se que existem também os antiprótons e antielétrons (pósitron), que foram produzidos em igual quantidade no Big Bang. Como então o universo que começou com iguais quantidades de matéria e anti-matéria eventualmente foi dominado por matéria? A violação CP de Kobayashi-Maskawa, combinada com dois outros fenômenos das forças nucleares [1], garante que existe uma assimetria nas taxas de reações nucleares de modo que matéria é eventualmente produzida em maior quantidade que antimatéria. No entanto, os resultados dos experimentos do Belle e do BaBar mostraram que a quantidade de assimetria do mecanismo de Kobayashi-Maskawa não é suficiente para explicar a dominância da matéria observada astronomicamente no nosso universo. Isso sugere que deve haver outras fontes de violação CP na Natureza, além do mecanismo de Kobayashi-Maskawa. O propósito do experimento LHCb do LHC é investigar se há tal fenômeno e identificá-lo.

Na literatura da Física, a questão da assimetria primordial de matéria-antimatéria ficou conhecida como o problema de “por que nós existimos?”. Se as taxas de reações fossem CP simétricas, toda matéria seria aniquilada por antimatéria e o universo seria formado quase exclusivamente de fótons. Seria um universo muito chato, sem estruturas.
Em resumo, Kobayashi e Maskawa predisseram a existência da terceira família de quarks analisando a violação CP e propuseram um modelo para explicar esta violação cujas previsões foram observadas experimentalmente. A violação CP de Kobayashi-Maskawa faz parte da razão pela qual o universo possui estruturas como galáxias, estrelas e planetas.

Notas

  1. Os dois outros fenômenos são anomalias e instantons. A importância da combinação de ambos para o que se discute aqui foi descoberta por Gerard ‘t Hooft.
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