Há cerca de 110 anos, o físico alemão Albert Einstein formulou a Teoria da Relatividade Geral, um modelo que descreve a gravidade como a curvatura do espaço-tempo causada pela massa e energia.
Até hoje, essa teoria é amplamente aceita como uma das melhores explicações para os fenômenos gravitacionais observados no universo. Contudo, cientistas ainda investigam se outras propriedades do cosmos seguem os mesmos princípios propostos por Einsten.
Em um novo estudo, um grupo de pesquisadores utilizou o Grande Colisor de Hádrons (Large Hadron Collider), da Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear (CERN), na Suíça, para compreender se os, quarks top também estão alinhados com a teoria da relatividade especial. Trata-se da partícula fundamental mais pesada observada pela ciência.
Em um comunicado oficial, o CERN destacou que essa foi a primeira vez que o Grande Colisor de Hádrons (LHC) foi utilizado para esse tipo de estudo. No experimento, os pesquisadores utilizaram o detector Solenoide de Múon Compacto para analisar se os quarks top seguem as previsões da teoria de Einstein. O estudo foi publicado na revista científica Physical Letters B.
Atualmente, a mecânica quântica e a teoria da relatividade especial servem de base para o estudo da física de partículas; nessa área, um dos conceitos mais fundamentais é a simetria de Lorentz. No artigo, os pesquisadores questionam se essa simetria realmente se mantém intacta, já que algumas teorias sugerem que a relatividade pode não se aplicar a energias extremamente altas, como nos quarks top.
Afinal, será que Einstein e outros cientistas modernos estavam equivocados sobre os conceitos da relatividade especial? Para investigar essa possibilidade, a equipe analisou dados de experimentos do CERN para testar a simetria de Lorentz por meio de quarks top.
“Uma busca por violações da invariância de Lorentz na produção de pares de quarks top é apresentada. A seção de choque diferencial normalizada medida, em função do tempo sideral, é analisada em busca de possíveis modulações causadas por operadores que violam a invariância de Lorentz em uma extensão da teoria de campos efetiva do Modelo Padrão (SM)”, é descrito na introdução do estudo.
O que são Quarks Tops?
Em 1995, cientistas do Fermilab, um dos principais laboratórios de física de partículas de alta energia dos Estados Unidos, anunciaram a primeira observação do quark top. A equipe destacou que ele é o sexto e mais massivo dos quarks do Modelo Padrão, além de ser a partícula de maior massa já identificada pela ciência.
“O quark top, também conhecido como quark t (símbolo: t) ou quark verdade, é uma partícula elementar e um constituinte fundamental da matéria”, o CERN explica.
Por ser a partícula fundamental mais massiva, a ciência investiga se o quark top pode ter um papel relevante em mecanismos que influenciam a quebra da interação eletrofraca. Apesar desta quebra de simetria ser explicada pelo mecanismo de Higgs, estudos sugerem que o quark top pode desempenhar um papel especial.
Como a pesquisa nessa área continua em andamento, não há um consenso definitivo, mas entender melhor essa partícula pode revelar novas conexões entre a geração de massa e a física de altas energias.
As seis partículas fundamentais do Modelo Padrão são:
- Quark up (u);
- Quark down (d);
- Quark charm (c);
- Quark strange (s);
- Quark top (t);
- Quark bottom (b).
É importante destacar que os seis quarks não são as únicas partículas fundamentais do Modelo Padrão. Na verdade, ele inclui 12 férmions fundamentais, divididos em seis quarks e seis léptons. Além disso, o Modelo Padrão descreve os bósons fundamentais, responsáveis por mediar as interações entre partículas, como o fóton, os glúons e outros.
De forma simples, pense que a matéria no universo é composta por pequenas unidades: os átomos. Eles são formados por prótons, nêutrons e elétrons; no caso dos prótons e elétrons, eles são compostos por partículas ainda menores, os quarks.
Apesar de ser o mais massivo, o quark top não faz parte dos átomos comuns, pois existe apenas por um tempo extremamente curto antes de se transformar em outras partículas. Por isso, sua observação direta não é possível, mas cientistas conseguem estudá-lo analisando os produtos do seu decaimento em aceleradores de partículas, como o LHC.
Quark top e a simetria de Lorentz
Os pesquisadores analisaram dados do CMS, no LHC, para investigar a possível quebra da simetria de Lorentz por meio da produção de pares de quarks top. Essa simetria estabelece que as leis da física e os resultados experimentais devem permanecer inalterados, independentemente da orientação ou velocidade do experimento no espaço-tempo.
Algumas teorias que tentam explicar o cosmos além do Modelo Padrão, como a teoria das cordas, sugerem que essa simetria poderia ser violada em energias extremamente altas. Por isso, os cientistas analisaram se a taxa de produção dos quarks top em colisões de prótons mudava ao longo do tempo, o que poderia indicar uma direção preferencial no espaço-tempo e, consequentemente, uma possível quebra da simetria de Lorentz.
Como já era esperado por alguns pesquisadores, o estudo confirma que a relatividade continua válida nesse aspecto. Isso significa que não foram encontradas evidências da quebra da simetria de Lorentz. Além disso, a pesquisa apresenta uma precisão até 100 vezes maior em comparação com estudos anteriores realizados no acelerador de partículas Tevatron, nos Estados Unidos.
O bóson de Higgs é essencial para explicar como as partículas adquirem massa, mas suas interações podem revelar mistérios ainda não solucionados. Quer saber mais? Aproveite para entender o que acontece quando um átomo se divide. Até a próxima!
