Antimatéria

Antimatéria

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Se essas probabilidades de transiçªo, como passaremos a chamÆ-las, fossem iguais para quarks e antiquarks, nªo teríamos nenhuma violaçªo de CP. O Modelo Padrªo, porØm, nªo especifica se isso Ø verdade ou nªo.

Antes da formulaçªo do Modelo Padrªo, conheciam-se apenas quatro tipos de quarks, e a teoria dizia que a probabilidade de transiçªo era a mesma para quarks e antiquarks. Portanto, nªo deveria haver violaçªo de CP, o que contrariava os resultados de Brookhaven em 1964.

Alguma coisa estava errada. Os físicos japoneses

Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa perceberam o que faltava e previram a existŒncia de mais dois tipos de quarks. A teoria deles, agora parte do Modelo Padrªo, nªo especifica se a probabilidade de transiçªo Ø ou nªo a mesma para quarks e antiquarks, fazendo da violaçªo de CP uma possibilidade.

A teoria dos seis quarks foi confirmada quando os dois novos quarks foram descobertos experimentalmente: o quark bottom em 1977 e o quark top em 1995. Esses quarks oferecem uma boa oportunidade para serem medidas as probabilidades de transiçªo, jÆ que eles, com mais massa entre os seis, transformam-se (ou decaem) em quarks mais leves.

Algumas vezes, o bottom e o top (este o de maior massa entre todos) decaem diretamente; em outras, atravØs de processos complicados. Esses decaimentos serªo estudados por novos experimentos que poderªo medir com que freqüŒncia partículas se transformam em outras.

Esses estudos ocorrerªo no detector LHCb (figura 4), sigla para Large Hadron Collider, sendo que o b significa que ele deverÆ tentar medir a probabilidade de transiçªo em partículas denominadas mØsons B,

Figura 4. O detector LHCb ficará a 100 m de profundidade, terá cerca de 20 m de comprimento e uma seção reta máxima de 100 m2, do tamanho de um apartamento de três quartos, e está previsto para custar 86 milhões de francos suíços (aproximadamente U$ 65 milhões)

O detector LHCb será construído para a obtenção de medidas precisas dos decaimentos dos mésons B. Seu caráter específico o torna menos complexo que outros detectores, como ATLAS, CMS e ALICE, que serão construídos no acelerador LHC. O LHCb conta ainda com a vantagem de poder ser otimizado para essas medidas, garantindo o melhor resultado possível para as medidas de violação de CP.

Mesmo sendo simples para os padrões dos futuros detectores de partículas, o LHCb medirá cerca de 20 m de comprimento e deverá ser dividido em várias partes. Seus principais componentes são: a) O detector de vértices, que irá medir a trajetória das partículas. b) O RICH (do inglês, Ring Imaging Cherenkov

Detector) que, em conjunto com o Sistema de Múons, atua na identificação das partículas. Esse detector mede uma radiação chamada Cherenkov (nome do físico russo que a descobriu). Essa radiação é emitida por uma partícula carregada que atravessa um meio material com velocidade maior que a da luz neste meio. c) O Sistema de Múons é um conjunto de detectores que tem por função identificar, dentre as partícu- formadas por um quark down e um antiquark bottom. Serªo observados os decaimentos de mØsons B e de antimØsons B. A comparaçªo de suas probabilidades de seus decaimentos nos permitiria medir a violaçªo de CP.

Como o Modelo Padrªo nªo prevŒ qual o grau de violaçªo de CP que devemos observar no decaimento dos mØsons B, isso tem de ser medido. Uma vez que a violaçªo de CP seja medida para um tipo de decaimento, pode-se usar esse resultado no Modelo Padrªo para prever quanto de violaçªo de CP esperamos para outros tipos de decaimentos, bem como comparar os resultados obtidos com novas medidas.

O estudo da violaçªo de CP nos mØsons B começarÆ em laboratórios na Alemanha, nos Estados Unidos e no Japªo. O experimento com o detector LHCb virÆ mais tarde, mas serÆ nele que a física dos mØsons B alcançarÆ seu Æpice.

O CERN, situado em Genebra, na Suíça, estÆ construindo um novo acelerador de partículas que entra- las observadas, quais são múons (figura 5).

Um dos grandes desafios para a construção do

LHCb será sua eletrônica. Só pequena parte das colisões próton-próton produzirá mésons B e, entre as efetivas, apenas uma fração decairá de forma interessante para que sejam feitas medidas de violação de CP.

Para selecionar esses poucos eventos em meio a milhões de outros, será necessário um sofisticado sistema eletrônico. Ele procurará por partículas cujas trajetórias se originaram alguns milímetros depois do ponto onde os prótons colidiram. Iniciar a trajetória próximo ao ponto de colisão é um traço característico deixado por mésons B ou antimésons B no decaimento (figura 6).

No decaimento do méson B não pode haver a produção de léptons, assim como no decaimento do antiméson B não pode haver a produção de antiléptons. Assim, a identificação de um lépton (elétron ou múon) indica que quem decaiu foi um antiméson B e viceversa. Quando um evento tem essas características, um sinal eletrônico é enviado para os detectores para que todas as informações sejam obtidas e armazenadas para uma futura análise de dados.

Figura 5. Foto do protótipo de um detector que fará parte do Sistema de Múons do LHCb

Figura 6. Esquema de um evento após uma colisão de um próton contra outro próton. O primeiro vértice representa o ponto de colisão; o segundo, o ponto onde o méson B inicia sua transformação em outras partículas. Na física, essa transformação é denominada decaimento. Costuma-se procurar por mésons B em locais muito próximos ao da colisão

Ponto de colisão Ponto de decaimento

LHCb será desafio para a eletrônicaLHCb será desafio para a eletrônica rÆ em atividade em 2005 e serÆ o mais potente do mundo. Nessas mÆquinas, partículas sªo aceleradas a velocidades próximas à da luz para depois se chocarem, concentrando energias altíssimas próximas às do Big Bang em diminutas regiıes do espaço.

O LHC produzirÆ colisıes entre prótons com energia 10 vezes superior a qualquer acelerador atualmente em atividade. Dentre os muitos processos possíveis nessas colisıes, haverÆ a produçªo abundante de mØsons B especialmente, como se diz no jargªo tØcnico, em torno do feixe de partículas.

O detector LHCb irÆ fotografar (ou detectar, como dizem os físicos) as colisıes geradas no LHC, prometendo coletar um nœmero muito maior de decaimentos dos mØsons B do que experimentos anteriores. Isso nos proporcionarÆ a realizaçªo de medidas de alta precisªo, consideradas cruciais para a física do próximo sØculo.

A construçªo do LHCb foi proposta por uma colaboraçªo internacional que reœne cerca de 300 físicos ligados a 43 instituiçıes de pesquisa em 13 países diferentes. O Brasil estÆ presente nesta colaboraçªo atravØs de pesquisadores do Laboratório de Física de Partículas Elementares do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio de Janeiro (LAPE/IF/UFRJ). Esse grupo tem responsabilidade na construçªo de parte do Sistema de Mœons, que serÆ fundamental para a tomada de decisªo sobre quais eventos deverªo ser armazenados para anÆlise.

Fazer experimentos para medir a violaçªo de CP nªo Ø tarefa fÆcil. Trata-se de um efeito pequeno, comparÆvel ao de uma pessoa que acenasse para si própria na frente do espelho mil vezes e só visse uma vez sua imagem acenando de volta com a outra mªo.

O Modelo Padrªo, teoria atualmente usada para descrever as interaçıes entre as partículas, admite que exista uma pequena violaçªo de CP. HÆ indícios, entretanto, de que o grau mÆximo de violaçªo de CP admitido nesse Modelo nªo seja grande o suficiente para explicar o desequilíbrio entre matØria e antimatØria. Em outras palavras, suspeita-se que o Modelo Padrªo preveja menos matØria do que aquela que Ø observada no universo. E isso, claro, poderia criar certas dificuldades para o Modelo.

Assim, os experimentos projetados para estudar a violaçªo de CP nªo só contribuirªo para elucidar o problema do excesso de matØria no universo, bem como poderªo indicar o caminho para novas teorias sobre as interaçıes fundamentais.

re a matØria à antimatØria?n

Esses experimentos poderiam tambØm mostrar se o Modelo Padrªo deve ser corrigido ou deixado de lado, para dar lugar a outro modelo. E, talvez, nos permitirªo entender uma questªo essencial para a compreensªo das leis da natureza e da existŒncia do universo e da própria vida: por que a natureza prefe-

Sugestões para leitura

COUGHLAN, G.D. e DODD, J.E. The ideas of particle physics, Cambridge University Press, Segunda edição, 1991. QUINN, H.R. e WITHERELL, M.S. ‘The asymmetry between matter and antimatter’ in Scientific American, outubro 1998, p. 5. GUTH, A. H.

O universo inflacionário, Rio de Janeiro, Editora Campus, 1997. http://www.cern.ch/public

Figura 7. Para medir a violação de CP, os físicos usarão o LHCb para observar decaimentos de mésons B e de suas antipartículas. Será possível medir, por exemplo, a probabilidade de o méson Bs decair emitindo os mésons Ds e K+, bem como de sua antipartícula, o méson Bs decair emitindo

Ds+ e K . A diferença entre essas duas probabilidades fornecerá uma medida da violação de CP s b s s s b c c u s u s u s c méson BS antimésonBS( )BS decaimento decaimento mésonDS _ mésonK _ mésonK+ mésonDS + quark quark quark quark quark strangestrangestrangestrangestrange antiquark antiquark antiquark antiquark antiquark strangestrangestrangestrangestrange quark quark quark quark quark bottombottombottombottombottom antiquark antiquark antiquark antiquark antiquark bottombottombottombottombottom quark quark quark quark quark charmcharmcharmcharmcharm antiquark antiquark antiquark antiquark antiquark charmcharmcharmcharmcharm quark quark quark quark quark upupupupup antiquark antiquark antiquark antiquark antiquark upupupupup

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