Comparado com o espectro de massa de mésons do lado esquerdo, e prótons, nêutrons e bárions do lado direito, é claro que os píons são muito leves. Crédito:Kavli IPMU
Usando apenas caneta e papel, um físico teórico provou uma afirmação de décadas de que uma forte força chamada Quantum Chromo Dynamics (QCD) leva a píons leves, relata um novo estudo publicado em 23 de junho em Cartas de revisão física .
A força forte é responsável por muitas coisas em nosso Universo, de fazer o sol brilhar, para manter quarks dentro de prótons. Isso é importante porque garante que os prótons e nêutrons se liguem para formar os núcleos de cada átomo existente. 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. Caso contrário, os núcleos não se ligariam, não haveria átomos além de hidrogênio, e não existiríamos. Porque?
Quando quarks foram descobertos experimentalmente, eliminando-os de um próton com elétrons energéticos, cientistas vieram com a "explicação" de que uma propriedade da força forte chamada confinamento estava aprisionando quarks, impedindo-os de serem observados diretamente. Contudo, permanecia o mistério de que ninguém poderia fornecer provas teóricas que derivassem do confinamento da QCD.
O último ganhador do Prêmio Nobel Yoichiro Nambu propôs um conceito chamado "quebra espontânea de simetria" que foi responsável pela criação de partículas essencialmente sem massa equivalentes a píons. É por isso que esses píons são tão leves (no mundo real, pequena massa intrínseca de quarks não cria partículas completamente sem massa). Mas mais uma vez, ninguém conseguiu demonstrar que a teoria da força forte, QCD, percebe a quebra de simetria espontânea proposta.
(Esquerda) Se os píons fossem pesados, eles não seriam capazes de mediar uma força forte entre dois prótons, e, como resultado, os prótons se afastariam uns dos outros. (Correto) Como píons leves no mundo real são capazes de unir dois prótons ao mediar uma força forte entre eles. Em outras palavras, se os píons não fossem leves, prótons e nêutrons não seriam capazes de se ligar para formar núcleos, e os únicos átomos no Universo seriam átomos de hidrogênio de próton único. Crédito:Kavli IPMU
Assim, o Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo (Kavli IPMU) O investigador principal Hitoshi Murayama resolveu este problema usando uma versão da teoria com um aprimoramento matematicamente elegante chamado supersimetria. No entanto, o mundo real não tem supersimetria. Murayama abordou o mundo real usando uma forma específica de quebrar supersimetria chamada mediação de anomalias que ele propôs em 1998.
Ao fazer isso, Murayama conseguiu mostrar que o QCD realmente leva a píons muito leves, algo que foi sugerido por simulações numéricas com supercomputadores, mas tecnicamente impossível com quarks sem massa para responder definitivamente à pergunta.
Um resumo deste estudo. (Esquerda) Em 1994, Nathan Seiberg e Edward Witten propuseram um modelo com supersimetria estendida para mostrar que o confinamento era uma consequência da Cromo Dinâmica Quântica (QCD). (Certo) Em 1961, Yoichiro Nambu propôs um conceito de QCD chamado de quebra de simetria quiral, que forneceu uma representação do mundo real da força forte. (Centro) Em 2021, Hitoshi Murayama usou a mediação de anomalias, que ele e colaboradores propuseram em 1998, para quebrar a supersimetria, permitindo-lhe conectar o modelo Seiberg e Witten ao mundo real proposto por Nambu. Como resultado, Murayama conseguiu encontrar provas teóricas da previsão de Nambu de que os píons são leves porque a quebra da simetria quiral ocorre na QCD. Crédito:Kavli IPMU
"Sempre tive esperança de entender como funciona a força nuclear forte 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 de minha longa busca por que nós existem. A física pode não estar muito longe de responder a esta pergunta milenar, "disse Murayama.
O estudo pode abrir novos caminhos para a dinâmica de estudo de teorias de calibre não supersimétricas.
