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Simetrias e Leis de Conservação
As simetrias e princípio de conservação são uma forma de interpretar a maneira como atuam as interações fundamentais. De acordo com o teorema de Noether, a existência de simetria em um fenômeno indica a conservação de alguma grandeza física [01], como exemplificado na tabela 01:
Tabela 01 - Relação entre simetrias e leis de conservação.
Os vídeos à seguir demonstram a essência do teorema de Noether, uma ferramenta bastante poderosa e indispensável na descrição matemática das teorias que envolvem as partículas elementares.
Referências
[01] M. A. Tavel, Milestones in Mathematical Physics Noether’s Theorem, Transport Theory and Statistical Physics, v. 1(3), p. 183-207, 1971.
[02] Griffiths, D., Introduction to Elementary Particle,2nd Edition, Wiley-VCH, 2008.(pg. 49)
[03] Helicity, Chirality, Mass and The Higgs, Quantum Diaries
[04] A. E. Bernardini e S. De Leo, Uma discussão sobre oscilações quirais e inversão de spin, Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 27, n. 04, pág. 507 – 515, 2005.
A conservação do momento linear, ou quantidade de movimento, garante que em qualquer lugar do espaço que uma experiência seja feita, deve-se obter o mesmo resultado, indicando uma simetria de translação no espaço. Da mesma forma, a conservação do momento angular indica uma simetria de rotação no espaço, já que não importa a direção em que um fenômeno acontecerá, seus resultados permanecem o mesmo. E a lei de conservação de energia indica que ao longo do tempo uma experiência pode ser repetida inúmeras vezes, em momentos muitos distintos e deve manter o mesmo resultado, assim indicando uma simetria em relação à translação no tempo.
Outras leis de conservação que também podem ser identificadas ao longo do curso de física de nível médio também são importantes para o estudo das interações fundamentais, entre elas a conservação de carga elétrica que leva a uma simetria que indica que os fenômenos eletromagnéticos que ocorrem com uma determinada partícula também são possíveis com sua antipartículas.
A seguir a simetria de paridade, muito importante nos eventos que envolvem a interação fraca é apresentada.
Nos fenômenos mecânicos que podem ser observados no dia-a-dia podem ser identificados alguns princípios de conservação, como a energia a quantidade de movimento e o momento angular. Nos fenômenos eletromagnéticos, além dos mencionados anteriormente pode-se identificar a conservação da carga elétrica.
Alguns fenômenos envolvendo partículas elementares, como colisões e decaimentos, podem ser cinematicamente possíveis, mas não são observados nos aceleradores, indicando que não são possíveis de ocorrer, isto é, não são dinamicamente possíveis.
As tabelas 02 e 03 [02] a seguir indicam características das partículas elementares (léptons e quarks) que devem ser consideradas na análise das reações.
Leis de Conservação
Tabela 02 - Números leptônicos.
Tabela 03 - Números de quark.
Simetria de Paridade
A simetria de paridade indica a conservação de uma grandeza física chamada de helicidade ou quiralidade [03]. Imagine uma partícula que gira no sentido mostrado na figura 01 e se move para a esquerda. O movimento de rotação e translação desta partícula pode ser representado pela mão direita, por esse motivo uma partícula com este tipo de movimento é chamada de “right-handed” ou partícula de mão-direita. Da mesma forma uma partícula com a combinação de movimentos descrita na figura 02 é chamada de “left-handed” ou partícula de mão-esquerda.
Figura 01 - Representação de uma partícula de mão-direita.
Modificado de: quantumdiaries
Figura 02 - Representação de uma partícula de mão-esquerda.
Modificado de: quantumdiaries
Os fenômenos físicos que acontecem tanto com partículas de mão-direita quanto com partículas de mão-esquerda conservam a helicidade ou quiralidade, assim indicam uma simetria chamada de paridade. Como a mão direita vista no espelho se parece com uma mão esquerda, como ilustrado na figura 03, esta simetria é frequentemente chamada de simetria de espelho.
Figura 03 - Ilustração da simetria de paridade, ou simetria de espelho.
Fonte: mundoeducação.bol
Uma partícula se aproxima de um observador A, e por ele pode ser identificada como uma partícula de mão-direita. Se um observador B, estiver também à esquerda da partícula, mas com uma velocidade superior a dela, de acordo com seu ponto de vista, a partícula estará se afastando e será de mão-esquerda, observe a figura 04.
Figura 04 - A quiralidade depende do referencial.
Se a partícula não tiver massa, não é possível ser ultrapassada e observada de outro ponto de vista, já que se move na velocidade da luz, então partículas sem massa tem quiralidade intrínseca, ou seja, não dependem do referencial.
Para todos os efeitos práticos os neutrinos se movem na velocidade da luz assim não é possível alterar a quiralidade de um neutrino. Observações experimentais indicam que todos os neutrinos são de mão-esquerda e os anti-neutrinos de mão-direita [04]. Então, pode-se concluir que não existe “imagem espelhada” de um neutrino, figura 05, indicando uma violação da simetria de paridade.
Figura 05 - Os neutrinos não tem imagem espelhada. "Tente se barbear sem reflexo alguma vez!".
Fonte: zazzle.com.br
A partir desses conceitos básicos é possível discutir um pouco sobre a dinâmica das interações fundamentais no link a seguir.
Minicurso sobre Física de Partículas
As apresentações nos links a seguir são de um minicurso sobre Física de Partículas durante a Jornada de Física Teórica do IFT/UNESP em 2013, ministrados pelo