Questões não respondidas pelo atual Modelo Padrão das partículas elementares sugerem aos físicos que restam mais partículas e interações fundamentais por descobrir. Além disso, a matéria escura observada em todo o Universo pelos astrônomos pode ser composta por algumas dessas partículas desconhecidas. Para formular novas teorias além do Modelo Padrão, os pesquisadores frequentemente assumem novas interações, regidas por equações matemáticas com propriedades semelhantes às do Modelo Padrão. Uma delas é a simetria U(1), presente nas equações das interações eletromagnéticas, entre outras. Recentemente, um trio de físicos teóricos, incluindo o aluno de mestrado Davi Costa, da Universidade de São Paulo (USP), descobriu uma solução geral para as equações que determinam o conjunto completo de todas as cargas possíveis para as partículas de uma teoria com simetria U(1). A informação é essencial para o cálculo das previsões teóricas que serão comparadas com os experimentos e observações.
Orientado pelo professor da USP Gustavo Burdman, Costa é o primeiro autor do estudo publicado em outubro na revista Physical Review Letters, feito em colaboração com Patrick Fox e Bogdan Dobrescu, do Femilab, Estados Unidos. Como o pesquisador explica no vídeo, as teorias em física de partículas são formuladas usando a teoria quântica de campos. No Modelo Padrão, são as simetrias U(1) presentes nas interações eletromagnéticas e na combinação da interação eletromagnética com a força nuclear fraca que determinam a conservação da soma total das cargas elétricas e das chamadas hipercarga fraca. De maneira geral, uma teoria com simetria U(1) precisa satisfazer uma série de condições: a soma das cargas associadas à simetria precisa ser igual a zero, assim como a soma do cubo dessas cargas também precisa ser nula. Além disso, para garantir que a teoria não tenha problemas com cálculos de energias muito altas, isto é, não apresente as chamadas anomalias, os valores das cargas nas unidades apropriadas precisam ser números inteiros.
Essas condições formam um sistema de equações para o qual os físicos teóricos obtiveram uma solução geral. De acordo com o resultado, para qualquer teoria de simetria U(1) assumindo n tipos de férmions (partículas com spin semi-inteiro, como são as partículas elementares que constituem a matéria ordinária) é possível escolher n-2 números inteiros, inserir nas fórmulas obtidas e determinar o conjunto completo de n valores para as cargas possíveis para os férmions da teoria.
“Mostramos que o método é geral e não deixa de fora nenhuma solução”, explica Costa. “Um pesquisador pode aplicar nosso resultado a uma teoria para a matéria escura com simetria U(1), com quantos férmions diferentes queira. Isso pode ser útil para explorar a fenomenologia de uma forma mais rigorosa, com um conjunto de valores explícitos para a carga dos férmions e livre de anomalias.”
Costa realizou o trabalho com apoio da FAPESP.
Artigo científico
General Solution to the U(1) Anomaly Equations
Davi B. Costa, Bogdan A. Dobrescu e Patrick J. Fox
Phys. Rev. Lett. 123, 151601 – 9 de outubro de 2019
ArXiv:1905.13729
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