Os dois investigadores estão sendo premiados com o Prêmio Nobel por terem colocado a teoria da Física de Partículas em uma formatação matemática mais consistente. Eles mostraram, em particular, como calcular com precisão quantidades físicas antes impossíveis. Experiências feitas em aceleradores na Europa e nos Estados Unidos confirmaram muitos dos resultados.

A citação da Academia: "por elucidar a estrutura quântica das interações eletrofracas "

Teoria de Física de partículas em fundamentação matemática mais consistente

Os objetos em nosso ambiente cotidiano são todos constituídos de átomos que consistem em elétrons e núcleos atômicos. Nos núcleos há prótons e nêutrons que são compostos de quarks. Para estudar o átomo a nível subatômico, são exigidos aceleradores grandes. Foram projetadas tais máquinas , primeiro nos anos cinqüenta, e significaram o nascimento da Física de Partículas moderna. Pela primeira vez era possível estudar a criação de partículas novas e as forças que agem entre elas.

Por volta da metade da década de 1950, foi formulada , também, uma primeira versão da teoria moderna. Muitos anos de trabalho resultaram agora no modelo padrão de física de partículas. Este modelo agrupa todas as partículas elementares em três famílias de quarks e léptons para os quais interagem com ajuda de várias partículas de troca entre a força nuclear forte e as forças eletro-fracas (Fig. 1).

A fundação teórica do modelo padrão estava, no princípio, matematicamente deficiente e em particular incompleta, a tal ponto que se questionava se a teoria poderia ser usada nada para cálculos detalhados de quantidades físicas. Gerardus e Martinus estão sendo premiados com o Prêmio Nobel , deste ano, por terem colocado esta teoria em uma estrutura matemática mais consistente. O trabalho deles deu para os investigadores uma "maquinaria" teórica tão completa e funcional que pode ser usada, entre outras coisas, para predizer as propriedades de partículas novas.

Fig 1 As partículas fundamentais de assunto são seis léptons e seis quarks. No modelo standard de física de partícula as forças entre eles são descritas por teorias quânticas campo. A força eletro-fraca é mediada através de quatro partículas de troca. Estes são o fóton (gama) e as três partículas de campo W+ , W - e Zo. A força forte é carregada por oito gluons g. Aparte destas doze partículas de troca, a teoria prediz uma partícula muito pesada, a partícula de Higgs Ho . O campo da partícula de Higgs gera todas as partículas de massa.

Nome novo para uma teoria velha

As teorias modernas usadas hoje no modelo standard de Física de Partículas por descrever as interações de partículas são todas as teorias de medida (gauge teories). O termo medida relaciona a uma característica particular destas teorias, simetria de medida, vista por muitos investigadores como uma das características mais fundamentais da Física. Ainda na década de 1860 o escocês o James Clerk Maxwell formulou uma teoria de eletromagnetismo que na terminologia moderna de hoje é uma teoria de medida. A teoria dele, que uniu a eletricidade e o magnetismo, predisse entre outras coisas, a existência de ondas de rádio.

Nós podemos ilustrar o conceito de simetria de medida (gauge symmetry) como segue. Podemos expressar campos elétricos e magnéticos usando funções potenciais. Estes podem ser trocados (gauge-transformed) de acordo com uma certa regra, sem mudar os campos. A transformação mais simples é somar uma constante para o potencial elétrico. Fisicamente isto ilustra o fato famoso que pode ser calculado o potencial elétrico de um zero ponto arbitrário, pois só as diferenças de potencial têm significado. Isto explica o fato de um esquilo poder caminhar ao longo de um cabo de alta-tensão sem ser ferido. O fato do zero poder ser mudado é percebido por físicos como uma simetria na teoria, simetria de medida.

A ordem na qual se executa duas transformações de medida é imaterial. Nós regularmente dizemos que eletromagnetismo é uma teoria de medida de abelian (abelian gauge teory) , depois que matemático norueguês Niels Henrik Abel que viveu entre 1802 e 1829. (Um exemplo simples de transformações que são abelian são as rotações planas. Tente fazer isto você, com um lápis, como mostrado em Figura 2a.)

Figura 2a) Um exemplo de um grupo de transformações abelianas é a rotação em duas dimensões.

Mecânica Quântica cria problemas

Logo após a formulação da Mecânica Quântica, por volta de 1925, várias tentativas de unificar a função de onda da Mecânica Quântica com os campos eletromagnéticos em uma Teoria Quântica de Campos foram tentadas. Mas problemas surgiram. A Eletrodinâmica Quântica mostrou-se matematicamente muito complexa e os resultados experimentais não correspondiam. Uma razão era que a Teoria Quântica prediz que os campos eletromagnéticos perto, por exemplo, de um elétron ou de um próton, podem gerar quantidades de partículas com existência muito breve e anti-partículas espontaneamente, partículas virtuais (Fig. 3).

Um sistema de só um elétron se tornou um problema de multi-partícula de repente!

O problema foi resolvido nos anos quarenta por Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger e Richard P. Feynman (que compartilharam o Nobel de 1965 de Física ). O método desenvolvido por estes três é chamado renormalização e, simplesmente expressou, meios que podem ser vistas " partículas individuais um pouco a uma distância ". Deste modo, é desnecessário considerar a partícula virtual individualmente: a " nuvem " de partículas virtuais pode ser permitida obscurecer a partícula central, original. Deste modo, a partícula original ganha uma carga de pólvora nova e uma massa nova, entre outras coisas. Em terminologia moderna, Tomonaga, Schwinger e Feynman renormalizaram teoria de medida de abelian.

Fig. 3 de acordo com teoria quântica de campos uma partícula real consiste de uma partícula real central "desnuda" e vestida por uma nuvem de parrtículas de vida curta, chamadas de partículas virtuais"

A Eletrodinâmica Quântica foi testada com maior precisão que qualquer outra teoria em Física. Assim por, exemplo , Hans Dehmelt (Nobel de Física de 1989) teve sucesso medindo magnetismo de elétron em uma armadilha de íon com uma precisão de 12 dígitos. Os primeiros 10 dígitos concordaram diretamente com resultados calculados.

Interação eletromagnética e nuclear fraca unificada

A descoberta e estudo da radioatividade e o desenvolvimento subseqüente da Física Atômicas durante a primeira a metade do vigésimo século produziu os conceitos de interação forte e fraca. Em condições simples, interação forte une o núcleo atômico enquanto interação fraca permite que certos núcleos se deteriorem radioativamente. Já nos anos trinta foi formulada uma primeira teoria quântica de campo ara interação fraca. Esta teoria sofreu de problemas que eram até piores que os da eletrodinâmica quântica, e nem mesmo o método de renormalização de Tomonaga, Schwinger e Feynman poderiam os resolver.

Mas, nos anos 1950 , alguns investigadores acharam um primeiro exemplo de uma teoria quântica de campos com características nova, uma teoria de calibre não-abeliana. Ao invés da variante abeliana na qual podem ser executadas transformações de medida em qualquer ordem, o resultado das não-abelianas depende da ordem. Isto dá para a teoria uma estrutura matemática mais complicada, mas também abre possibilidades novas. (Um exemplo simples de transformações de não-abeliana são as rotações no espaço. Tente você com um lápis, como mostrado em Figura 2b.

Não foram completamente exploradas as possibilidades novas da teoria, até os anos sessenta quando vários investigadores colaboraram no desenvolvimento de uma teoria de calibre de não-abeliana que une o eletromagnetismo e interação fraca em uma interação eletro-fraca (Nobel de 1979 para Sheldon L.Glashow, Abdus Salam e Steven Weinberg). Esta teoria quântica de campo predisse as partículas novas W e Z que foram descobertas em 1983 no CERN , acelerador europeu em Genebra (Nobel de 1984 para Carlo Rubbia e Simon van der Meer).

História se repete

Enquanto a teoria de interação eletro-fraca que se desenvolveu nos anos sessenta era uma grande passo adiante, a comunidade científica achou isto muito difícil de aceitar no princípio. Quando eles tentaram usar a teoria para calcular com mais detalhes as propriedades das novas partículas W e Z (e muitas outras quantidades físicas) , os resultados foram absurdos. A situação se assemelhou a isso anos trinta, antes que Tomonaga, Schwinger e Feynman tivessem tido sucesso em na renormalização da eletrodinâmica quântica. Muitos investigadores eram pessimistas sobre as possibilidades de sucese com tal uma teoria.

Uma pessoa que não tinha perdido as esperanças para uma teoria não-abeliana era Martinus J.G.Veltman. Ao término dos anos sessenta ele estava iniciando como professor designado na Universidade de Utrecht. Veltman tinha desenvolvido o Schoonship , programa de computador , usando símbolos, simplificações algébricas das expressões complicadas nas que todas as teorias quânticas de campo que resultam quando são executados cálculos quantitativos. Vinte anos antes, Feynman tinha sistematizado o problema de cálculo realmente e tinha introduzido os diagramas de Feynman , que foram aceitos rapidamente por investigadores. Mas, naquele momento, não havia nenhum computador. Veltman acreditou firmemente na possibilidade de achar um modo de renormalizar a teoria e o programa de computador dele era a base do trabalho inclusivo de prova idéias diferentes.

Na primavera 1969 Veltman foi apresentado a jovem aluno de 22 anos, Gerardus ' t Hooft que tinha expressado o desejo para estudar física de altas-energias. Depois de escrever uma rápida dissertação, ' t Hooft foi aceito como um estudante de doutorado. A tarefa dele era ajudar na procura para um método de não-abeliana de renormalização teorias. ' t Hooft teve sucesso além de toda a expectativa e em 1971 publicaram dois artigos que representaram uma inovação importante no programa de pesquisa.

Com ajuda do programa de computador de Veltman os resultados parciais de t'Hooft foram verificados agora e junto eles trabalharam em detalhes fora um método de cálculo. A teoria não-abeliana mede a interação eletro-fraca e tinha se tornado uma maquinaria teórica funcional e era possível, da mesma maneira que tinha se tornado previamente para eletrodinâmica quântica, 20 anos antes, começar a executar cálculos precisos.

As predições da teoria se verificaram

Como descreveu acima, a teoria da força electro-fraca predita a existência do W novo e partículas de Z corrige desde o começo. Mas só houve terminado ' o trabalho de t Hooft e Veltman que predição mais precisa de quantidades físicas que envolvem propriedades de W e Z poderia começar. Foram produzidas quantidades grandes de W e Z recentemente debaixo de condições controladas ao acelerador de LEP a CERN. Comparações entre medidas e cálculos têm todo o tempo mostrou grande acordo e apóia as predições da teoria assim.

Uma quantidade particular obtida com o método de cálculo de t Hooft e Veltman baseado em resultados de CERN é a massa do quark top, o mais pesado do dois quarks incluídos na terceira família do modelo. Este quark foi observado diretamente pela primeira vez em 1995 no Fermilab, mas sua massa tinha sido predita vários anos antes. Aqui também, há acordo entre experiência e teoria.

Quando nós podemos esperar a próxima grande descoberta?

Um ingrediente importante na teoria que ' t Hooft e Veltman desenvolveram é a não-descoberta partícula de Higgs (Fig. 1). Da mesma maneira como outras partículas foram preditas através de argumentos teóricos e depois foram demonstradas experimentalmente, os investigadores estão esperando a observação direta da partícula de Higgs agora. Cálculos usados semelhantemente para a massa do quark top, há uma chance aquele dos aceleradores existentes pode ser persuadido para produzir algumas partículas de Higgs. Mas o único acelerador agora em obras e poderoso bastante para estudo mais detalhado da partícula nova é o Large Hadron Collider (LHC) no CERN. Mas os investigadores têm que se conter durante alguns anos, visto que o LHC não estará completo até as 2005.

Saiba mais:

"Background in English" by Professor Cecilia Jarlskog

In search of the Ultimate Building Blocks by Gerard 't Hooft, Cambridge University Press 1997.

The Higgs boson by Martinus J.G. Veltman, Scientific American, November 1986, p.88.

An Elementary Primer for Gauge Theory by K. Moriyasu, World Scientific Publishing 1983.

Gauge Theories of the Forces between Elementary Particles by Gerard 't Hooft, Scientific American, June 1980, p. 90.

Gerardus ' t Hooft
nascido 1946 em Guarida Helder, Holanda. Cidadão holandês. Grau de Doutor em Física em 1972 pela Universidade de Utrecht. Professor de Física na Universidade de Utrecht desde 1977. Entre outros prêmios ' t Hooft recebeu , em 1979, o Dannie Heineman Prêmio da Sociedade Americana de Física e em 1982, o Prêmio Wolf pelo trabalho dele em renormalização gauge. É membro da Academia Solandesa de Ciências desde 1982.

Professor Gerardus ' t Hooft
Spinoza Instituut
Leuvenlaan 4
Postbus 80.195
Holanda

Martinus J.G.Veltman
nascido 1931 na Holanda Cidadão holandês. Grau de Doutror em Física em 1963 pela Universidade de Utrecht. Professor de Física na Universidade de Utrecht 1966-1981 e na Universidade de Michigan, Ann Arbor, desde 1981 (agora aposentado). Entre outros premios, Veltman recebeu, em 1993 , o Prêmio de Física de Altas Energias da Sociedade Européia de Física pelo trabalho dele em renormalização de gauge. É membro Academia Holandesa de Ciências desde 1981.

Professor Martinus J.G.Veltman
Schubertlaan 15
3723 LM Bilthoven
O Países Baixos

A quantia do Prêmio Nobel é SEK 7,900,000 (US$ 960.000,00)

texto obtido de: http://ww10.zaz.com.br/fisicanet/

site dos prêmios Nobel: http://www.nobelprizes.com/