Pergunte a Ethan: Que nova evidência poderia revolucionar toda a física conhecida?

Quando uma partícula atinge um núcleo atômico, pode levar à produção de cargas livres e/ou fótons, que podem produzir um sinal visível nos tubos fotomultiplicadores ao redor do alvo. O detector XENON aproveita essa ideia de forma espetacular, tornando-o o experimento de detecção de partículas mais sensível do mundo. (NICOLLE R. FULLER/NSF/ICECUBE)



O Modelo Padrão e a Relatividade Geral não podem ser tudo o que existe. Mas como vamos descobrir o que está além deles?


Um dos maiores problemas com a física é que, além de alguns mistérios que não podemos explicar adequadamente, as coisas que entendemos funcionam extremamente bem. Muito bem, na verdade, para o nosso conforto. Quase todas as mudanças que tentamos fazer no Modelo Padrão ou na Relatividade Geral, nossas duas melhores (ainda que fundamentalmente incompatíveis) teorias que descrevem o Universo, são altamente limitadas pelo conjunto completo de dados que já possuímos. E, no entanto, deve haver mais no Universo, pois mistérios como matéria escura, energia escura e a assimetria matéria-antimatéria são até agora inexplicáveis. Então, onde devemos procurar a próxima grande revolução na física fundamental? É isso que John Jordano quer saber, perguntando:

Você tem sido um defensor vocal da visão de consenso na física. Outros físicos às vezes lançam teorias malucas, enquanto você explica claramente as visões de consenso atuais usando argumentos sucintos, dados claros e de maneira que os leigos possam entender. Minha pergunta é: quais são as áreas do atual consenso científico em física que você acha que possivelmente serão abaladas por experimentos que podemos realmente realizar nos próximos 20 a 30 anos?



É uma pergunta fantástica. Vamos olhar além das fronteiras atuais para ver para onde estamos indo.

O Modelo Padrão da física de partículas é responsável por três das quatro forças (exceto a gravidade), o conjunto completo de partículas descobertas e todas as suas interações. Se existem partículas e/ou interações adicionais que podem ser descobertas com colisores que podemos construir na Terra é um assunto discutível, mas ainda existem muitos quebra-cabeças que permanecem sem resposta, como a ausência observada de forte violação de CP, com o Modelo Padrão em sua Forma Atual. (PROJETO DE EDUCAÇÃO FÍSICA CONTEMPORÂNEA / DOE / NSF / LBNL)

Para saber para onde estamos indo, primeiro precisamos saber onde estamos. Sabemos que vivemos em um Universo onde o Modelo Padrão da física de partículas elementares explicou com sucesso todas as interações conhecidas e detectadas entre partículas já observadas até agora. O Universo é composto de quarks, léptons e os bósons de calibre que medeiam três das quatro forças fundamentais, bem como o Higgs, que dá massa de repouso a todas as partículas massivas do Modelo Padrão.



Há também a Relatividade Geral: nossa teoria (não quântica) da gravidade, que apresenta a relação entre o espaço-tempo e a matéria e a energia no Universo. Simplificando, a matéria e a energia dizem ao espaço-tempo como se curvar, enquanto esse mesmo espaço-tempo curvo diz à matéria e à energia como se mover.

Inúmeros testes científicos da teoria geral da relatividade de Einstein foram realizados, submetendo a ideia a algumas das restrições mais rigorosas já obtidas pela humanidade. A presença de matéria e energia no espaço diz ao espaço-tempo como se curvar, e esse espaço-tempo curvo diz à matéria e à energia como se mover. (COLABORAÇÃO CIENTÍFICA LIGO / T. PYLE / CALTECH / MIT)

A dificuldade de ir além da Relatividade Geral (que dá conta da gravitação, dos buracos negros, do Universo em expansão e do Big Bang quente) e do Modelo Padrão (que dá conta das outras três forças, as partículas e antipartículas conhecidas, e os resultados de cada experimento de física de partículas de todos os tempos) é que, se você tentar modificá-los de qualquer maneira simples e direta, acabará obtendo resultados que entram em conflito com as medições e observações que já possuímos.

É fácil jogar o jogo dos dois lados com nossas teorias atuais de consenso na física. Bem, Ethan pode ser um astrofísico PhD e ele diz que o Modelo Padrão e a Relatividade Geral estão corretos, mas [insira um pequeno grupo de cientistas] diz que [teoria alternativa] está correta, e eu acho esse cenário mais convincente. Infelizmente, não é assim que a ciência realmente funciona.



As partículas do Modelo Padrão e suas contrapartes supersimétricas. Pouco menos de 50% dessas partículas foram descobertas e pouco mais de 50% nunca mostraram um traço de sua existência. A supersimetria é uma ideia que espera melhorar o Modelo Padrão, mas ainda precisa fazer previsões bem-sucedidas sobre o Universo na tentativa de suplantar a teoria predominante. Se não houver supersimetria em todas as energias, a teoria das cordas deve estar errada. (CLAIRE DAVID/CERN)

Se você quiser ir além do nosso entendimento científico atual, você tem um ônus de prova bastante alto. Em particular, você deve superar os três obstáculos a seguir:

  • você deve reproduzir com sucesso todos os sucessos da teoria predominante onde for relevante e válido,
  • você deve explicar fenômenos já observados ou medidos que a teoria predominante não pode ou não explica,
  • e você deve fazer uma previsão nova e testável que difere da teoria predominante, e então sair e realizar o teste crítico.

No entanto, a maioria das tentativas de extensão falham mesmo no primeiro passo. Temos tantos testes de precisão de gravidade e partículas elementares que quaisquer alternativas que você possa inventar – de teorias de gravidade modificadas a dimensões extras para simetrias ou unificações fundamentais adicionais – já têm limites muito rigorosos em sua existência.

A ideia de unificação sustenta que todas as três forças do Modelo Padrão, e talvez até a gravidade em energias mais altas, são unificadas em uma única estrutura. Essa ideia é poderosa, levou a muitas pesquisas, mas é uma conjectura completamente não comprovada. Em energias ainda mais altas, uma teoria quântica da gravidade poderia unificar todas as forças. Mas esses cenários geralmente têm consequências para fenômenos observáveis ​​de baixa energia que são fortemente restritos. ( ABCC AUSTRÁLIA 2015 WWW.NEW-PHYSICS.COM )

E, no entanto, já temos algumas evidências muito fortes de que o que sabemos é verdade, hoje, não pode ser a história completa.



Sabemos que galáxias distantes parecem se afastar de nós a uma taxa inconsistente com um Universo sendo preenchido apenas com partículas do Modelo Padrão e governado pela Relatividade Geral.

Sabemos que fontes gravitacionais individuais – galáxias, aglomerados de galáxias e até a grande teia cósmica – não concordam com as previsões, a menos que um novo ingrediente, como a matéria escura, seja adicionado.

Sabemos que, embora as leis da física sob o Modelo Padrão produzam ou destruam matéria e antimatéria em quantidades iguais, habitamos um Universo feito predominantemente de matéria, com apenas uma pequena quantidade de antimatéria.

Em outras palavras, sabemos que a física conhecida não explica tudo o que observamos no Universo.

Em todas as escalas do Universo, desde nossa vizinhança local até o meio interestelar, galáxias individuais, aglomerados, filamentos e a grande teia cósmica, tudo o que observamos parece ser feito de matéria normal e não de antimatéria. Este é um mistério inexplicável. (NASA, ESA E A EQUIPE HUBBLE HERITAGE (STSCI/AURA))

Vimos dicas do que pode residir além dos limites atualmente conhecidos da ciência. Na frente da física de partículas, vários experimentos produziram resultados inesperados que, se se mantiverem em significâncias mais altas, podem ser revolucionários. O Anomalia atômica vê um conjunto de partículas em decomposição exibindo um comportamento bizarro e inesperado que pode ser um erro experimental ou sinais de uma nova partícula que não faz parte do Modelo Padrão. O controverso experimento DAMA , assim como resultados recentes do XENON , poderia representar uma nova física ou, em um cenário mais mundano, uma nova fonte de ruído.

Enquanto isso, no espaço, o Alpha Magnetic Spectrometer vê um excesso inexplicável de antimatéria , O satélite Fermi da NASA vê um excesso de raios gama do centro galáctico, diferentes técnicas para medir o Universo produzir diferentes valores de sua taxa de expansão , e assim por diante.

Uma série de diferentes grupos que buscam medir a taxa de expansão do Universo, juntamente com seus resultados codificados por cores. Observe como há uma grande discrepância entre os resultados iniciais (dois principais) e tardios (outros), com as barras de erro sendo muito maiores em cada uma das opções de atraso. O único valor a ser criticado é o CCHP, que foi reanalisado e encontrou um valor mais próximo de 72 km/s/Mpc do que 69,8. (L. VERDE, T. TREU E A. G. RIESS (2019), ARXIV: 1907.10625)

Nenhum desses resultados, no entanto, é tão esmagadoramente robusto que deve ser um sinal de nova física; qualquer um ou todos eles podem ser simplesmente flutuações estatísticas ou um aparelho mal calibrado. Muitos deles poderiam apontar para uma nova física, mas poderiam ser facilmente explicados por partículas e fenômenos conhecidos dentro do contexto da Relatividade Geral e do Modelo Padrão.

Esses e outros experimentos continuarão, sondando essas anomalias e procurando outras enquanto continuamos a refinar nossa imagem do Universo. Mas nas próximas décadas, novos experimentos e observatórios estarão online, ampliando nossas fronteiras mais do que nunca e abrindo o que chamamos de novo potencial de descoberta, explorando o Universo de novas maneiras. Aqui estão os que eu estou mais animado.

A área de visualização do Hubble (canto superior esquerdo) em comparação com a área que o telescópio WFIRST/Nancy Grace Roman poderá visualizar, na mesma profundidade, no mesmo período de tempo. A visão de campo amplo de Roman nos permitirá capturar um número maior de supernovas distantes do que nunca, e nos permitirá realizar levantamentos profundos e amplos de galáxias em escalas cósmicas nunca antes sondadas. Isso trará uma revolução na ciência, independentemente do que encontrar, e fornecerá as melhores restrições sobre como a energia escura evolui ao longo do tempo cósmico. Se a energia escura variar em mais de 1% do valor previsto, Roman a encontrará. (NASA / GODDARD / WFIRST)

A energia escura é realmente uma constante? No momento, parece constante, mas há um pouco de espaço de manobra. Com base nas próximas pesquisas de galáxias em larga escala (lideradas pelo Observatório Vera Rubin) e dados de supernovas distantes (fornecidos pelo próximo telescópio romano Nancy Grace, anteriormente WFIRST), devemos saber com 1% se a energia escura evolui ao longo do tempo. Se isso acontecer, nosso modelo cosmológico padrão terá que ser revisado.

A matéria escura pode ser detectada diretamente? O resultados mais recentes do experimento XENON fornecem a evidência candidata mais empolgante para a matéria escura de partículas que já vimos, mas a próxima geração de experimentos colocará isso à prova. O experimento XENONnT atualizado, bem como o experimento LUX-ZEPLIN , irá revelar matéria escura de partículas ou eliminar o melhor (e possivelmente, único) candidato atual que temos.

A busca por partículas de matéria escura nos levou a procurar WIMPs que podem recuar com núcleos atômicos. A Colaboração LZ (uma rival contemporânea da colaboração XENON) fornecerá os melhores limites de todas as seções transversais de WIMP-nucleon, mas pode não ser tão boa em revelar candidatos de baixa energia como o XENON. (COLABORAÇÃO LUX-ZEPLIN (LZ) / LABORATÓRIO NACIONAL DE ACELERADOR SLAC)

O que acontece nas energias mais altas de todas? Experimentos de raios cósmicos que procuram neutrinos, radiação Cherenkov ou outros sinais de alta energia encontraram partículas com milhões de vezes a energia que o Grande Colisor de Hádrons (LHC) pode alcançar. Se houver nova física em altas energias, esta é nossa melhor sonda.

Quando as primeiras estrelas realmente se formaram? O Hubble é fundamentalmente limitado por seu poder de captação de luz (ou seja, seu tamanho), seu campo de visão e sua faixa de comprimento de onda. O próximo Telescópio Espacial James Webb da NASA, bem como a próxima geração de telescópios terrestres da classe de 30 metros, podem sondar as estrelas e galáxias mais antigas e distantes como nunca antes, buscando uma maior compreensão da formação da estrutura nos primeiros tempos.

Existem dicas de física de partículas que desafiam o Modelo Padrão? Pode ser. Estamos trabalhando para medir melhor os momentos magnéticos do elétron e do múon; se eles discordam, há uma nova física. Estamos trabalhando para descobrir como os neutrinos oscilam; pode haver uma nova física lá. E se construirmos um colisor elétron-pósitron de precisão, circular ou linearmente, podemos encontrar pistas além do Modelo Padrão que o LHC não consegue encontrar.

A ideia de um colisor linear de léptons tem sido cogitada na comunidade de física de partículas como a máquina ideal para explorar a física pós-LHC por muitas décadas, mas isso foi sob a suposição de que o LHC encontraria uma nova partícula além do Higgs. Se quisermos fazer testes de precisão de partículas do Modelo Padrão para buscar indiretamente novas físicas, um colisor linear pode ser uma opção inferior a um colisor circular de léptons. (REY HORI/KEK)

Existem muitas outras opções sobre onde a nova física pode estar se escondendo e muitas outras opções sobre quais experimentos ou observações podem revelá-la. É possível que a Antena Espacial com Interferômetro a Laser (LISA) revele surpresas; é possível que a aniquilação de matéria escura ou neutrinos estéreis se revele; é possível que experimentos inteligentes de mesa nos forneçam nossos primeiros indícios de gravidade quântica. Até olharmos, não podemos saber.

Mas o que é mais emocionante para mim é nenhuma das opções acima. Claro, é possível que nada fundamentalmente novo seja descoberto quando olharmos, mas também é possível que encontremos algo que ainda não paramos para considerar. A beleza da investigação científica está na jornada de descobrir as coisas. Será necessário um esforço hercúleo para descobrir quais segredos estão além da fronteira atual. Mas com milhares de cientistas no caso, dedicando suas vidas ao esforço, o conhecimento sem precedentes certamente será uma recompensa que todos podemos apreciar e desfrutar.


Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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