Quinta força fundamental: fato ou ficção?
As partículas do Modelo Padrão, todas detectadas, mas que não podem explicar tudo sobre o nosso Universo. Crédito da imagem: E. Siegel, de seu novo livro, Além da Galáxia.
As forças forte, fraca, eletromagnética e gravitacional provavelmente não são tudo o que existe. Acabamos de encontrar evidências para um quinto?
Uma análise cuidadosa do processo de observação em física atômica mostrou que as partículas subatômicas não têm significado como entidades isoladas, mas só podem ser entendidas como interconexões entre a preparação de um experimento e a medição subsequente. – Fritjof Capra
Quando se trata de física, o Modelo Padrão de partículas elementares, abrangendo as forças eletromagnéticas, fortes e fracas, explica com sucesso todas as interações de partículas que já observamos em colisores e câmaras de detecção. Combine isso com a Relatividade Geral, nossa teoria da gravitação e todas as partículas conhecidas e suas interações podem ser explicadas com sucesso. Isso significa que existem:
- sem colisões partícula-partícula
- nenhuma partícula decai
- nenhuma produção ou aniquilação de partículas/antipartículas
- ou qualquer outro fenômeno de dispersão
que não pode ser totalmente explicado por essas quatro forças. Claro, pode haver fenômenos que não são contabilizados - a assimetria matéria/antimatéria, a existência de matéria escura, a falta de forte violação de CP ou energia escura - mas para as partículas conhecidas que observamos, o Modelo Padrão mais A Relatividade Geral explica tudo. Ou isso fez , melhor dizendo, até um experimento de 2015 da Hungria viu algo engraçado no decaimento de um elemento raro e de curta duração: o berílio-8.
O processo triplo-alfa, que ocorre nas estrelas, é como produzimos elementos de carbono e mais pesados no Universo, mas requer um terceiro núcleo de He-4 para interagir com o Be-8 antes que este decaia. Caso contrário, Be-8 volta para dois núcleos de He-4. Crédito da imagem: E. Siegel.
Berílio-8 é incrivelmente importante na construção dos elementos mais pesados do Universo. Estrelas como o nosso Sol fundem hidrogênio em hélio, mas não irão além disso na tabela periódica enquanto houver hidrogênio no núcleo para se fundir. Quando ficar sem hidrogênio, porém, o núcleo se contrairá e aquecerá, e em muitas estrelas – incluindo a nossa – atingirá temperaturas altas o suficiente para começar a fundir hélio em carbono. Mas para fazer isso, é preciso haver um passo intermediário: fundir dois hélios em Be-8 e depois adicionar um terceiro para chegar ao carbono. Você só tem um tempo extremamente curto para trabalhar com isso, no entanto, porque o Be-8 decai de volta em dois núcleos de hélio após apenas cerca de 10 a 17 segundos, o que significa que você tem um tempo incrivelmente curto para chegar ao carbono. Só então você pode ir mais alto.
Berílio-8 excitado estados nucleares. O estado de 18,15 MeV (vermelho) apresenta uma anomalia. Ambos os estados de 18,15 MeV e 17,64 decaem para o solo através de uma transição de onda p magnética. Imagem adaptada de Savage et al. (1987)., e retirado de Flip Tanedo em http://www.particlebites.com/?p=3970 .
No laboratório, podemos criar berílio-8 bombardeando lítio-7 com prótons, criando esse estado de curta duração. Podemos até, por meio desse processo, criar berílio-8 em estado excitado, garantindo que o berílio-8 não apenas decairá em dois núcleos de hélio, mas também emitirá um fóton de alta energia durante o processo de decaimento. Esse fóton pode criar espontaneamente um par elétron/pósitron porque tem muita energia, com um ângulo de abertura muito específico entre as trilhas de elétron e pósitron devido à conservação de energia/momento.
Os rastros de decaimento de partículas instáveis em uma câmara de nuvens, que nos permitem reconstruir os reagentes originais. Este decaimento específico ilustrado aqui vem do Radon-220. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Cloudylabs, sob uma licença c.c.a.-by-s.a.-3.0.
O que você esperaria ver é que haverá um espectro desses ângulos de abertura, diminuindo à medida que o ângulo se torna cada vez maior. Mas, em vez disso, o que a equipe húngara viu em 2015, liderada pelo cientista Attila Krasznahorkay, é que há um aumento surpreendente nos dados em um ângulo de 140º de separação relativa. E a maneira mais fácil de obter uma colisão é, além de um fóton, permitir que um novo tipo de partícula – um bóson maciço – entre em ação e contribua para esses sinais de elétron/pósitron.
O melhor ajuste para uma nova partícula, dados os resultados experimentais da equipe húngara, é uma nova partícula de massa 17 MeV/c². Crédito da imagem: A. J. Krasznahorkay et al., 2016, Phys. Rev. Lett. 116, 042501.
Cerca de duas semanas atrás, a internet enlouqueceu quando O artigo de Jonathan Feng et al. foi publicado , encaixando este resultado experimental com um novo tipo de partícula, um bóson protofótico massivo (porque se comporta como um fóton) a 17 MeV/c2, que precisaria interagir através de uma nova quinta força. Se for verdade, é revolucionário, Feng disse em um comunicado da UC Irvine . Mas há muito trabalho que precisa ser feito para confirmar que é verdade. Por um lado, os resultados da equipe húngara precisam ser replicados, e esta é uma equipe que tem sido notória ao longo dos anos por reivindicar novas partículas que desapareceram com mais dados. Por outro lado, a ideia de Feng do protofótico X-boson seria uma interação bizarra de curto alcance que se acoplaria apenas a um pequeno subconjunto das partículas conhecidas. De acordo com o coautor Timothy Tait, não há outro bóson que observamos que tenha essa mesma característica. Às vezes, também o chamamos de ‘bóson X’, onde ‘X’ significa desconhecido. E por outro lado, a interação deve ser incrivelmente fraca de uma maneira particularmente afinada para que essa partícula tenha escapado da detecção nos últimos 65 anos. É muito mais provável que os teóricos estejam construindo um modelo para perseguir uma partícula fantasma que realmente não existe.
Um esquema do cenário hipotético de Feng et al. para a criação de um X-boson protofótico. Imagem de 1608.03591., criada por Flip Tanedo em http://www.particlebites.com/?p=3970 . Eu recomendo ler todo o post de Flip para uma análise aprofundada dos possíveis cenários, pois ele é coautor do Feng et al. papel!
Mas se isso é uma nova partícula, poderia mudar tudo. A energia de repouso da partícula — 17 MeV/c2 — junto com suas outras propriedades, é realmente interessante. Tem um spin de 1, indicando que é uma partícula semelhante a um bóson. Ele viaja o suficiente para que seu tempo de vida de 10 a 14 s possa ser medido, nos dizendo que este é um decaimento fraco, não eletromagnético, o que significa que não é um estado ligado de léptons. Não pode ser uma combinação de dois quarks, pois é muito leve; teria que ser pelo menos 10 vezes mais pesado para essa explicação funcionar. Se esta partícula é real, é provável que seja um novo tipo de partícula , um não encontrado no Modelo Padrão.
O excesso de sinal nos dados brutos aqui - descritos por E. Siegel em vermelho - mostra a nova descoberta potencial. Embora pareça uma pequena diferença, é um resultado incrivelmente significativo estatisticamente. Crédito da imagem: A. J. Krasznahorkay et al., 2016, Phys. Rev. Lett. 116, 042501.
Mas provavelmente não é. Provavelmente é um erro com a configuração experimental ou com os cortes usados pela equipe experimental. A melhor maneira de testá-lo não virá de um grupo teórico, mas sim de um grupo experimental independente que replica o experimento com maior precisão e barras de erro menores. Eles precisarão detectar se o estado excitado do berílio-8 realmente requer um componente adicional além de um fóton para explicar seus decaimentos. E então, se isso acontecer, teremos descoberto algo novo e notável na física, mas se não, é apenas mais um arenque vermelho em uma longa linha de dicas falhadas para nos levar além do Modelo Padrão.
Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes , e é oferecido a você sem anúncios por nossos apoiadores do Patreon . Comente em nosso fórum , & compre nosso primeiro livro: Além da Galáxia !
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