Cinco sinais independentes de nova física no Universo
O detector CMS no CERN, um dos dois detectores de partículas mais poderosos já montados. Crédito da imagem: CERN.
Todos apontando para o Modelo Padrão mais a Relatividade Geral não sendo tudo o que existe.
O Universo é muito, muito grande. Também adora um paradoxo. Por exemplo, tem algumas regras extremamente rígidas.
Regra número um: Nada dura para sempre. Não você ou sua família ou sua casa ou seu planeta ou o sol. É uma regra absoluta. Portanto, quando alguém diz que seu amor nunca morrerá, significa que seu amor não é real, pois tudo que é real morre.
Regra número dois: Tudo dura para sempre. – Craig Ferguson
Desde que o Large Hadron Collider no CERN foi ativado, ele trouxe uma incrível quantidade de resultados. Um grande número de partículas raras, exóticas e instáveis foi criado, e seus decaimentos foram medidos com precisão sem precedentes. O bóson de Higgs foi criado e observado como tendo uma massa de 126 GeV/c2, ramificando-se e decaindo exatamente nas proporções que o Modelo Padrão prevê. Como está agora, detectamos todas as partículas e antipartículas previstas pela teoria da física de partículas mais bem-sucedida de todos os tempos. A menos que sejamos atingidos por uma grande surpresa física, o LHC se tornará conhecido por ter encontrado o bóson de Higgs e nada mais fundamental. Se esses resultados persistirem, não há janela para o que está além do Modelo Padrão vindo da física experimental de partículas tradicional.
Os canais de decaimento de Higgs observados versus o acordo do Modelo Padrão, com os dados mais recentes do ATLAS e do CMS incluídos. O acordo é surpreendente. Crédito das imagens: André David, via Twitter.
Mas isso não é o mesmo que dizer que o Modelo Padrão é tudo o que existe. Muito pelo contrário, há um grande número de observações que nos dizem claramente que há muito provável mais para o Universo do que apenas os quarks, léptons e bósons do Modelo Padrão. Embora os experimentos nos digam que a supersimetria de baixa energia e as dimensões extras provavelmente não existem (ou são tão restritas que são irrelevantes), há muitas evidências de que há mais na existência do que o Modelo Padrão sozinho. O que mais está lá fora? Existem cinco linhas de investigação fortes e independentes que revelam que deve haver algo.
A maneira como as galáxias se agrupam é impossível de alcançar em um universo sem matéria escura. Crédito da imagem: NASA, ESA, CFHT e M.J. Jee (Universidade da Califórnia, Davis).
1) Matéria escura: Da formação da estrutura aos aglomerados de galáxias em colisão, das lentes gravitacionais à nucleossíntese do Big Bang, das oscilações acústicas dos bárions ao padrão de anisotropias no fundo cósmico de micro-ondas, está claro que a matéria normal – o material feito de partículas de modelo padrão – tem apenas cerca de 15 % da massa total do Universo. O resto simplesmente não tem essas interações fortes ou eletromagnéticas, e neutrinos são de massa insuficiente para responder por mais de cerca de 1% das coisas que faltam. Mas, ainda assim, quando olhamos para os efeitos da gravitação no Universo, há algum tipo de matéria que não interagem com a luz da mesma forma que todas as partículas carregadas e neutras do Modelo Padrão.
A separação entre matéria normal (rosa) e gravidade (azul) em aglomerados de galáxias em colisão é inegável. Crédito da imagem: NASA / CXC / STScI / UC Davis / W. Dawson et al., do cluster Musket Ball.
Se a matéria escura é uma partícula – e a maneira como ela parece se aglomerar sugere fortemente que é – ela devo ser uma partícula além do modelo padrão. Exatamente quais são suas propriedades são atualmente uma questão em aberto na física e, embora muitos candidatos tenham surgido, nenhum deles é particularmente mais atraente do que qualquer outro. Provavelmente há pelo menos uma nova partícula por aí para explicar isso que não pode estar no Modelo Padrão, mas ainda não a detectamos diretamente.
Uma escala logarítmica mostrando as massas dos férmions dos Modelos Padrão: os quarks e léptons. Observe a pequenez das massas de neutrinos. Crédito da imagem: Hitoshi Murayama de http://hitoshi.berkeley.edu/ .
2) Neutrinos maciços: De acordo com o Modelo Padrão, as partículas podem ser sem massa – como o fóton e o glúon – ou podem ter uma massa determinada por seu acoplamento ao campo de Higgs. Há uma variedade de quais são esses acoplamentos, e assim obtemos partículas tão leves quanto o elétron - com apenas 0,05% de um GeV (onde 0,938 GeV é a massa de um próton) - e tão pesadas quanto o quark top, que inclina o escala de massa em torno de 170-175 GeV. Mas então há o neutrino.
O observatório de neutrinos de Sudbury, que foi fundamental para demonstrar as oscilações de neutrinos e a solidez dos neutrinos. Crédito da imagem: A. B. McDonald (Queen’s University) et al., The Sudbury Neutrino Observatory Institute.
Durante a última década, quando massas de neutrinos eram restrito pela primeira vez (através de oscilações de neutrinos), surpreendeu muitos que eles foram encontrados em massa muito baixa, mas definitivamente diferente de zero massas. Por que isso? A maneira geral de explicar isso - o mecanismo de gangorra — normalmente envolve partículas adicionais muito pesadas (talvez um bilhão ou um trilhão de vezes mais massivas que as partículas do Modelo Padrão) que são extensões do Modelo Padrão; sem uma nova partícula, suas minúsculas, minúsculas massas (apenas um bilionésimo da massa de um elétron) são completamente inexplicáveis. Se existem partículas do tipo gangorra ou há alguma outra explicação, esses neutrinos maciços são quase definitivamente, em algum forma, indicativo de nova física além do Modelo Padrão.
Trocar partículas por antipartículas e refleti-las em um espelho simultaneamente representa a simetria CP. Se os decaimentos anti-espelho forem diferentes dos decaimentos normais, CP é violado. Crédito da imagem: E. Siegel.
3) O problema do PC forte: Se você trocasse todas as partículas envolvidas em uma interação com suas antipartículas, você poderia esperar que as leis da física fossem as mesmas: isso é conhecido como Conjugação de carga , ou C-simetria. Se você refletiu partículas em um espelho, provavelmente esperaria que as partículas espelhadas se comportassem da mesma maneira que seus reflexos: isso é conhecido como Paridade , ou P-simetria. Há exemplos de onde uma dessas simetrias é violada na natureza, e na Interações fracas (os mediados pelos bósons W-e-Z), não há nada que proíba C e P de serem violados juntos.
A natureza não é simétrica entre partículas/antipartículas ou entre imagens especulares de partículas, ou ambas, combinadas. Crédito da imagem: E. Siegel.
De fato, essa violação de CP ocorre para as interações fracas (e foi medida em vários experimentos) e é muito importante por várias razões teóricas. Bem, na mesma linha, não há nada no Modelo Padrão que proíba a violação de CP de ocorrer no forte interações. Mas não há nenhum observado , para menos de 0,0000001% do valor antecipado (escala fraca)!
Por que não? Bem, praticamente qualquer explicação física (ao contrário da não-explicação, essa é apenas a maneira engraçada que é) resulta na existência de uma nova partícula além do Modelo Padrão, que pode Além disso seja um bom candidato para resolver o problema #1: o problema da matéria escura! Mas seja qual for o corte, o Modelo Padrão não explica a falta observada de forte violação de CP; precisaríamos de uma nova física para explicar isso.
As ondas gravitacionais só podem ser geradas a partir da inflação se a gravidade for uma teoria inerentemente quântica. Crédito da imagem: Colaboração BICEP2.
4) Gravidade Quântica: O Modelo Padrão não faz nenhum esforço nem qualquer pretensão de incorporar a força/interação gravitacional nele. Mas nossa melhor teoria da gravidade atual – a Relatividade Geral – não faz sentido em campos gravitacionais extremamente grandes ou distâncias extremamente pequenas; as singularidades que ele nos dá são indicativas da quebra da física. Para explicar o que se passa ali, será necessário um estudo mais completo, ou quântico , teoria da gravidade. Você pode ter pensado, bem, as outras três forças são quantizadas, mas talvez a gravidade não ter ser, e isso teria sido uma suposição razoável, exceto por uma coisa.
A luz que é polarizada de uma maneira particular do brilho remanescente do Big Bang indicaria ondas gravitacionais primordiais… e que a gravidade é uma força inerentemente quântica. Crédito da imagem: a colaboração BICEP2, via http://www.cfa.harvard.edu/news/2014-05 .
A inflação gera ondas gravitacionais a partir de um processo inerentemente quântico! Apesar do falso anúncio do BICEP2 há alguns anos, a caçada está em busca dessa relíquia primordial dos primeiros estágios do Universo. Ao verificar a polarização da luz do brilho remanescente do Big Bang para uma precisão cada vez maior, os físicos estão determinados a encontrá-la. Quando o fazem, a física determina que eles não poderiam ter sido gerados por ondas gravitacionais primordiais a menos que a gravidade fosse uma teoria fundamentalmente quântica ! Se você quer ter flutuações quânticas esticadas por todo o Universo, seu campo – neste caso, gravitacional – precisa ser um quântico.
Esta pode ser a mais evasiva e a mais fundamental das previsões além do Modelo Padrão, mas há uma previsão inevitável: há pelo menos uma (e possivelmente mais) nova partícula lá fora, se a gravidade puder, de fato, ser quantizada. E finalmente…
O Universo primitivo estava cheio de matéria e antimatéria em meio a um mar de radiação. Mas quando tudo foi aniquilado após o resfriamento, restou um pouquinho de matéria. Crédito da imagem: E. Siegel.
5) Bariogênese: Há mais matéria do que antimatéria no Universo, e enquanto houver muito podemos dizer sobre por que e como , não temos certeza exatamente qual caminho o Universo tomou para terminar nessa configuração. Não há necessariamente quaisquer novas partículas que devo existem para explicar a assimetria matéria-antimatéria, mas das quatro formas mais comuns de produzi-la (GUT, Electroweak, Leptogenesis e Affleck-Dine), apenas uma (Baryogenesis Electroweak) não necessariamente envolvem a existência de novas partículas além do Modelo Padrão. (Embora mesmo esses envolvam novas interações além do Modelo Padrão!)
Quando a simetria eletrofraca quebra, a combinação de violação de CP e violação do número bariônico pode criar uma assimetria matéria/antimatéria onde não havia antes. Crédito da imagem: obtido da Universidade de Heidelberg, via http://www.thphys.uni-heidelberg.de/~doran/cosmo/baryogen.html .
Agora, é possível que muitos desses problemas estejam relacionados e que possa haver apenas uma ou duas novas partículas e/ou pedaços de física que respondam pela solução de todos eles. Mas também é concebível que não apenas existam novas partículas e/ou novas físicas para cada um desses problemas separadamente , mas que novos caminhos da física se abrirão ainda mais física além do modelo padrão. Algumas possibilidades incluem que há uma partícula (ou mais de uma) possivelmente associada à energia escura, pode haver monopolos magnéticos, grande unificação, preons (partículas menores que formam quarks e léptons) e a porta ainda está aberta para partículas de dimensões extras ou supersimetria.
As partículas do Modelo Padrão e suas contrapartes supersimétricas. Exatamente 50% dessas partículas foram descobertas e 50% nunca mostraram um traço de sua existência. Crédito da imagem: Claire David, de http://davidc.web.cern.ch/davidc/index.php?id=research .
Mas pode haver algo ainda mais simples. Considere, se quiser, o átomo simples, composto de prótons, nêutrons e elétrons. O elétron é uma partícula completamente estável. Enquanto um nêutron livre decairá, um próton livre é considerado completamente estável. Mas isso não é necessariamente completamente estável. Por meio de experimentos gigantes envolvendo números astronômicos de átomos, determinamos que a vida útil de um próton é maior que pelo menos 1035 anos, o que é incrível.
Mas isso não é infinito. Se um próton faz eventualmente decaem e têm uma meia-vida que é nada menos do que infinidade , isso significa que há novas partículas além do Modelo Padrão. E enquanto o 83º elemento da tabela periódica já foi pensado para ser estável ...
Bismuto ultrapuro, elemento #83 e as estruturas únicas que ele forma. Crédito da imagem: David Abercrombie do flickr, sob cc-by-2.0.
Nós agora (a partir de 2003) sabemos que ele irá decair com uma meia-vida de ~10¹⁹ anos. Mas em escalas de tempo ainda mais longas, talvez chumbo, ferro ou até mesmo um único próton também decairá! Todas essas medições podem apontar o caminho para novas partículas. Mas mesmo que as novas partículas que devo existem para apoiar essas observações são inacessíveis a colisores de partículas (como o LHC), ainda há novas descobertas interessantes que nos esperam em altas energias dentro de o modelo padrão! Os estados de pentaquark e tetraquark estão surgindo e sendo confirmados, mostrando que as combinações de três quarks ou quark-antiquark não são tudo o que existe.
Os mésons B podem decair diretamente em uma partícula J/Ψ (psi) e uma partícula Φ (phi). Os cientistas do CDF encontraram evidências de que alguns mésons B decaem inesperadamente em uma estrutura tetraquark intermediária identificada como uma partícula Y. Crédito da imagem: Revista Symmetry.
Finalmente, mesmo que não haja nada além do Modelo Padrão, uma previsão divertida é a existência de bolas de cola , ou estados ligados de glúons. Eles devem ser encontrados nos próximos experimentos de colisores de partículas. Se eles não existem, ou não aparecem onde deveriam, isso é um grande problema para cromodinâmica quântica , ou a teoria das interações fortes que faz parte do Modelo Padrão. E - se você não tirar mais nada deste artigo, espero que tire isso - se nossas melhores teorias não puderem explicar a existência ou a ausência de um fenômeno, isso é uma boa indicação de que há mais no Universo do que nossas melhores teorias ditar!
Portanto, fique atento a este: sem cola = algo mais está errado com o Modelo Padrão! E é onde estamos agora. Mesmo que não haja supersimetria e dimensões extras, ainda temos muito mais a descobrir e temos pelo menos cinco fatos observacionais convincentes que nos dizem que o Modelo Padrão não é tudo o que existe para o Universo. Mantenha seus olhos e ouvidos abertos, e vamos todos continuar olhando juntos!
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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