Grande unificação pode ser um beco sem saída para a física
Uma ilustração da teoria de tudo. Crédito da imagem: Adam Shaw, 2011, sob um c.c.a.-s.a. 3.0 licença.
A ideia de que pode haver apenas uma força fundamental pode ser um erro fundamental.
Mesmo que haja apenas uma teoria unificada possível, é apenas um conjunto de regras e equações. O que é que sopra fogo nas equações e cria um universo para elas descreverem? – Stephen Hawking
Há uma ideia bonita e elegante que está por aí na física: que tudo o que vemos, percebemos e interagimos neste Universo é apenas uma manifestação diferente da mesma força fundamental de alguma forma. Avanços nesse sentido já apareceram antes: a descoberta de que dezenas de átomos diferentes eram todos feitos de prótons, nêutrons e elétrons; a descoberta de que apenas quatro forças fundamentais (as forças gravitacional, eletromagnética e nuclear forte e fraca) estavam por trás de cada fenômeno no Universo; a descoberta adicional de que uma única equação (o Modelo Padrão Lagrangiano) descrevia perfeitamente três deles, e até unificou dois deles — a força eletromagnética e a força fraca — em uma única força: a força eletrofraca. Poderia haver uma força única e unificada que todo as diferentes forças são apenas diferentes manifestações de?
O padrão de isospins fracos, hipercargas fracas e cargas fortes para partículas no modelo SU(5), também conhecido como cargas Georgi-Glashow. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Cjean42 sob um c.c.a.-s.a. 3.0, criada a partir do Elementary Particle Explorer de Garret Lisi.
A unificação era originalmente um sonho de Einstein, entre outros. Maxwell unificou os fenômenos da eletricidade e do magnetismo em um único (eletromagnetismo), e havia esperança de que pudesse haver uma concepção ainda mais fundamental do que essa. Quando havia apenas duas forças conhecidas, a Relatividade Geral (gravidade) e as equações de Maxwell (eletromagnetismo), unificá-las em uma única estrutura clássica era o objetivo de muitos dos principais teóricos da época. Por um tempo, parecia que a natureza estava ficando mais simples e indo em direção a menos – não mais – componentes fundamentais do Universo. No entanto, em rápida sucessão nas décadas de 1920, 30, 40 e 50, que começaram a desmoronar:
• Novas partículas subatômicas, o múon, o neutrino e uma enorme quantidade de mésons começaram a ser descobertos.
• A mecânica quântica, a radioatividade e a fusão e fissão nuclear trouxeram não uma, mas duas novas forças fundamentais: as forças nucleares fraca e forte.
• E experimentos de espalhamento inelástico profundo começaram a revelar que mesmo prótons e nêutrons têm estrutura de componentes para eles: os quarks e glúons.
No final da década de 1960, ficou claro que havia dezenas de partículas fundamentais, governadas por quatro forças independentes bastante distintas umas das outras.
As quatro forças fundamentais. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Kvr.lohith, sob um c.c.a.-s.a. 4.0 licença internacional.
Em energias muito altas, no entanto, em torno de ~ 100 GeV (ou aproximadamente 1013 vezes a energia ambiente à temperatura ambiente), a força nuclear fraca e a força eletromagnética tornam-se claramente duas manifestações diferentes de a mesma força fundamental . Você pode perguntar, então, se é possível que em energias ainda mais altas, as outras forças se unifiquem? A primeira a considerar é a força nuclear forte, pois também faz parte do Modelo Padrão como a força eletromagnética e a força fraca. Existem alguns fatos que parecem apoiar essa ideia:
• As cargas do próton (governado pela força forte) e do elétron (governado pelo eletromagnético) se cancelam exatamente, sugerindo que pode haver alguma simetria ali.
• As constantes de acoplamento para as forças forte, fraca e eletromagnética, que mudam em função da energia, quase se encontram em um único ponto de alta energia se você extrapolar para energias mais altas.
• E a física adicional que essa unificação traz consigo permite soluções potenciais para problemas como por que os neutrinos têm massas pequenas, mas diferentes de zero e por que o Universo tem uma assimetria matéria-antimatéria.
Uma assimetria entre os bósons e anti-bósons comuns a grandes teorias unificadas como a unificação SU(5) poderia dar origem a uma assimetria fundamental entre matéria e antimatéria, semelhante ao que observamos em nosso Universo. Crédito da imagem: E. Siegel.
É uma ideia incrível e tentadora. Na verdade, antes que a teoria das cordas fosse o principal jogo teórico da cidade, a grande unificação e as grandes teorias unificadas (GUTs) estavam na moda. Mas há alguns grandes problemas com essas ideias também. Por um lado, as novas partículas que foram previstas eram de energias irremediavelmente altas: cerca de 1015 a 1016 GeV, ou trilhões de vezes as energias que o LHC produz. Por outro lado, quase todas as GUTs que você pode projetar levam a partículas submetidas a correntes neutras de mudança de sabor, que são certos tipos de decaimento proibidos no Modelo Padrão e nunca observados na natureza. Outra previsão de quase todas as GUTs é a existência de decaimento de prótons, em escalas de tempo de cerca de 10^30 anos. Você pode pensar que, como nosso Universo tem apenas cerca de 14 bilhões de anos, isso não é uma preocupação. Mas se você conseguir juntar ~10^30 prótons e esperar um ano, deverá ver um decaimento, porque os decaimentos funcionam de forma probabilística.
O tanque cheio de água em Super Kamiokande, que estabeleceu os limites mais rigorosos para a vida útil do próton. Crédito da imagem: Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), Universidade de Tóquio.
Detectores como Kamiokande e seus sucessores são sensíveis a esse tipo exato de decaimento, e nós os enchemos com água (contendo dois prótons na forma de átomos de hidrogênio para cada molécula) e esperamos. Determinamos, experimentalmente, que, se o próton decair, ele terá uma vida útil de pelo menos ~ 10 ^ 35 anos, o que significa que a maioria das GUTs - incluindo a mais simples - é descartada. E a história fica pior a partir daí, se você der uma olhada cética nos fatos. O único ponto em que as três forças quase se encontram parece apenas um ponto em uma escala logarítmica, quando você diminui o zoom. Mas também algum três linhas mutuamente não paralelas; você pode tentar por si mesmo desenhando três segmentos de linha, estendendo-os em ambas as direções até que todos se cruzem e depois diminua o zoom. As massas pequenas mas não nulas para neutrinos podem ser explicadas por qualquer mecanismo de gangorra e/ou pela matriz MNS; não há nada de especial no que surge das GUTs. E a explicação para a assimetria matéria-antimatéria resultaria em uma superprodução de monopolos magnéticos também, que são não observado existir em nosso Universo.
A única detecção positiva para um monopolo magnético candidato veio em 1982; todas as pesquisas subsequentes ficaram vazias. Crédito da imagem: Cabrera B. (1982). Primeiros resultados de um detector supercondutor para mover monopolos magnéticos, Physical Review Letters, 48 (20) 1378–1381.
Ainda pode acontecer que a grande unificação esteja correta e que seja um passo importante no caminho para uma Teoria de Tudo: o santo graal final de muitos físicos teóricos. Mas também pode acontecer que a natureza não se unifique em altas energias, e que nossos preconceitos em relação à simplicidade, elegância e mais unificação sejam completamente errados e não tenham nada a ver com nosso Universo físico. Na ciência, como em todas as coisas, não podemos nos dar ao luxo de ser guiados por nossos próprios preconceitos de como as coisas deveriam ser. Em vez disso, devemos a nós mesmos ver o Universo exatamente como ele é e ouvir a história que ele nos conta sobre si mesmo. Pode não ser reconfortante, especialmente inicialmente, mas além da motivação trazida pelas cargas elétricas ser a mesma em quarks, léptons e bósons, não há nenhuma razão convincente para pensar que a grande unificação é outra coisa senão uma curiosidade teórica e um beco sem saída físico. .
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