Retrocesso quinta-feira: os 5 principais sinais de nova física
Crédito da imagem: colaboração CERN / LHC / ATLAS, via http://wwwhep.physik.uni-freiburg.de/graduiertenkolleg/home.html#home.
O Modelo Padrão não pode ser tudo o que existe. Aqui estão cinco razões convincentes.
Além das leis da física, as regras nunca funcionaram para mim. – Craig Ferguson
Há dois anos, foram apresentadas evidências medindo uma taxa de decaimento muito rara - embora não incrivelmente preciso — que apontam para o Modelo Padrão sendo ele tanto quanto novas partículas acessível a colisores (como o LHC). Com a descoberta confirmada no ano passado de que a recém-descoberta partícula fundamental de 126 GeV era, de fato, a bóson de Higgs muito procurado , agora detectamos todas as partículas previstas pela teoria da física de partículas mais bem-sucedida de todos os tempos.
Em outras palavras, 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, o que significa que não há janela para o que está além do Modelo Padrão via física de partículas experimental tradicional.
Crédito da imagem: Fermilab, modificado por mim.
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 (e o LHC as aumentará ou ainda as restringirá ao ponto de irrelevância), há muitas evidências de que existe mais à existência do que essas partículas do Modelo Padrão, antipartículas e suas interações sozinhas.
O que mais está lá fora? Vamos dar uma olhada no As 5 principais pistas para a física além do modelo padrão !
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.
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 forma 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.
Crédito da imagem: Bryan Christie Design / Scientific American & Gordie Kane.
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 escalas de massa em torno de 170-175 GeV. Mas então há o neutrino.
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 é que? 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.
Crédito da imagem: Universe Review, de http://universe-review.ca/R02-14-CPviolation.htm .
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.
Crédito da imagem: James Schombert / U. of Oregon.
Na verdade, 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.
Crédito da imagem: John Rowe Animation.
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.
Crédito da imagem: a colaboração BICEP2, via http://www.cfa.harvard.edu/news/2014-05 .
O resultados do BICEP2 recentemente divulgados — supondo que a polarização em modo B detectada veio, de fato, da inflação — não poderia ter sido gerada por ondas gravitacionais primordiais a menos que a gravidade fosse uma teoria quântica ! (Se você quiser que as flutuações quânticas se estendam pelo Universo, seu campo – neste caso, gravitacional – precisa ser um quântico.)
Agora, não sabemos como fazer um trabalho teoria da gravidade quântica . A teoria das cordas é uma possibilidade (e talvez o único jogo viável na cidade), mas uma coisa todo possibilidades têm em comum é a existência de uma nova partícula: uma sem massa, spin-2 gráviton . 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…
Crédito da imagem: eu, fundo de Christoph Schaefer.
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.
Crédito da imagem: obtido da Universidade de Heidelberg, via http://www.thphys.uni-heidelberg.de/~doran/cosmo/baryogen.html .
Apesar mesmo assim precisaria envolver nova física; física que não é parte do Modelo Padrão.
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 qualquer extra dimensões ou supersimetria.
Mas pode haver algo ainda mais simples. Considere, se quiser, o átomo simples, composto de prótons, nêutrons e elétrons.
Crédito de imagem: Dorling Kindersley, Getty Images.
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 o tempo de vida de um próton é maior do que pelo menos 10^35 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 ...
Crédito da imagem: PeriodicTable.com, via http://periodictable.com/Elements/083/index.pr.html .
nós agora (a partir de 2003) sabemos que irá decair com uma meia-vida de ~10^19 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!
Crédito da imagem: APS/Alan Stonebraker, via Physics Viewpoint, editado por mim.
Estados de matéria exótica - como tetraquarks e pentaquarks - são previsto existir pelo Modelo Padrão, e ainda assim eles são apenas (e mesmo assim, apenas possivelmente ) começando a ser descoberto agora. E há uma previsão do Modelo Padrão – uma consequência da força forte e QCD – que também deveria existir e pode ser descoberta pelo LHC.
Crédito da imagem: Matthew J. Strassler, Kathryn M. Zurek.
Mesmo que haja nada além do modelo padrão , uma previsão divertida é a existência de bolas de cola , ou estados ligados de glúons. Elas deveria ser encontrado 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!
Então fique de olho neste: sem cola = alguma coisa outro está errado com o Modelo Padrão! E é onde estamos agora. Ainda que não há supersimetria nem 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!
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