Onde está se escondendo a nova física?
Os rastros de partículas emanados de uma colisão de alta energia no LHC em 2014. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Pcharito, sob uma licença c.c.a.-by-s.a.-3.0.
E a ciência de como podemos encontrá-lo.
Este artigo é escrito por Sabine Hossenfelder. Sabine é uma física teórica especializada em gravidade quântica e física de alta energia. Ela também escreve freelance sobre ciência.
A realidade é o que chuta de volta quando você chuta. Isso é exatamente o que os físicos fazem com seus aceleradores de partículas. Nós chutamos a realidade e a sentimos retroceder. A partir da intensidade e duração de milhares desses chutes ao longo de muitos anos, formamos uma teoria coerente da matéria e das forças, chamada de modelo padrão, que atualmente concorda com todas as observações. – Victor Stenger
O ano é 2016, e os físicos estão inquietos. Há quatro anos, o LHC confirmou o bóson de Higgs, a última previsão pendente do Modelo Padrão. As chances eram boas, assim eles pensaram, de que o LHC também descobrisse outras novas partículas – a naturalidade parece exigir isso. Mas, até agora, com todos os dados coletados, suas maiores esperanças parecem ser fantasmas.
O Modelo Padrão e a Relatividade Geral fazem um ótimo trabalho, mas os físicos sabem que não pode ser isso. Ou pelo menos pensam que sabem: as teorias são incompletas, não apenas desagradáveis e se encarando sem falar, mas inadmissivelmente erradas, dando origem a paradoxos sem cura conhecida. Tem que haver mais para encontrar, em algum lugar. Mas onde?
O Modelo Padrão da física de partículas. Deve haver mais na natureza do que isso. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Latham Boyle, sob c.c.a.-by-s.a.-4.0.
Os esconderijos para novos fenômenos estão ficando menores. Mas os físicos ainda não esgotaram suas opções. Aqui estão as áreas mais promissoras onde eles pesquisam atualmente:
1.) Acoplamento Fraco . Colisões de partículas em altas energias, como as alcançadas no LHC, podem produzir todas as partículas existentes até a energia que as partículas colidentes tinham. A quantidade de novas partículas que você produz, no entanto, depende da força pela qual elas se acoplam às partículas que foram levadas à colisão (para o LHC são prótons, ou seus componentes quarks e glúons, respectivamente). Uma partícula que se acopla muito fracamente pode ser produzida tão raramente que poderia ter passado despercebida até agora.
Os físicos propuseram muitas novas partículas que se enquadram nessa categoria porque as coisas que interagem fracamente geralmente se parecem muito com a matéria escura. Mais notavelmente, existem as partículas massivas de interação fraca (WIMPs), neutrinos estéreis (que são neutrinos que não se acoplam aos léptons conhecidos) e axions (propostos para resolver o problema do CP forte e também um candidato à matéria escura).
Limites na seção transversal de recuo de matéria escura/núcleo, incluindo a sensibilidade prevista projetada de XENON1T. Crédito da imagem: Ethan Brown da RPI, via http://ignatz.phys.rpi.edu/site/index.php/the-experiment/ .
Essas partículas estão sendo procuradas tanto por medições de detecção direta – monitorando grandes tanques em minas subterrâneas quanto a interações raras – e procurando processos astrofísicos inexplicáveis que possam gerar um sinal indireto.
2.) Altas Energias . Se as partículas não forem do tipo de interação fraca, já as teríamos notado, a menos que sua massa esteja além da energia que alcançamos até agora com colisores de partículas. Nesta categoria encontramos todas as partículas parceiras supersimétricas, que são muito mais pesadas do que as partículas do modelo padrão porque a supersimetria é quebrada. Também em altas energias poderiam ocultar excitações de partículas que existem em modelos com dimensões extras compactadas. Essas excitações são semelhantes aos harmônicos mais altos de uma corda e aparecem em certos níveis de energia discretos que dependem do tamanho da dimensão extra.
As partículas supersimétricas, próximas às (normais) do Modelo Padrão. Crédito da imagem: DESY em Hamburgo.
Estritamente falando, não é a massa que é relevante para a questão de saber se uma partícula pode ser descoberta, mas a energia necessária para produzir as partículas, o que inclui a energia de ligação. Uma interação como a força nuclear forte, por exemplo, exibe confinamento, o que significa que é preciso muita energia para separar os quarks, mesmo que suas massas não sejam tão grandes. Assim, os quarks podem ter constituintes – muitas vezes chamados de preons – que têm uma interação – apelidada de technicolor – semelhante à força nuclear forte. Os modelos mais óbvios de technicolor, no entanto, entraram em conflito com os dados décadas atrás. A ideia, no entanto, não está totalmente morta e, embora os modelos sobreviventes não sejam particularmente populares atualmente, algumas variantes ainda são viáveis.
Esses fenômenos estão sendo procurados no LHC e também em chuvas de raios cósmicos altamente energéticas.
3.) Alta Precisão . Testes de alta precisão de processos de modelo padrão são complementares às medições de alta energia. Eles podem ser sensíveis aos menores efeitos decorrentes de partículas virtuais com energias muito altas para serem produzidas em colisores, mas ainda contribuindo com energias mais baixas devido a efeitos quânticos. Exemplos para isso são o decaimento do próton, a oscilação nêutron-antinêutron, o múon g-2, o momento de dipolo elétrico do nêutron ou as oscilações de Kaon. Existem experimentos para todos eles, buscando desvios do modelo padrão, e a precisão dessas medidas está aumentando constantemente.
Um diagrama de decaimento beta duplo sem neutrinos. O tempo de decaimento através deste caminho é muito maior do que a idade do Universo. Crédito da imagem: imagem de domínio público por JabberWok2.
Um teste de alta precisão um pouco diferente é a busca pelo decaimento beta duplo sem neutrinos, que demonstraria que os neutrinos são partículas de Majorana, um tipo inteiramente novo de partícula. (Quando se trata de partículas fundamentais, partículas de Majorana foram recentemente produzidas como excitações emergentes em sistemas de matéria condensada.)
4.) Há muito tempo . No início do universo, a matéria era muito mais densa e quente do que podemos esperar alcançar em nossos colisores de partículas. Portanto, as assinaturas que sobraram dessa época podem fornecer uma abundância de novos insights. As flutuações de temperatura no fundo cósmico de microondas (modos B e não gaussianidades) podem ser capazes de testar cenários de inflação ou suas alternativas (como transições de fase de uma fase não geométrica), se nosso universo teve um grande salto em vez de um big bang, e - com algum otimismo - mesmo se a gravidade foi quantizada de volta a eles.
Um Universo com energia escura: o nosso Universo. Crédito da imagem: NASA / WMAP Science Team.
5.) Longe . Algumas assinaturas da nova física aparecem em longas distâncias ao invés de curtas. Uma questão pendente é, por exemplo, qual é a forma do universo? É realmente infinitamente grande ou fecha-se sobre si mesmo? E se isso acontecer, então como ele faz isso? Pode-se estudar essas questões procurando padrões repetidos na flutuação de temperatura da radiação cósmica de fundo (CMB). Se vivemos em um multiverso, pode acontecer ocasionalmente que dois universos colidam, e isso também deixaria um sinal na CMB. Outro fenômeno novo que se tornaria perceptível em longas distâncias é uma quinta força, que levaria a desvios sutis da relatividade geral. Isso pode ter todos os tipos de efeitos, desde violações do princípio da equivalência até a dependência do tempo da energia escura. Portanto, existem experimentos testando o princípio da equivalência e a constância da energia escura com maior precisão.
Um esquema para explicar as polarizações no experimento de borracha quântica de dupla fenda de Kim et al. 2007. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Patrick Edwin Moran sob um c.c.a.-by-s.a. 3.0 licença.
6.) Bem aqui . Nem todos os experimentos são enormes e caros. Embora as descobertas de mesa tenham se tornado cada vez mais improváveis simplesmente porque tentamos tudo o que podia ser feito, ainda existem áreas onde experimentos de laboratório em pequena escala chegam a território desconhecido. Este é o caso principalmente nos fundamentos da mecânica quântica, onde dispositivos em nanoescala, fontes de fótons únicos e detectores e técnicas de controle de ruído cada vez mais sofisticadas permitiram experimentos anteriormente impossíveis. Talvez um dia possamos resolver a disputa sobre a interpretação correta da mecânica quântica simplesmente medindo qual delas está certa.
A física está longe de terminar. Tornou-se mais difícil testar novas teorias fundamentais, mas estamos forçando os limites em muitos experimentos atualmente em execução. Deve haver uma nova física por aí; simplesmente precisamos olhar para energias mais altas, precisões mais altas ou efeitos mais sutis. Se a natureza for gentil conosco, esta década pode finalmente ser aquela que nos verá romper o Modelo Padrão para o romance Universo além.
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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