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Você não deve confiar em experimentos que afirmam a existência de universos paralelos

Uma representação dos diferentes mundos paralelos que podem existir em outros bolsões do multiverso, ou em qualquer outro lugar que os físicos teóricos possam inventar. (DOMÍNIO PÚBLICO)

Só porque você pode projetar um experimento para testar algo não significa que você deve confiar nos resultados.

Existe outro universo lá fora? O Universo que conhecemos e habitamos, aquele que começou no início do Big Bang quente, pode não ser o único lá fora. Talvez um tenha sido criado ao mesmo tempo que o nosso, mas onde o tempo corre para trás em vez de para a frente . Talvez haja um número infinito de Universos paralelos por aí, gerado por um Universo eternamente inflado . Ou, como tem sido na mídia ultimamente, talvez haja literalmente um universo espelho lá fora , onde as partículas que conhecemos são substituídas por uma versão exótica de si mesmas: a matéria do espelho.

A maioria dos cenários envolvendo Universos paralelos como este não são testáveis, pois estamos restritos a viver em nosso próprio Universo, desconectado de quaisquer outros. No entanto, se uma ideia em particular estiver certa, pode haver uma assinatura experimental aguardando nossas investigações . Mas mesmo que produza resultados positivos, você não deve confiar nele. Aqui está o porquê.

A luz que é polarizada de uma maneira particular do brilho remanescente do Big Bang indicaria ondas gravitacionais primordiais… e demonstraria que a gravidade é uma força inerentemente quântica. Mas atribuir erroneamente o sinal de polarização alegado do BICEP2 a ondas gravitacionais em vez de sua verdadeira causa – emissão de poeira galáctica – agora é um exemplo clássico de confundir sinal com ruído. (COLABORAÇÃO BICEP2)

Sempre que você tem um resultado experimental ou observacional que não pode explicar com suas teorias atuais, você deve anotá-lo. Medições robustas que desafiam as expectativas de nossas previsões podem não ser nada – elas podem sair com mais dados aprimorados – ou podem ser simplesmente erros. Este tem sido notoriamente o caso muitas vezes, mesmo recentemente, como com

• a colaboração do BICEP2 alegada detecção de ondas gravitacionais da inflação ,
• a neutrinos mais rápidos que a luz reivindicado do experimento OPERA,
• ou com a colisão de difótons reivindicado como evidência de uma nova partícula há alguns anos no LHC.

Em todos esses casos, houve um erro na maneira como a equipe fez a análise ou atribuiu os componentes do sinal, um erro na configuração experimental ou o efeito observado foi simplesmente uma flutuação estatística aleatória.

Os saltos de difótons ATLAS e CMS de 2015, exibidos juntos, claramente correlacionados a ~750 GeV. Esse resultado sugestivo foi significativo em mais de 3 sigma, mas desapareceu inteiramente com mais dados. Este é um exemplo de flutuação estatística, um dos “arenques vermelhos” da física experimental que pode facilmente enganar os cientistas. (CERN, COLABORAÇÕES CMS/ATLAS; MATT STRASSLER)

Isto acontece. No entanto, às vezes há resultados que realmente parecem ser quebra-cabeças: os experimentos não devem sair do jeito que aconteceram se o Universo funcionar da maneira que pensamos. Esses resultados geralmente são presságios de que estamos prestes a descobrir uma nova física, mas também frequentemente são pistas falsas que não levam a lugar algum. Pior ainda, eles podem se tornar insucessos, onde só parecem ser interessantes porque alguém, em algum lugar, cometeu um erro.

Talvez o momento magnético anômalo do múon nos levará a algum lugar interessante; talvez não. Talvez o resultados estranhos de neutrinos de LSND e MiniBooNe anunciará a chegada de uma nova física; talvez não. Talvez o excesso inexplicável de pósitrons detectado pelo experimento AMS significa que estamos prestes a detectar matéria escura; talvez não.

Esquema do experimento MiniBooNE no Fermilab. Um feixe de prótons acelerados de alta intensidade é focado em um alvo, produzindo píons que decaem predominantemente em múons e neutrinos de múons. O feixe de neutrinos resultante é caracterizado pelo detector MiniBooNE. (APS / ALAN STONEBRAKER)

Em todos esses casos, assim como em muitos outros, é importante acertar tanto o trabalho teórico quanto o experimental. Do ponto de vista teórico, isso significa ter uma forte compreensão quantitativa sobre o sinal esperado que sua nova teoria prevê em comparação com o sinal de fundo que a teoria predominante prevê. Você deve entender quais sinais devem ser gerados por sua nova teoria e aquela que ela está tentando substituir.

De um ponto de vista experimental, isso se traduz em entender seus fundos/ruídos e procurar um excesso de sinal sobreposto a esse fundo. Somente comparando seu sinal observado com o plano de fundo previsto e vendo um excesso claro, você pode esperar ter uma detecção robusta. Foi somente quando a evidência do bóson de Higgs passou de um certo significado que pudemos reivindicar uma detecção definitiva.

A primeira detecção robusta de 5 sigma do bóson de Higgs foi anunciada há alguns anos pelas colaborações CMS e ATLAS. Mas o bóson de Higgs não faz um único “pico” nos dados, mas sim um aumento espalhado, devido à sua incerteza inerente na massa. Sua massa de 125 GeV/c² é um quebra-cabeça para a física teórica, mas os experimentalistas não precisam se preocupar: ela existe, podemos criá-la e agora podemos medir e estudar suas propriedades também. (A COLABORAÇÃO CMS, OBSERVAÇÃO DO DIPHOTON DECAY DO BÓSON DE HIGGS E MEDIÇÃO DE SUAS PROPRIEDADES, (2014))

Podemos estar extremamente certos de que o sinal que o LHC anunciou pela primeira vez em 2012 foi 100% consistente com as previsões do Modelo Padrão com o Bóson de Higgs, pois medições subsequentes confirmaram suas propriedades esperadas com precisão ainda maior do que os resultados iniciais indicavam. Mas há outros sinais que são muito mais ambíguos. Eles podem anunciar uma nova física, mas podem ter explicações muito mais simples e mundanas.

Um exemplo claro é o experimento DAMA/LIBRA , que foi projetado para medir colisões que ocorrem dentro de um detector isolado. Se a matéria escura flui pela galáxia, deve haver um sinal que é amplificado quando nos movemos contra o movimento da matéria escura e diminui quando nos movemos com ela. E eis que, quando executamos esse experimento, vemos um sinal com uma modulação anual consistente.

Há um sinal real e robusto que indica que o que está acontecendo no detector de matéria escura DAMA aumenta para 102% da amplitude do pico e diminui para 98% da amplitude do pico periodicamente, com uma periodicidade de um ano. Se isso é devido à matéria escura ou a qualquer outro sinal é desconhecido, pois este experimento não pode explicar a origem e a magnitude de seu sinal de fundo. (COLABORAÇÃO DAMA, DE EUR.PHYS.J. C56 (2008) 333–355 (TOP) E COLABORAÇÃO DAMA/LIBRA DE EUR.PHYS.J. C67 (2010) 39–49 (BAIXO))

Agora, aqui está a verdadeira questão: essa modulação anual é evidência de matéria escura? Apesar do que os proponentes do experimento afirmam, não podemos afirmar que é assim . A intensidade do sinal que vemos é de magnitude errada para igualar a 100% do sinal proveniente da matéria escura, ou da matéria escura mais um fundo esperado. Outros experimentos independentes desfavorecer a interpretação da matéria escura do sinal do DAMA . Até que entendamos a origem e a composição do fundo – o que não sabemos, no momento – não podemos afirmar que entendemos o sinal observado sobre ele.

Seria interessante, porém, se isso levasse a um modelo de matéria escura que pudesse ser testado por outro experimento independente. Embora isso não tenha se concretizado neste caso, há outra área de investigação que pode ser mais frutífera: o fato de que os nêutrons, quando você os mede de duas maneiras diferentes, viver por diferentes quantidades de tempo .

Os dois tipos (radiativo e não radiativo) de decaimento beta de nêutrons. O decaimento beta, ao contrário do decaimento alfa ou gama, não conserva energia se você não conseguir detectar o neutrino, mas é sempre caracterizado por um nêutron se convertendo em um neutrino de próton, elétron e antielétron, com a possibilidade de irradiar energia em outras formas de conservação de energia e momento (como através de um fóton) também. (ZINA DERETSKY, FUNDAÇÃO NACIONAL DE CIÊNCIAS)

Se você retirar um nêutron do núcleo atômico do qual se originou e deixá-lo viver sua vida como uma partícula livre, ele decairá: com uma vida média de 879 segundos. Mas se você gerar um nêutron usando a física do colisor, gerando um feixe de nêutrons, ele também decairá: com uma vida útil média de 888 segundos. Essa discrepância ainda pode ser um erro experimental, uma flutuação estatística muito improvável ou um problema fundamental com a análise ou componentes atribuídos ao sinal.

Mas não podemos supor que uma dessas explicações – a mais conservadora das explicações, veja bem – deva estar em jogo. É eminentemente possível que este seja um efeito físico real e que seja um prenúncio de uma nova física. Uma das ideias mais intrigantes que poderia explicar isso é a ideia de matéria-espelho : que além do Modelo Padrão de partículas elementares, existem partículas espelhadas, que se acumulam para ter átomos espelhados, planetas, estrelas e muito mais.

As partículas do modelo padrão, com massas (em MeV) no canto superior direito. Os férmions compõem as três colunas da esquerda; os bósons povoam as duas colunas da direita. Se a ideia da matéria-espelho estiver correta, pode haver uma contraparte da matéria-espelho para cada uma dessas partículas. (WIKIMEDIA COMMONS USER MISSMJ, PBS NOVA, FERMILAB, ESCRITÓRIO DE CIÊNCIA, DEPARTAMENTO DE ENERGIA DOS ESTADOS UNIDOS, GRUPO DE DADOS DE PARTÍCULAS)

Isso pode parecer como uma explicação exótica , mas se estiver correto, deve se prestar a assinaturas experimentais. Uma das consequências de um Universo com matéria-espelho é que algumas partículas com as propriedades certas – e o nêutron é uma delas – podem oscilar em seu equivalente de matéria-espelho. Se você tem nêutrons aparecendo aparentemente do nada, ou aparentemente desaparecendo no nada, ou primeiro desaparecendo e depois reaparecendo, isso forneceria evidências experimentais para a ideia de matéria-espelho.

É recentemente acertar as notícias, grande momento , que existem alguns experimentos em andamento para procurar a fusão da ideia de matéria-espelho com a de um universo paralelo. O mais emocionante é liderado por Leah Broussard no Laboratório Nacional de Oak Ridge , onde eles atiram nêutrons em uma barreira que deve bloquear todos eles, então procuram nêutrons do outro lado.

Doutora Leah Broussard no Oak Ridge National Laboratory, onde a busca por nêutrons chegando do outro lado de uma barreira pode indicar a existência de matéria-espelho. (GENEVIEVE MARTIN / OAK RIDGE NATIONAL LABORATORY / US DEPT. OF ENERGY)

De acordo com Broussard, você só encontraria nêutrons do outro lado se eles mudassem para nêutrons-espelho antes de interagir com a barreira e depois voltassem antes de colidirem com o detector. O experimento deve ser simples. Como a própria Broussard diz ,

Tudo se resume a: Somos capazes de fazer brilhar nêutrons através de uma parede?

A resposta, se sua parede for grossa o suficiente, deve ser não. Encontre-os e você descobrirá a existência da matéria-espelho.

Mas essa abordagem pode facilmente entrar em conflito com os problemas experimentais que mencionamos anteriormente. Já aconteceu antes com uma configuração diferente: com células eletroquímicas que buscavam reagir deutério com paládio sob os auspícios da procura de fusão a frio . Muitos nêutrons livres foram detectados, resultando em uma alegação de que a fusão a frio havia sido observada.

Os cientistas Stanley Pons (L) e Martin Fleischmann (R) testemunharam perante o Congresso em 1989 para apresentar seu trabalho controverso sobre fusão a frio. Embora estivessem confiantes de que o que viram era um sinal de fusão real, seus resultados não puderam ser replicados e as investigações subsequentes não conseguiram produzir resultados consistentes. O consenso é que esses cientistas, juntamente com muitos outros eletroquímicos que trabalham no tema, realizaram uma análise quantitativa inadequada. (Diana Walker//The LIFE Images Collection via Getty Images)

Claro, a fusão a frio não foi observada; a equipe havia feito um trabalho insuficiente ao contabilizar seu histórico de forma quantitativa. Se a equipe de Oak Ridge cometer o mesmo erro, é fácil ver onde isso pode levar.

1. Execute o experimento sem nenhum feixe de nêutrons ligado, o que lhe dá seu nível básico de fundo.
2. Execute o experimento com o feixe de nêutrons ligado, o que lhe dá o fundo que você viu antes, mais um sinal.
3. Observe todos os pontos de dados coletados para encontrar uma diferença estatisticamente significativa entre algum aspecto do primeiro experimento e do segundo experimento.
4. Relate qualquer resultado positivo obtido como sinal da existência de matéria-espelho.

Mesmo que possa haver muitas, muitas explicações concebíveis de por que seus resultados experimentais podem não fornecer resultados idênticos para as execuções de dados que têm o feixe desligado versus o feixe ligado.

Quando uma partícula quântica se aproxima de uma barreira, ela interage com mais frequência com ela. Mas há uma probabilidade finita de não apenas refletir sobre a barreira, mas também fazer um túnel através dela. Além do tunelamento, é possível que os nêutrons produzam uma chuva de partículas, produzam múons ou neutrinos que colidirão para produzir nêutrons do outro lado da barreira, ou que decaimentos radioativos aleatórios produzirão nêutrons em seu detector. (YUVALR / WIKIMEDIA COMMONS)

Há grandes perigos à espreita aqui. Quando você está procurando um outlier estatístico em uma ampla gama de energias, espera que 5% de seus pontos de dados apontem para uma flutuação de 2 sigma, 0,3% exibirá uma flutuação de 3 sigma e 0,01% mostrará uma flutuação de 4 - flutuação sigma. Quanto mais granular for sua pesquisa, maior a probabilidade de você ter uma flutuação que você confunde com um sinal.

E isso nem inclui possíveis fontes de contaminação como múons, neutrinos ou partículas secundárias produzidas por colisões de nêutrons ou nêutrons de decaimentos radioativos. Afinal, as buscas por matéria escura via detecção direta mostraram que todas essas fontes são importantes. O objetivo não é apenas obter um sinal – certamente não um sinal de apenas um nêutron – mas obter um sinal que possa ser entendido no fundo do seu ruído.

O efeito esperado do fundo nos detectores LUX, incluindo como a abundância de material radioativo decaiu ao longo do tempo. Os sinais vistos pelo LUX são consistentes apenas com o fundo. À medida que os elementos decaem ao longo do tempo, as abundâncias de reagentes e produtos mudam. (D.S. AKERIB ET AL., ASTROPART.PHYS. 62 (2015) 33, 1403.1299)

Sempre que você recebe um sinal positivo de um experimento, não pode simplesmente aceitar esse sinal pelo valor de face. Os sinais só podem ser entendidos em relação ao ruído de fundo do experimento, que é uma combinação de todos os outros processos físicos que contribuem para o resultado. A menos que você quantifique esse pano de fundo e entenda a fonte de tudo o que seu sinal final é composto, você não pode esperar concluir que descobriu um novo fenômeno na natureza.

A ciência progride um experimento de cada vez, e é sempre o conjunto completo de evidências que deve ser considerado na avaliação de nossas teorias a qualquer momento. Mas não há maior falsa bandeira do que um experimento apontando para um novo sinal extraído contra um pano de fundo mal compreendido. No esforço de empurrar nossas fronteiras científicas, esta é a única área que exige o mais alto nível de escrutínio cético. Matéria-espelho e até mesmo um universo-espelho podem ser reais, mas se você quiser fazer essa afirmação extraordinária, é melhor garantir que sua evidência seja igualmente extraordinária.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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