Partículas que não deveriam existir podem indicar força desconhecida do universo
Durante décadas, os físicos buscaram sinais de partículas com comportamentos não tradicionais – evidência de rachaduras sutis no “Modelo Padrão” da física de partículas, a teoria dominante que descreve os blocos de construção mais fundamentais do nosso universo. Embora o Modelo Padrão se tenha revelado bastante preciso, cientistas sabem que alguns ajustes serão necessários. Agora, segundo um documento revisto entre os arquivos da Nature, os experimentadores começaram a observar partículas que violaram a teoria – mas não são exatamente as mesmas violações que os teóricos procuravam.
A evidência vem de elétrons e seus “primos” mais massivos, os muons e tau leptons. De acordo com o Modelo Padrão, essas três partículas devem comportar-se como tamanhos distintos, mas, de outra forma, triangulos idênticos. Mas três experiências produziram evidências crescentes – incluindo os resultados anunciados nos últimos meses – de que as partículas reagem de forma diferente a alguma influência ainda misteriosa. As descobertas ainda não são conclusivas, mas se elas se provassem reais, “seria uma revolução completa”, diz Markist Wise, do Instituto de Tecnologia da Califórnia.
Revoluções científicas
Uma “sacudida” no Modelo Padrão causaria um enorme estrondo na ciência. Essa teoria formou a base da pesquisa de física de partículas, uma vez que foi desenvolvida no final do século XX. Ela esculpe o universo dentro de doze partículas elementares que compõem toda a matéria, além de partículas de “força-transportadora” que transmitem as forças fundamentais da natureza (por exemplo, as partículas exercem forças elétricas ou magnéticas a partir da troca de fótons transitórios). Apesar de seus sucessos, no entanto, o Modelo Padrão não prevê nada que explique a gravidade ou o pensamento da matéria escura que habita o espaço inabitado e invisível. Para casar a física das partículas com essas observações de maior escala, os teóricos propuseram toda uma “física nova” – materiais ou forças que vão além do Modelo Padrão. Mas a maioria dos experimentos sustentou teimosamente essa teoria com uma fidelidade impressionante, não encontrando evidências das partículas ou forças hipotéticas.
Desde 2012, porém, os sinais de mau comportamento das partículas começaram a surgir no canto menos explorado do Modelo Padrão: uma amostra chamada de “universalidade lepton”. Aqui, “lepton” refere-se à classe de partículas, incluindo elétrons, muons e taus. O Modelo Padrão prevê que essas três espécies devem se comunicar entre si e com outras partículas exatamente da mesma maneira, exceto pelas diferenças atribuíveis às suas massas únicas – um comportamento comum que explica o segundo termo na universalidade dos leptons.
História da pesquisa
A primeira surpresa quanto ao lepton apareceu em resultados anunciados em 2012 no experimento BaBar, do SLAC National Accelerator Laboratory em Menlo Park, Califórnia. O acelerador de partículas de BaBar reuniu elétrons e seus equivalentes de antimatéria, conhecidos como positrons. As colisões produziram muitas partículas compostas que eram densas, mas instáveis: atuavam como átomos de urânio absurdamente radioativos, durando apenas frações de um nanosegundo antes de se enfraquecer entre partículas cada vez menores. Os produtos finais foram despejadas sobre os detectores do acelerador, permitindo que os cientistas reconstruissem a cadeia de decadências das partículas. Se o Modelo Padrão estiver certo, dois dos tipos de decomposição examinados pela equipe BaBar devem produzir taus apenas 25 a 30% tão frequentes quanto os elétrons, que são mais leves e, portanto, mais fáceis de serem produzidos. Mas não é isso que a equipe viu. Os taus se mostraram muito mais comuns do que deveriam ter sido, sugerindo outra diferença entre taus e elétrons, para além de suas massas.
Esses resultados eram apenas o começo. Dois outros experimentos – o LHCb, do Large Hadron Collider, na Suíça, e o experimento Belle, da High Energy Accelerator Research Organization, no Japão, estudaram as mesmas decadências e publicaram resultados semelhantes em 2015. Belle, como BaBar, colide elétrons e positrons. Mas LHCb colide prótons com outros prótons em energias muito mais altas e utiliza diferentes métodos para detectar os resultados. Essas diferenças tornam mais difícil descartar as conclusões como erros experimentais, reforçando a perspectiva de que a anomalia possa ser real.
Além disso, o LHCb também encontrou sinais de violação de universalidade do lepton em outro tipo de decomposição produtiva e, há vários meses, anunciou possíveis desvios ainda com um quarto tipo de enfraquecimento. Apenas no mês passado, relatou uma disparidade semelhante entre elétrons e muons (em vez de taus) em uma deterioração relacionada. Todas essas linhas convergentes de evidências trazem a ideia cada vez mais convincente de que algo, aí, é sistematicamente suspeito. “Se [os desvios] acabarem por ser reais”, diz o porta-voz da BaBar e o professor da Universidade de Victoria, Michael Roney, “seria estranho se não estivessem relacionados”.
Se os vários leptons realmente se comportam de forma diferente, a única explicação seria alguma força anteriormente não reconhecida. Sob o Modelo Padrão, as partículas maiores se decompõem em leptons (e outros produtos) através da “força fraca”, a mesma força que causa o enfraquecimento radioativo. Mas a força fraca trata igualmente todos os leptons. Se saírem mais taus do que a força fraca deveria produzir, então alguma força desconhecida, associada a uma partícula de força-transportadora não descoberta, pode estar quebrando as partículas maiores de uma maneira que favorece os taus. Encontrar essa força seria tão fundamental quanto a descoberta do eletromagnetismo, embora com muito menos efeito em nossas vidas diárias. “Realmente isso constitui, com pouco exagero, uma revolução na física”, diz Hassan Jawahery, da Universidade de Maryland, em College Park, físico e membro da colaboração LHCb.
Dificuldades no futuro
Como as implicações seriam muito dramáticas, os físicos exigirão evidências esmagadoras – um fardo que os experimentadores já conhecem muito bem. Greg Ciezarek, autor principal da revista Nature e pesquisador de pós-doutorado no Nikhef National Institute for Subatomic Physics, em Amsterdam, diz que as violações de universidade do leptom “estariam no território de reivindicações extraordinárias”, o que, como diz o ditado, exige evidências extraordinárias. Roney resume o ceticismo: “Ninguém aposta contra o Modelo Padrão”.
A evidência, até o momento, não é insubstancial. Combinando todos os dados, a probabilidade de os desvios tau / elétron serem apenas fluxos estatísticos agora é de cerca de um em cada 10.000. Para qualquer questionamento diário, isso seria mais do que suficiente. Mas os físicos de partículas são um grupo cético; a comunidade não considerará uma descoberta confirmada até que haja apenas uma oportunidade a cada 3,5 milhões de falso alarme. Como alguns cientistas “cronologicamente mais avançados” podem atestar, eles já foram desconsiderados antes, diz Zoltan Ligeti, professor de física teórica no Lawrence Berkeley National Laboratory. “Nós vimos flutuações semelhantes no passado, que vieram e se foram”.
A evidência é ainda mais difícil de engolir pelo fato de que a universalidade do lepton, segundo as expectativas dos teóricos, pode mostrar onde estão as falhas no Modelo Padrão. “Há uma espécie de linha de história que os teóricos contam”, diz Wise, e “isso não está nessa linha da história”. O que é pior, as explicações propostas para o comportamento dos leptons parecem insatisfatórias. “O tipo de modelos que podem se encaixar às anomalias realmente não fazem mais nada à primeira vista”, diz Ligeti. “Por exemplo, eles não te mostram muitas coisas sobre a compreensão de o que a matéria escura pode ser”.
Ainda assim, ele acrescenta: “a natureza nos diz como a natureza é”. Os físicos estão, cada vez mais, tomando nota da persistência continuada das violações e propõem novas explicações teóricas. Cientistas também procuram reduzir as incertezas das medidas existentes. Em última análise, as maiores revelações virão quando o LHCb e a próxima versão do Belle produzirem mais dados. Os físicos estão otimistas de que, dentro de cerca de cinco anos, não só saberemos se o efeito é real: teremos uma explicação para isso. “Se houver uma nova partícula [força-transportadora]”, diz Svjetlana Fajfer, teórico da Universidade de Ljubljana na Eslovênia, “[deve] haver uma massa ao alcance do LHC”, o que significa que o colisor deve ser capaz de produzir e identificar tal partícula. Para alguns teóricos, esse caráter de testabilidade é um grande atrativo. “Isso torna realmente emocionante, porque se eu fizer algo, pode ser provado certo ou errado”, diz Ligeti. “De uma forma ou de outra, o caso será esclarecido”. [ScientificAmerican]
