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Alta ansiedade na física de partículas

Indícios de uma nova e inesperada partícula podem ser confirmados dentro de dias — e se forem, o Modelo Padrão pode começar a cair

 

Detector de partículas ATLAS, no Large Hadron Collider, perto de Geneva.
Crédito: CERN via Flickr, sob a licença Creative Commons.

É 15 de dezembro de 2015 e um auditório em Genebra está lotado de físicos. O ar está repleto de tensão e animação porque todos sabem que algo importante está para ser anunciado. O CERN Large Hadron Collider (LHC) recomeçou suas operações recentemente e nas maiores energias já alcançadas em experimentos laboratoriais, e os primeiros resultados de dois enormes e complexos detectores conhecidos como ATLAS e CMS serão apresentados. Esse anúncio foi organizado rapidamente porque os dois detectores captaram algo completamento inesperado. Rumores sobre o que pode ter sido têm circulado por dias, mas ninguém tem certeza sobre o que aconteceu e as especulações estão no nível máximo.

O representante da CMS é o primeiro a subir no palco e dá uma apresentação sem nenhuma surpresa até o final,  quando dois gráficos aparecem mostrando as energias — teórica e real — carregadas por uma enchente de partículas emergindo de colisões frontais entre prótons viajando próximos da velocidade da luz. Se você forçar seus olhos de modo a ficar vesgo, parece haver uma colisão na curva experimental, sugerindo muitos mais eventos em um ponto do que a teoria poderia prever. Poderia ser evidência de uma nova, inesperada partícula -- mas em um nível que é apenas interessante, não definitivo. Já vimos coisas como essa antes, e elas quase sempre vão embora quando você olha com maior cuidado.

Então, Marumi Kado, do ATLAS, sobe no palco com um estranho olhar confiante nos olhos — e quando ele finalmente mostra os resultados na tela, o público entende porquê. O ATLAS parece ter o mesmo sinal de colisão, no mesmo ponto em que o CMS tinha, mas agora é tão proeminente que você não pode não ver. Aquilo realmente parece uma nova partícula e, se for, de repente agora existe uma enorme abertura no coração da física de alta energia.

O sinal é dos mais simples imagináveis: representa dois prótons altamente energizados emergindo do declínio de uma partícula subatômica criada em uma colisão próton-próton. Um sinal muito semelhante levou à descoberta do bóson de Higgs em 2012. Mas essa partícula não é o bóson de Higgs: é seis vezes mais massiva. Ninguém havia previsto nada assim. O achado choca os físicos do auditório. As pessoas se entreolham, encantadas, tentando confirmar suas próprias reações nos rostos de seus colegas. Se as observações forem confirmadas, será revolucionário. Poderia significar nada mais, nada menos que a queda do Modelo Padrão das partículas físicas (MP), que passou em todos os testes experimentais desde que foi montado há quatro décadas.

O MP descreve o que são os blocos de construção do universo e como eles funcionam, e daí, pelo menos em princípio, explica todos os outros fenômenos da natureza. Originalmente, teóricos pensaram que o MP seria uma aproximação de uma teoria mais fundamental que seria rapidamente descoberta. É o que sempre aconteceu no passado. A teoria da gravidade de Newton, por exemplo, não se aplica a corpos extremamente massivos, ou que estão se movendo próximos da velocidade da luz. É suficientemente precisa para que engenheiros possam usá-la para mandar a sonda espacial New Horizons em direção a Plutão e fazer com que ela chegue no lugar certo nove anos depois. A teoria de Relatividade Geral de Einstein, no entanto, é mais fundamental, e se aplica nos extremos que as de Newton não cobrem.

Além disso, há muitas razões para crer que o MP é incompleto. Em particular, o mecanismo que gera a massa das partículas fundamentais sugere que a teoria deve ser modificada em energias maiores. Descobrir essa nova física foi a motivação principal para a construção do LHC, e de outros experimentos depois desse.

Para a surpresa dos teóricos, no entanto, o MP se saiu muito melhor do que era originalmente esperado. Isso foi tanto uma benção quanto uma maldição para a física de partículas durante muitos anos. De um lado, a descoberta do bóson de Higgs foi um sucesso enorme, identificando o último e possivelmente mais importante bloco de construção do MP. Por outro lado, o fato de o Higgs ter a mesma massa e propriedades que todos esperavam gerou um pessimismo generalizado em relação à novas descobertas. A busca por uma teoria mais fundamental pode se arrastar indefinidamente.  

Mas as colisões nos dados do ATLAS e do CMS, que apareceram em uma energia de 750 bilhões de eletrón-volts (GeV), mudariam completamente essa situação do dia para a noite, tornando praticamente certo que mais descobertas serão feitas nos anos por vir. Se a sugestão da nova partícula for real, o sucesso do MP de repente terá acabado.

A importância desse resultado é clara para todos que trabalham no campo, e imediatamente desencadeou uma enorme quantidade de trabalho sobre as possíveis implicações. Nenhum dos modelos mais fundamentais que existem atualmente como possíveis substitutos para o MP podem explicar a colisão. Se o MP caiu, não é provavelmente por nenhuma das razões que nós esperávamos. Se a nova partícula é real, não é nada claro qual é seu papel no esquema maior de coisas. Talvez esteja relacionada indiretamente com o bóson de Higgs de alguma maneira, ou talvez esteja conectada com o quebra-cabeças da matéria escura no universo. Ou talvez ela só esteja lá. Certamente, essas são questões que os cientistas terão de responder no futuro e mais dados ajudarão a entender o que se encontra a nossa frente.

Essa é, de longe, a coisa mais animadora que aconteceu na física de partículas nos últimos trinta anos. Se essa sugestão de nova física for confirmada — algo que pode acontecer em apenas algumas semanas, ou mesmo dias -- é difícil de declarar a importância de uma descoberta assim. Seria maior do que a detecção do bóson de Higgs, que foi apenas uma confirmação de algo que já sabíamos.

Se a colisão for real, nós estamos prestes a começar a escrever um capítulo totalmente novo na história da física fundamental. É impossível imaginar onde isso pode levar.

Mas nós podemos saber a resposta muito, muito em breve.

 

Michele Redi

As visões expressadas aqui são do autor ou autora e não necessariamente da Scientific American.