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Físicos abandonam a Supersimetria

O Grande Colisor de Hádrons não foi capaz de detectar partículas previstas pela teoria  

Natalie Wolchover e Simons Science News
Cern
TÚNEL DO LHC: Nenhuma pista da “nova física” além das previsões do Modelo Padrão apareceu em experimentos do Grande Colisor de Hádrons, um túnel circular de 27km no Laboratório CERN, na Suíça, que esmaga prótons a altas energias.
Quando ainda era um jovem teórico em Moscou, em 1982, Mikhail Shifman ficou encantado com uma elegante nova teoria chamada de supersimetria, que tentava incorporar as partículas elementares conhecidas a um inventário mais completo do Universo.

“Meus artigos daquela época realmente irradiam entusiasmo”, brincou Shifman, agora um professor de 63 anos da University of Minnesota. No passar das décadas, ele e milhares de outros físicos desenvolveram a hipótese da supersimetria, confiantes que experimentos iriam confirmá-la. “Mas parece que a natureza não quer a teoria”, lamentou ele. “Pelo menos não na forma simples original”

Com o maior supercolisor do mundo incapaz de encontrar qualquer uma das partículas que a teoria diz que devem existir, Shifman está se juntando a um coro cada vez maior de pesquisadores que instam seus colegas a mudarem de rumo.

Em um ensaio publicado no mês passado no website de física arXiv.org, Shifman pediu a seus colegas que abandonassem o caminho de “desenvolver modificações artificiais, barrocas, e sem apelo estético” para a supersimetria conseguir contornar o fato de que versões mais diretas da teoria falharam nos testes experimentais. Chegou a hora, escreveu ele, de “começar a pensar e a desenvolver novas ideias”.

Mas há pouco para aproveitar. Até agora, nenhuma dica da “nova física” além do Modelo Padrão – o conjunto aceito de equações que descrevem as partículas elementares conhecidas – apareceu nos experimentos do Grande Colisor de Hádrons, operado pelo laboratório europeu de pesquisa CERN, perto de Genebra, ou em qualquer outro lugar. (O bóson de Higgs recém-descoberto foi previsto pelo Modelo Padrão.) A última rodada de experimentos que esmagam prótons, apresentada em novembro na conferência Hadron Collider Physics, em Kyoto, no Japão, eliminou outra grande classe de modelos da supersimetria, além de outra teoria da “nova física”, quando não encontrou nada inesperado nas taxas de vários decaimentos de partículas.

“É claro que isso é decepcionante”, admitiu Shifman. “Não somos deuses. Não somos profetas. Sem a orientação de dados experimentais, como podemos adivinhar alguma coisa sobre a natureza?”.

Jovens físicos de partículas agora enfrentam uma escolha difícil: seguir a trilha que seus mentores percorreram durante décadas, adotando versões cada vez mais modificadas da supersimetria, ou saírem por conta própria, sem a orientação de nenhum dado novo.

“É uma questão difícil, que a maioria de nós ainda está tentando evitar”, declarou Adam Falkowski, físico teórico de partículas da University of Paris-South em Orsay, na França, que atualmente trabalha no CERN. Em um post sobre os resultados experimentais recentes, Falkowski brincou que já estava na hora de começar a procurar emprego em neurociência.

“Não tem como chamar isso de encorajador”, desabafou Stephen Martin, físico de partículas e altas energias da Northern Illinois University, que trabalha na supersimetria ou, para abreviar, SUSY. “Eu certamente não sou alguém que acredita que a SUSY tenha que estar certa; eu só não consigo pensar em nada melhor”.

A supersimetria dominou os cenários físicos durante décadas, à exceção de umas poucas teorias alternativas da física além do Modelo Padrão. 

“É difícil exagerar o quanto os físicos de partículas dos últimos 20 ou 30 anos investiram na SUSY como hipótese. Então a falha da ideia terá grandes implicações para o campo”, observou Peter Woit, teórico de partículas e matemático da Columbia University.

A teoria é encantadora por três razões principais: ela prevê a existência de partículas que poderia constituir a “matéria escura”, uma substância invisível que permeia os arredores de galáxias. Ela unifica três das forças fundamentais em altas energias. E – de longe a maior motivação para estudar a supersimetria – ela resolve um enigma da física conhecido como problema da hierarquia.

O problema surge da disparidade entre a gravidade e a força nuclear fraca, que é cerca de 100 milhões de trilhões de trilhões (10³²) de vezes mais forte, e age em escalas muito menores para mediar interações dentro de núcleos atômicos. As partículas que carregam a força fraca, chamadas de bósons W e Z, derivam suas massas do campo de Higgs, um campo de energia que satura todo o espaço. Mas não está claro porquê a energia do campo de Higgs, e portanto as massas dos bósons W e Z, não é muito maior. Como outras partículas ficam entrelaçadas com o campo de Higgs, suas energias deveriam vazar para ele durante eventos conhecidos como flutuações quânticas. Isso deveria elevar rapidamente a energia do campo de Higgs, tornando os bósons W e Z muito mais massivos e deixando a força nuclear fraca tão fraca quanto a gravidade.

A supersimetria resolve o problema da hierarquia ao teorizar a existência de uma “superparceira” gêmea para cada partícula elementar. De acordo com a teoria, os férmions, que constituem a matéria, têm superparceiras que são bósons, que transmitem forças, e os bósons existentes têm superparceiros férmions. Como as partículas e suas superparceiras são de tipos opostos, suas contribuições energéticas para o campo de Higgs têm sinais opostos: uma eleva sua energia, a outra a reduz. As contribuições dos pares se cancelam, sem nenhum resultado catastrófico para o campo de Higgs. Como bônus, uma das superparceiras não descobertas poderia constituir a matéria escura.

“A supersimetria é uma estrutura tão linda... E na física nós permitimos que esse tipo de beleza e qualidade estética nos guie para onde achamos que a verdade pode estar”, poetizou Brian Greene, físico teórico da Columbia University.

Com o passar do tempo, conforme as superparceiras falharam em se materializar, a supersimetria ficou menos linda. De acordo com modelos populares, para evitar a detecção, as superpartículas teriam que ser muito mais pesadas que suas gêmeas, substituindo uma simetria exata com algo parecido com um espelho de carnaval. Físicos ofereceram uma vasta quantidade de ideias para como a simetria pode ter sido quebrada, produzindo uma miríade de versões da supersimetria.

Mas a quebra da supersimetria pode oferecer um novo problema. “Quanto mais pesadas se tornam algumas das superparceiras em comparação com as partículas existentes, mais os efeitos de cancelamento deixam de funcionar”, explicou Martin.

A maioria dos físicos de partículas da década de 1980 achou que detectaria superparceiros que seriam apenas levemente mais pesados que as partículas conhecidas. Mas o Tevatron, o acelerador de partículas aposentado do Fermilab em Batavia, no estado de Illinois, não encontrou evidências disso. Conforme o Grande Colisor de Hádrons investiga energias cada vez mais altas sem qualquer sinal de partículas supersimétricas, alguns físicos estão dizendo que teoria está morta. “Eu acho que o LHC foi o último suspiro”, lamentou Woit. 

Atualmente, a maioria das versões viáveis restantes da supersimetria prevê superparceiros tão pesados que acabariam subjugando os efeitos de seus gêmeos muito mais leves, não fosse por cancelamentos finamente ajustados entre os vários superparceiros. Mas introduzir ajustes finos para poder reduzir os danos e resolver o problema da hierarquia deixa alguns físicos desconfortáveis. “Talvez isso mostre que devemos dar um passo atrás e começar a pensar novamente sobre os problemas para os quais a fenomenologia baseada na SUSY foi introduzida”, apontou Shifman.

Mas alguns teóricos estão seguindo adiante, argumentando que, em contraste com a beleza da teoria original, a natureza poderia ser simplesmente uma feia combinação de superpartículas com uma pitada de sintonia fina. “Eu acho que concentrar-se em versões populares da supersimetria é um erro”, declarou Matt Strassler, físico de partículas da Rutgers University. “Concursos de popularidade não são medidas confiáveis da verdade”.

Em alguns dos modelos menos populares da supersimetria, as supercompanheiras mais leves não são as que os experimentos do Grande Colisor de Hádrons procuraram. Em outros, as superparceiras não são mais pesadas que as partículas existentes, mas simplesmente menos estáveis, o que as torna mais difíceis de detectar. Essas teorias continuarão a ser testadas no Grande Colisor de Hádrons depois de ele ser aprimorado para funcionar a todo vapor, em aproximadamente dois anos.

Se não surgir nada novo – um resultado casualmente chamado de “cenário dos pesadelos” – os físicos serão deixados com os mesmos buracos que permeavam a imagem do Universo há três décadas, antes de a supersimetria preenchê-los lindamente. E, sem um colisor de energias ainda mais altas para testar ideias alternativas, observa Falkowski, o campo entrará em lento declínio: “O número de empregos da física de partículas diminuirá constantemente, e os físicos de partículas desaparecerão naturalmente”. 

Greene oferece uma visão mais alegre. “A ciência é uma jornada maravilhosamente autocorretora”, lembrou ele. “As ideias erradas são eliminadas com o tempo porque não dão frutos, ou porque estão nos levando a becos sem saída. Isso acontece de uma maneira maravilhosamente interna. As pessoas continuam a trabalhar no que acham fascinante, e a ciência caminha em direção à verdade”.

De Simons Science News (a história original está aqui: https://simonsfoundation.org/features/science-news/mathematics-and-physical-science/as-supersymmetry-fails-tests-physicists-seek-new-ideas/); republicado com permissão.
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