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Novos estudos sugerem elétron esférico

A medida mais precisa da forma do elétron até o momento questiona a teorias supersimetria

stock.xchng/clafouti
Por Clara Moskowitz

Cientistas são unânimes em dizer que sua atual teoria da física é incompleta. Até agora, porém, todos os esforços para expor uma teoria mais profunda foram decepcionantes. Agora, o teste mais sensível já feito para medir a forma de um elétron – uma propriedade que poderia expor uma “nova física” subjacente – não conseguiu encontrar indícios de nada novo. A descoberta elimina várias ideias, incluindo algumas versões de uma ideia popular chamada de supersimetria.

O resultado vem de uma busca pelo chamado “momento dipolar elétrico” no elétron. Um exemplo comum de um dipolo é um imã, que tem a forma de um halter com um polo sul e um polo norte. A forma esférica corresponde à visão convencional dos elétrons, mas se eles tivessem momentos dipolares, seriam levemente distorcidos. “A pergunta é: será que o elétron tem a mesma aparência independentemente de como você olhar para ele?” explica o físico Jony Hudson do Imperial College London. “O momento dipolar é a maneira que os físicos têm de descrever se ele é simétrico ou não”.

O Modelo Padrão da física de partículas, que descreve todas as partículas conhecidas no Universo, prevê um momento dipolar elétrico praticamente zero para o elétron. Mas teorias que incluem partículas adicionais, que ainda não foram detectadas, preveem um momento dipolar muito maior.

Físicos procuram esse momento dipolar há 50 anos. Agora um grupo chamado de colaboração ACME, liderado por David DeMille da Yale University e por John Doyle e Gerald Gabrielse da Harvard University, conduziu um teste 10 vezes mais sensível que experimentos anteriores, e ainda não encontrou sinais de um momento dipolar elétrico no elétron.

A partícula parece ser esférica até uma magnitude de 10-30  centímetro, de acordo com os resultados da ACME postados no site de preprints arXiv. “Isso foi uma surpresa”, declara Ed Hinds, também do Imperial College London, que trabalhou com Hudson no que até então era o melhor limite conhecido, determinado em 2011. “Por que diabos ainda é zero?”.

Os experimentos estão avaliando a natureza quântica do elétron. De acordo com a mecânica quântica todas as partículas, incluindo o elétron, devem dar origem a uma nuvem de partículas virtuais a seu redor.

Se o Modelo Padrão for tudo que existe, então essas partículas virtuais seriam partículas comuns, do cotidiano. Mas se partículas mais exóticas estiverem por aí, então elas devem aparecer nas nuvens virtuais ao redor de elétrons, fazendo com que as nuvens sejam assimétricas – em outras palavras, provocando um momento dipolar elétrico.

Para procurar essa assimetria, cientistas giram elétrons para testar se são redondos ou oblongos. Enquanto uma bola de bilhar giraria suavemente, um ovo oscilaria. O mesmo vale para um elétron com um momento dipolar elétrico.

Os pesquisadores da ACME observaram elétrons em moléculas de monóxido de tório, que têm uma massa pesada e características especiais que tornariam oscilações mais pronunciadas. “Eles foram muito inteligentes ao escolher essa molécula”, comenta Hudson, que usa outra molécula em seu experimento, chamada de fluoreto de térbio. “Estou com um pouco de inveja – eu queria ter pensado nisso”.

Gerações anteriores de experimentos procuraram o efeito em átomos isolados, o que acabou sendo muito mais difícil. Os cientistas da ACME usaram medidas cuidadosas com espectroscopia de microondas para perceber qualquer oscilação, e se esforçaram para manter seu experimento livre de campos magnéticos ou outros contaminantes que poderiam provocar erros sistemáticos. “É difícil porque existem muitas coisas capazes de imitar esse efeito, e o momento dipolar é muito pequeno”, explica Ben Sauer, outro membro da equipe do Imperial College London.

O novo resultado aplica um golpe significativo a muitas das novas teorias físicas, principalmente à supersimetria, uma ideia em ascensão que sugere que cada partícula conhecida no Universo tem uma partícula gêmea supersimétrica que ainda não foi descoberta. “A supersimetria é muito elegante e de alguma forma parece tão natural que muitas pessoas estavam começando a acreditar que ela estava correta”, comenta Hinds.

Mas, se existirem, todas essas partículas gêmeas devem surgir como fantasmas virtuais na nuvem ao redor dos elétrons, dando-lhes um momento dipolar elétrico mensurável. A falta desse momento até agora põe a supersimetria contra a parede. “Estamos nos aproximando do ponto em que é ‘ou vai ou racha’ para a supersimetria”, observa Hudson.

Apesar de alguns modelos da teoria terem sido descartados pela medida mais recente, modelos mais complexos preveem um pequeno momento dipolar elétrico que poderia estar se escondendo em locais que a física ainda não procurou. “Você pode fazer infinitos modelos da supersimetria”, aponta Eugene Commins, professor emérito de física da University of California, Berkeley, que conduziu a última pesquisa de busca pelo momento dipolar em átomos. “Um bom teórico pode inventar um modelo em meia hora, e um experimentalista precisa de 20 anos para descartá-lo”.

A busca por partículas supersimétricas é um dos principais objetivos do Grande Colisor de Hádrons (LHC), o maior acelerador de partículas do mundo, que choca prótons uns contra os outros quase à velocidade da luz em um túnel no subsolo da Suíça e da França.

O acelerador é grande o suficiente para analisar energias na faixa dos teraeletron-volts (TeV) – exatamente na faixa de energia prevista para partículas supersimétricas.

Até agora o colisor não encontrou sinais de partículas novas, exceto da última peça do Modelo Padrão da Fìsica de Partículas, o Bóson de Higgs. “Se existir uma física nova na faixa que o LHC está investigando, você esperaria que ele também produzisse um momento dipolar substancialmente maior que o limite que temos atualmente”, observa Hinds. “Agora que esse resultado foi publicado, com certeza é muito improvável que exista alguma coisa acontecendo no nível dos TeV”.

Implacáveis, porém, os experimentalistas do elétron continuarão competindo para reduzir cada vez mais o limite do dipolo, esperando que um sinal ainda possa ser encontrado, e físicos estão ansiosamente esperando os resultados da próxima ativação do LHC, em 2014, quando ele voltará a operar com energias ainda mais altas.