Por meio século, os físicos vêm tentando construir uma teoria que une todas as quatro forças fundamentais da natureza, descreve as partículas elementares conhecidas e prediz a existência de novas. Até agora, essas tentativas não encontraram confirmação experimental, e o Modelo Padrão – um construto teórico incompleto, mas surpreendentemente eficaz – ainda é a melhor descrição do mundo quântico. Em um recente artigo na Physical Review Letters, Krzysztof Meissner, do Instituto de Física Teórica da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia, e o Prof. Hermann Nicolai, do Instituto Max Planck für Gravitationsphysik, em Potsdam, apresentaram um novo esquema que generaliza o Modelo Padrão que incorpora a gravitação no descrição. O novo modelo aplica uma espécie de simetria não utilizada anteriormente na descrição de partículas elementares.
Na física, as simetrias são entendidas de maneira um pouco diferente do que no sentido coloquial da palavra. Por exemplo, se uma bola cair agora ou daqui a um minuto, ela continuará caindo da mesma maneira. Isso é uma manifestação de uma certa simetria: as leis da física permanecem inalteradas em relação a mudanças no tempo. Da mesma forma, soltar a bola da mesma altura em um local tem o mesmo resultado de soltá-la em outro. Isso significa que as leis da física também são simétricas em relação às operações espaciais.
“As simetrias desempenham um grande papel na física porque estão relacionadas aos princípios de conservação. Por exemplo, o princípio da conservação da energia envolve simetria com relação a mudanças no tempo, o princípio da conservação do momento está relacionado à simetria do deslocamento espacial, e o princípio da conservação do momento angular está relacionado à simetria rotacional “, diz o professor Meissner.
O desenvolvimento de uma teoria supersimétrica para descrever as simetrias entre férmions e bósons começou nos anos 70. Os férmions são partículas elementares cujo spin, uma propriedade quântica relacionada à rotação, é expressa em múltiplos ímpares da fração 1/2, e incluem tanto os quarks quanto os léptons. Entre estes últimos estão os elétrons, múons, tauons e seus neutrinos associados (assim como suas antipartículas). Prótons e nêutrons, partículas comuns não elementares, também são férmions. Bósons, por sua vez, são partículas com valores de spin inteiros. Eles incluem as partículas responsáveis pelas forças (fótons, portadores da força eletromagnética, glúons, carregando a força nuclear forte; bósons W e Z, carregando a força nuclear fraca), assim como o bóson de Higgs.
Saiba mais: o que é supersimetria
“As primeiras teorias supersimétricas tentaram combinar as forças típicas de partículas elementares, em outras palavras, a força eletromagnética com uma simetria conhecida como U (1), a força fraca com simetria SU (2) e a força forte com simetria SU (3) A gravidade ainda estava faltando”, diz o professor Meissner. “A simetria entre os bósons e férmions ainda era global, o que significa o mesmo em todos os pontos no espaço. Logo depois, teorias foram postuladas onde a simetria era local, significando que poderia se manifestar diferentemente em cada ponto no espaço.” necessário para a gravitação ser incluída, e tais teorias ficaram conhecidas como supergravidades”.
Saiba mais: o que é supergravidade?
Físicos notaram que nas teorias de supergravidade em quatro dimensões espaço-temporais, não pode haver mais de oito diferentes rotações supersimétricas. Cada uma dessas teorias tem um conjunto estritamente definido de campos (graus de liberdade) com diferentes rotações (0, 1/2, 1, 3/2 e 2), conhecidas respectivamente como os campos de escalares, férmions, bósons, gravitinos e grávitons. Para supergravidade N=8, que tem o número máximo de rotações, existem 48 férmions (com spin 1/2), que é precisamente o número de graus de liberdade necessários para explicar os seis tipos de quarks e seis tipos de leptons observados. na natureza. Havia, portanto, todas as indicações de que a supergravidade N=8 é excepcional em muitos aspectos. No entanto, não foi ideal.
Um dos problemas em incorporar o Modelo Padrão em supergravidade N=8 foi representado pelas cargas elétricas de quarks e léptons. Todas as acusações se mostraram deslocadas em 1/6 em relação àquelas observadas na natureza: o elétron tinha uma carga de -5/6 ao invés de -1, o neutrino tinha 1/6 ao invés de 0, etc. Esse problema, observado pela primeira vez por Murray Gell-Mann há mais de 30 anos, não foi resolvido até 2015, quando os professores Meissner e Nicolai apresentaram o respectivo mecanismo para modificar a simetria U (1).
“Depois de fazermos este ajuste, obtivemos uma estrutura com as simetrias U (1) e SU (3) conhecidas do Modelo Padrão. A abordagem provou ser muito diferente de todas as outras tentativas de generalizar as simetrias do Modelo Padrão. A motivação foi fortalecido pelo fato de que o acelerador LHC não conseguiu produzir nada além do Modelo Padrão e o conteúdo férmio supergravidade N=8 é compatível com esta observação. O que faltava era adicionar o grupo SU (2), responsável pela força nuclear fraca. Em um recente artigo, os pesquisadores mostraram como isso pode ser feito, o que explicaria por que todas as tentativas anteriores de detectar novas partículas, motivadas por teorias que tratavam a simetria SU como espontaneamente violadas por baixas energias, mas como mantendo-se na faixa de alta energias, tiveram que ser mal sucedidas. O SU (2) é apenas uma aproximação para energias baixas e altas “, explica o Prof. Meissner.
Tanto o mecanismo de reconciliação das cargas elétricas das partículas, quanto a melhoria incorporando a força fraca provaram pertencer a um grupo de simetria conhecido como E10. Ao contrário dos grupos de simetria usados anteriormente nas teorias de unificação, E10 é um grupo infinito, muito pouco estudado, mesmo no sentido puramente matemático. Prof Nicolai com Thibault Damour e Marc Henneaux tinha trabalhado neste grupo antes, porque apareceu como uma simetria em supergravidades N=8 em condições semelhantes às dos primeiros momentos após o Big Bang, quando apenas uma dimensão era significativa: o tempo. “Pela primeira vez, temos um esquema que antecipa precisamente a composição dos férmions no Modelo Padrão – quarks e leptons – e o faz com as cargas elétricas adequadas. Ao mesmo tempo, inclui a gravidade na descrição. É um “A grande surpresa é que a simetria apropriada é o incrivelmente enorme grupo de simetria E10, virtualmente desconhecido matematicamente. Se trabalhos adicionais confirmarem o artigo deste grupo, isso significará uma mudança radical em nosso conhecimento das simetrias da natureza”, diz Meissner.
Embora a dinâmica ainda não seja compreendida, o esquema proposto pelos professores Meissner e Nicolai faz previsões específicas. Mantém o número de férmions 1/2 como no Modelo Padrão, mas por outro lado sugere a existência de novas partículas com propriedades muito incomuns. É importante ressaltar que pelo menos alguns deles podem estar presentes em nosso entorno imediato, e sua detecção deve estar dentro das possibilidades do moderno equipamento de detecção. Mas esse é um tópico para uma história separada.