Poderiam existir partículas fundamentais extremamente massivas, mas elas interfeririam seriamente em nosso entendimento da mecânica quântica.

Crédito da imagem: Illustration by Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova

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Partículas fundamentais são objetos tão pequenos que não possuem uma estrutura interna mais profunda.

Existem cerca de uma dúzia de partículas de “matéria” que os cientistas consideram fundamentais e vêm em uma variedade de tamanhos. Por exemplo, a diferença entre as massas do quark top e do elétron é equivalente à diferença entre as massas de um elefante adulto e de um mosquito.

Ainda assim, todas essas massas são extremamente pequenas em comparação com o que é fisicamente possível. As leis conhecidas da física permitem partículas fundamentais com massas próximas da “massa de Planck”: espantosos 22 microgramas, ou cerca da massa de um cílio humano. Voltando às nossas comparações com as partículas atualmente conhecidas, se o quark top tivesse a mesma massa de um elefante, então uma partícula fundamental na massa de Planck pesaria tanto quanto a lua.

Poderia tal partícula existir? De acordo com Dorota Grabowska, bolsista de teoria do CERN, os cientistas não têm certeza.

“Partículas com massa abaixo da escala de Planck podem ser elementares”, diz Grabowska. “Acima dessa escala, talvez não. Mas não sabemos.”

Cientistas dos aceleradores de partículas como o Large Hadron Collider do CERN estão sempre à procura de partículas maciças não descobertas que possam preencher as lacunas de seus modelos. Encontrar novas partículas é tão importante que a comunidade global da física está discutindo a construção de colisões maiores que poderiam produzir partículas ainda mais massivas. O envolvimento dos EUA no LHC é apoiado pelo Office of Science do Departamento de Energia dos EUA e pela National Science Foundation.

Se os cientistas encontrassem uma partícula fundamental com uma massa acima da escala de Planck, eles precisariam rever como pensam sobre o tamanho das partículas. Para o tipo de pesquisa realizada no LHC, todas as partículas fundamentais são consideradas do mesmo tamanho - nenhum tamanho.

“Quando pensamos sobre matemática pura, as partículas elementares são, por definição, semelhantes a pontos”, diz Grabowska. “Elas não têm tamanho.”

Tratar partículas fundamentais como pontos funciona bem na física de partículas, porque suas massas são tão pequenas que a gravidade que teria um efeito em objetos mais massivos, não é realmente um fator. É como os motoristas de caminhões que planejam uma viagem, não precisam considerar os efeitos da relatividade especial e da dilatação do tempo. Esses efeitos existem, em algum nível, mas não têm um impacto perceptível no tempo de condução.

Mas uma partícula fundamental acima da escala de Planck ficaria no limiar entre dois modelos matemáticos divergentes. A mecânica quântica descreve objetos que são muito pequenos, e a relatividade geral descreve objetos que são muito grandes. Mas para descrever uma partícula que é muito pequena e muito massiva, os cientistas precisam de uma nova teoria chamada gravidade quântica.

Matematicamente, os físicos não podiam mais considerar uma partícula tão massiva como um ponto sem volume. Em vez disso, eles precisariam pensar que ela se comportaria mais como uma onda.

O conceito de dualidade onda-partícula nasceu há cerca de 100 anos e afirma que as partículas subatômicas têm propriedades tanto de partícula quanto de onda. Quando os cientistas pensam em um elétron como uma partícula, eles consideram que ela não tem volume físico. Mas quando eles pensam nisso como uma onda, ela se estende por todo o espaço que é concedido, como a órbita ao redor do núcleo de um átomo. Ambas as interpretações estão corretas e os cientistas geralmente usam aquela que melhor se adapta à sua área de pesquisa.

A relação massa para raio dessas ondas é importante porque determina como elas sentem os efeitos da gravidade. Uma partícula supermassiva com muito espaço para percorrer abertamente sentiria a força da gravidade. Mas se essa mesma partícula fosse confinada a um espaço extremamente pequeno, ela poderia colapsar em um buraco negro em miniatura. Os cientistas do LHC procuraram por esses minúsculos buracos negros, que evaporaria quase imediatamente, mas até agora não encontraram nada, estão de mãos vazias.

De acordo com Grabowska, a gravidade quântica é complicada porque não há como testá-la experimentalmente com a tecnologia existente hoje. “Precisaríamos de um colisor com 14 ordens de magnitude mais energético do que o LHC”, diz ela.

Mas pensar sobre as implicações de encontrar tal partícula ajuda os teóricos a empurrar as leis conhecidas da física.

“Nosso modelo de física de partículas não se aplica quando levado a certas escalas”, diz Netta Engelhardt, teórica da gravidade quântica do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. “Mas isso não significa que nosso universo não tenha esses regimes. Se quisermos entender objetos massivos em escalas minúsculas, precisamos de um modelo de gravidade quântica.”

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Referência:

CHARLEY, Sarah. How big can a fundamental particle be? Simmetry dimensions of particle physics, 17, nov. 2020. Seção: (caso exista). Disponível em: <link do site>. Acesso em: dia, mês e ano.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.