Os físicos sabem muito sobre as propriedades mais fundamentais do universo, mas certamente não sabem tudo. 2021 foi um grande ano para a física, o que foi aprendido e o que vem a seguir?

Experimentos no Large Hadron Collider na Europa, como o calorímetro ATLAS visto aqui, estão fornecendo medições mais precisas de partículas fundamentais. Crédito da imagem: Maximilien Brice, CERN

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Se você pedir a um físico como eu para explicar como o mundo funciona, minha resposta preguiçosa pode ser: "Siga o modelo padrão."

O modelo padrão explica a física fundamental de como o universo funciona. Ele sofreu mais de 50 viagens ao redor do Sol, apesar dos físicos experimentais constantemente sondando por fissuras nas fundações do modelo.

Com poucas exceções, ele resistiu a esse escrutínio, passando por testes experimentais após testes experimentais com louvor. Mas esse modelo extremamente bem-sucedido tem lacunas conceituais que sugerem que há um pouco mais a ser aprendido sobre como o universo funciona.

Eu sou um físico de neutrinos. Os neutrinos representam três das 17 partículas fundamentais no modelo padrão. Eles passam por todas as pessoas da Terra em todos os momentos do dia. Eu estudo as propriedades das interações entre neutrinos e partículas de matéria normal.

Em 2021, físicos de todo o mundo realizaram vários experimentos que investigaram o Modelo Padrão. As equipes mediram os parâmetros básicos do modelo com mais precisão do que nunca. Outros investigaram as periferias do conhecimento onde as melhores medições experimentais não correspondem às previsões feitas pelo Modelo Padrão. E, finalmente, os grupos criaram tecnologias mais poderosas, projetadas para levar o modelo aos seus limites e potencialmente descobrir novas partículas e campos. Se esses esforços derem certo, eles podem levar a uma teoria mais completa do universo no futuro.

O modelo padrão da física permite que os cientistas façam previsões incrivelmente precisas sobre como o mundo funciona, mas não explica tudo. Crédito da imagem: CERN, CC BY-NC

Preenchendo furos no modelo padrão

Em 1897, JJ Thomson descobriu a primeira partícula fundamental, o elétron, usando nada mais do que tubos de vácuo de vidro e fios. Mais de 100 anos depois, os físicos ainda estão descobrindo novas peças do Modelo Padrão.

O Modelo Padrão é uma estrutura preditiva que faz duas coisas. Primeiro, ele explica o que são as partículas básicas da matéria. São coisas como elétrons e quarks que constituem os prótons e nêutrons. Em segundo lugar, ele prevê como essas partículas de matéria interagem umas com as outras usando "partículas mensageiras". Elas são chamadas de bósons, elas incluem os fótons e o famoso bóson de Higgs, e comunicam as forças básicas da natureza. O bóson de Higgs não foi descoberto até 2012, após décadas de trabalho no CERN, o grande colisor de partículas da Europa.

O Modelo Padrão é incrivelmente bom em prever muitos aspectos de como o mundo funciona, porém, possui algumas lacunas.

Notavelmente, não inclui nenhuma descrição da gravidade. Embora a teoria da relatividade geral de Einstein descreva como a gravidade funciona, os físicos ainda não descobriram uma partícula que transmita a força da gravidade. Uma “Teoria de Tudo” apropriada faria tudo o que o Modelo Padrão pode, mas também incluiria as partículas mensageiras que fornecem informações de como a gravidade interage com outras partículas.

Outra coisa que o Modelo Padrão não pode fazer é explicar por que qualquer partícula tem uma certa massa, os físicos devem medir a massa das partículas diretamente usando experimentos. Somente depois que os experimentos fornecerem aos físicos essas massas exatas, elas poderão ser usadas para previsões. Quanto melhores forem as medições, melhores serão as previsões que podem ser feitas.

Recentemente, físicos de uma equipe do CERN mediram a intensidade com que o bóson de Higgs se comporta. Outra equipe do CERN também mediu a massa do bóson de Higgs com precisão única. E, por fim, também houve progresso na medição da massa dos neutrinos. Os físicos sabem que os neutrinos têm massa maior do que zero, mas menos do que a quantidade detectável atualmente. Uma equipe na Alemanha continuou a refinar as técnicas que poderiam permitir a medição direta da massa dos neutrinos.

Projetos como o experimento Muon g-2 destacam discrepâncias entre medições experimentais e previsões do Modelo Padrão que apontam para problemas em algum lugar da física. Crédito da imagem: Reidar Hahn/WikimediaCommons, CC BY-SA

Dicas de novas forças ou partículas

Em abril de 2021, membros do experimento Muon g-2 no Fermilab anunciaram sua primeira medição do momento magnético do múon. O múon é uma das partículas fundamentais do modelo padrão, e essa medição de uma de suas propriedades é a mais precisa até hoje. A razão pela qual esse experimento foi importante foi porque a medição não combinou perfeitamente com a previsão do modelo padrão do momento magnético. Basicamente, os múons não se comportam como deveriam. Essa descoberta pode apontar para partículas não descobertas que interagem com múons.

Mas simultaneamente, em abril de 2021, o físico Zoltan Fodor e seus colegas mostraram como eles usaram um método matemático chamado Lattice QCD para calcular com precisão o momento magnético do múon. Sua previsão teórica é diferente das previsões antigas, ainda funciona dentro do Modelo Padrão e, o que é mais importante, corresponde às medições experimentais do múon.

A discordância entre as previsões previamente aceitas, este novo resultado e a nova previsão deve ser reconciliada antes que os físicos saibam se o resultado experimental está realmente além do Modelo Padrão.

Novas ferramentas ajudarão os físicos a pesquisarem matéria escura e outras coisas que podem ajudar a explicar os mistérios do universo. Crédito da imagem: Mark Garlick/Science Photo Library via Getty Images

Atualizando as ferramentas da física

Os físicos devem oscilar entre a criação de ideias alucinantes sobre a realidade que constituem as teorias e o avanço das tecnologias, até o ponto em que novos experimentos possam testar essas teorias. 2021 foi um grande ano para o avanço das ferramentas experimentais da física.

Primeiro, o maior acelerador de partículas do mundo, o Large Hadron Collider do CERN, foi desligado e passou por algumas atualizações substanciais. Os físicos acabaram de reiniciar as instalações em outubro e planejam iniciar a próxima coleta de dados em maio de 2022. As atualizações aumentaram a potência do colisor para que ele possa produzir colisões a 14 TeV, acima do limite anterior que era de 13 TeV. Isso significa que os lotes de minúsculos prótons que viajam em feixes ao redor do acelerador circular juntos, carregam a mesma quantidade de energia que um trem de passageiros de 800.000 libras (360.000 quilogramas) viajando a 160 km/h. Com essas energias incríveis, os físicos podem descobrir novas partículas que eram muito pesadas para serem vistas em energias mais baixas.

Outros avanços tecnológicos foram feitos para ajudar na busca pela matéria escura. Muitos astrofísicos acreditam que as partículas de matéria escura, que atualmente não se enquadram no modelo padrão, poderiam responder a algumas questões pendentes sobre a forma como a gravidade se curva em torno das estrelas, chamadas de lentes gravitacionais, bem como a velocidade com que as estrelas giram em galáxias espirais. Projetos como o Cryogenic Dark Matter Search ainda não encontraram partículas de matéria escura, mas as equipes estão desenvolvendo detectores maiores e mais sensíveis para serem implantados em um futuro próximo.

Particularmente relevante para o meu trabalho com neutrinos é o desenvolvimento de imensos novos detectores como Hyper-Kamiokande e DUNE. Usando esses detectores, os cientistas serão capazes de responder a perguntas sobre uma assimetria fundamental em como os neutrinos oscilam. Eles também serão usados para observar o decaimento do próton, um fenômeno proposto que certas teorias preveem que deve ocorrer.

2021 destacou algumas das maneiras como o Modelo Padrão falha em explicar todos os mistérios do universo. Mas novas medições e novas tecnologias estão ajudando os físicos a avançar na busca pela Teoria de Tudo.

Este artigo foi republicado em The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

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Referência:

MCGOWAN, Aaron. What lies beyond the Standard Model? Astronomy, 28, dez. 2021. Disponível em: <https://astronomy.com/news/2021/12/what-lies-beyond-the-standard-model>. Acesso em: 28, dez. 2021.

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.