Uma nova teoria para explicar a massa do Bóson de Higgs

Três físicos da região da Baía de San Francisco, ano passado, descobriram uma nova solução para um mistério que tem sitiado seu campo de estudo por mais de 30 anos. Este quebra-cabeça profundo, que tem impulsionado experiências em aceleradores de partículas cada vez mais poderosos e que deu origem à hipótese de multiverso controverso, eleva-se a algo que uma aluna da quarta série brilhante pode questionar: Como pode um ímã levantar um clipe de papel contra a atração gravitacional do planeta inteiro?
Apesar de sua influência sobre o movimento de estrelas e galáxias, a força da gravidade é centenas de milhões de trilhões de trilhões de vezes mais fraca do que o magnetismo e as outras forças microscópicas da natureza. Esta disparidade mostra-se em equações da física quão absurda e semelhante é isso diantea massa do bóson de Higgs, uma partícula descoberta em 2012 que controla as massas e as forças associadas com as outras partículas conhecidas, e a faixa de massa esperada e estado da matéria gravitacional ainda não descoberto.
Na ausência de evidências no Large Hadron Collider da Europa (LHC), apoiar qualquer uma das teorias propostas anteriormente para explicar essa hierarquia de massa absurda - incluindo a e sedutoramente elegante "supersimetria" - muitos físicos têm duvidado da própria lógica das leis da natureza. Cada vez mais, eles temem que o nosso universo pode ser apenas um acaso, uma permutação bastante bizarra entre incontáveis outros universos possíveis - um beco sem saída eficaz na busca de uma teoria coerente da natureza .
Este mês, o LHC lançou a sua segunda corrida ansiosamente aguardada que quase dobrou sua energia operacional anterior, continuando sua busca de partículas novas ou fenômenos que iriam resolver o problema da hierarquia. Mas a possibilidade muito real de que não há novas partículas trouxe de volta aos físicos teóricos um "cenário de pesadelo."
"São nos momentos de crise que se desenvolvem novas idéias", disse Gian Giudice, um físico teórico das partículas no laboratório CERN, perto de Genebra, que abriga o LHC.
A nova proposta oferece um possível caminho a seguir segundo o trio "super animados": David Kaplan , de 46 anos, um físico de partículas teórico da Universidade Johns Hopkins em Baltimore, Md., que desenvolveu o modelo durante um ano na costa oeste com Peter Graham, de 35, da Universidade de Stanford e Surjeet Rajendran, de 32, da Universidade da Califórnia, em Berkeley.

A solução deles traça a hierarquia entre gravidade e as demais forças fundamentais que retornam para o nascimento explosivo do cosmos, quando, segundo seu modelo sugere, duas variáveis que foram evoluindo em conjunto em um impasse repentino. Naquele instante, uma partícula hipotética chamada de "axion" bloqueou o bóson de Higgs em sua massa atual, muito abaixo da escala de gravidade. O axion tem aparecido nas equações teóricas desde 1977 e é considerado susceptível a existência. No entanto, ninguém, até agora, notou que axions podem ser o que o trio chama de "relaxações" e podem resolver também o problema da hierarquia do o valor (relaxante) da massa de Higgs.

"É uma ideia muito, muito inteligente", disse Raman Sundrum , um físico de partículas na Universidade de Maryland em College Park, que não estava envolvido na pesquisa. "Possivelmente isso dará alguma ideia da a maneira como o mundo funciona."

Nas semanas desde que o artigo do trio de físico foi publicado on-line, abriu-se "um novo playground" preenchido com pesquisadores ansiosos para rever as suas fraquezas e tomar sua premissa básica em direções diferentes, disse Nathaniel Craig , um físico teórico da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara.

"Isso parece ser uma possibilidade muito simples", disse Rajendran. "Nós não estamos de pé sobre as nossas cabeças para fazer algo louco aqui.

No entanto, como vários especialistas observaram, em sua forma atual a ideia tem deficiências que precisam ser cuidadosamente consideradas. E mesmo se ela sobreviver a este escrutínio, pode demorar mais de uma década para testá-la experimentalmente. Por enquanto, dizem os especialistas, a relaxação está abalando visualizações e encorajando alguns físicos a verem o problema da hierarquia sob uma nova luz. A lição, disse Michael Dine, um físico da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, e um veterano do problema hierarquia, é "não desistir e assumir que não seremos capazes de descobrir isso."

Um balanço não natural

Toda a agitação em torno da descoberta do bóson de Higgs em 2012, que completou o "modelo padrão" da física de partículas e que deu a Peter Higgs e François Englert o Prêmio Nobel de Física, veio como surpresa; a existência das partícula e da massa medida em 125 volts giga-elétron (GeV) concordou com anos de evidências indiretas. É o que não foi encontrado no LHC, que deixou os especialistas perplexos. Não surgiu nada que pudesse conciliar a massa Higgs com a escala de massa prevista associada com gravidade, que está além do alcance experimental em 10.000.000.000.000.000.000 GeV.

A escala de massa-energia associada com a gravidade (à direita) encontra-se em 17 ordens de magnitude além da escala das partículas conhecidas (esquerda), em que 1 GeV = 1000 MeV. A tendência das massas das partículas para igualar em cálculos torna isto uma hierarquia intrigante.

A escala de massa-energia associada com a gravidade (à direita) encontra-se em 17 ordens de magnitude além da escala das partículas conhecidas (esquerda), em que 1 GeV = 1000 MeV. A tendência das massas das partículas para igualar em cálculos torna isto uma hierarquia intrigante.

"A questão é que na mecânica quântica, tudo influencia tudo", explicou Giudice. Os estados gravitacionais super pesados devem misturar a mecânica quântica com o bóson de Higgs, contribuindo com enormes fatores do valor de sua massa. Mas de alguma forma, o bóson de Higgs acaba com pouco peso. É como se todos os fatores que afetam a suas massa gigantescas - alguns positivos, outros negativos, mas todos com dezenas de dígitos longos - magicamente cancelam-se, deixando um valor extraordinariamente minúsculo no final. O improvável cancelamento desses fatores parece "suspeito", disse Giudice. "Você pensa que, assim, deve haver algo mais por trás disso."

Especialistas costumam comparar a massa fina Higgs a um lápis em pé na sua ponta de chumbo, deixado desta maneira por forças poderosas como correntes de ar e vibrações que, de alguma forma, estão um equilíbrio perfeito. "Ele não é um estado de impossibilidade; é um estado de probabilidade extremamente pequena ", disse Savas Dimopoulos de Stanford. Se você se depara com tal lápis, disse ele, "você primeiro move sua mão sobre o lápis para ver se havia qualquer corda segurando-o no teto. Você ficaria [muito próximo] da ponta para ver se há gomas de mascar. "

Os físicos têm de mesmo modo, buscado uma explicação natural para o problema da hierarquia desde os anos 1970, confiantes de que a busca iria levá-los para uma teoria mais completa da natureza, talvez até mesmo transformar as partículas por trás de "matéria escura", a substância invisível que permeia galáxias. "A naturalidade tem sido o lema dessa investigação", disse Giudice.

Desde os anos 1980, a proposta mais popular tem sido a supersimetria. Ela resolve o problema da hierarquia postulando há um gêmeo ainda-a-ser-descoberto de cada partícula elementar: para o elétron, um "Selétron," para cada quark, um "squark", e assim por diante. Gêmeos contribuem em termos opostos à massa do bóson de Higgs, tornando-a imune aos efeitos da gravidade das partículas super-pesadas (uma vez que são anulados pelos efeitos de seus gêmeos).

Mas nenhuma evidência para a supersimetria ou para ideias concorrentes - como a "technicolor" e "dimensões extras encurvadas" - transformou-se durante a primeira execução do LHC de 2010 a 2013. Quando o colisor foi desligado para atualizações no início de 2013 sem ter encontrado um única "s-partícula" ou qualquer outro sinal da física além do Modelo Padrão, muitos especialistas acharam que já não podia evitar a contemplação de uma alternativa gritante. E se a massa de Higgs, e, por implicação as leis da natureza, não forem naturais? Os cálculos mostram que, se a massa do bóson de Higgs for apenas algumas vezes mais pesada, todo o resto continua o mesmo, prótons já não podiam montar-se em átomos, e não haveria estruturas complexas - nem estrelas nem seres vivos. Então, o nosso universo realmente é um aperfeiçoamento acidental como um lápis equilibrado em sua ponta, destacado como o nosso endereço cósmico a partir de um inconcebivelmente vasto conjunto de universos dentro de uma bolha sabão eterna no mar do "multiverso", simplesmente porque a vida exige tal ultrajante acidente existir?

Esta hipótese do multiverso, que pairava sobre as discussões do problema de hierarquia desde o final dos anos 1990, é visto como uma perspectiva sombria para a maioria dos físicos. "Eu só não sei o que fazer com ele", disse Craig. "Nós não sabemos quais são as regras." Outros bolhas de multiverso, se existirem, encontram-se além das fronteiras da comunicação da luz, limitando teorias sobre o multiverso ao que podemos observar de dentro de nossa bolha solitária. Sem nenhuma maneira de saber onde o nosso ponto encontra-se no vasto espectro de possibilidades em um multiverso, torna-se difícil ou impossível de construir argumentos do multiverso baseados sobre o porquê de o nosso universo ser da maneira que é. "Eu não sei em que momento nós seríamos convencidos", disse Dine. "Como resolver isso? Como você pode saber? "

O bóson e a relaxação

Kaplan visitou a área da baía no verão passado para colaborar com Graham e Rajendran, que se conheciam porque todos os três tinham trabalhado em vários momentos em Dimopoulos, que foi um dos principais desenvolvedores de supersimetria. Durante o ano passado o trio dividiu seu tempo entre Berkeley e Stanford - e as várias lojas de café, almoços e sorveterias que fazem fronteira com ambos os campi - o intercâmbio de "pedaços embrionários da idéia", disse Graham, desenvolvedor gradual de uma nova história de origem para as leis da física de partículas.

Inspirado por uma tentativa de Larry Abbott em 1984 para resolver um problema naturalidade diferente na física, eles tentaram reformular a massa Higgs como um parâmetro de evolução, que poderia dinamicamente "relaxar" ao seu valor minúsculo durante o nascimento do cosmos ao invés de começar com uma constante aparentemente improvável e fixa. "Embora tenha levado seis meses de impasses e modelos realmente estúpidos e muito barrocos, acabamos pousando neste quadro muito simples", disse Kaplan.

Em seu modelo, a massa Higgs depende do valor numérico de um campo hipotético que permeia o espaço e o tempo: um campo axion. Para imaginar isso, pensamos na totalidade do espaço como um colchão 3-D", disse Dimopoulos. O valor em cada ponto no campo corresponde à forma como as molas comprimem colchão. Há muito de se reconhecer sobre a existência deste colchão - e suas vibrações na forma de axions - que poderia resolver dois mistérios profundos: Primeiro, o campo axion explicaria por que a maioria das interações entre prótons e nêutrons correm para a frente e para trás, resolvendo o que é conhecido como o problema "forte CP" . E os axions poderiam tornar-se matéria escura. Resolver o problema da hierarquia seria uma terceira conquista impressionante.

A história do novo modelo começa quando o cosmos era um ponto de infusão de energia. O colchão axion foi extremamente compactado, o que criou a massa enorme de Higgs. A medida que o universo se expandiu, as molas relaxaram, como se sua energia estivesse se espalhando através das nascentes do espaço recém-criado. À medida que a energia foi dissipada, a massa Higgs também era. Quando a massa caiu para o valor presente, causou uma variável relacionada e mergulhou no último zero, ligando o campo de Higgs, uma entidade como uma mola que dá massa às partículas que se movem através dele, como elétrons e quarks. Quarks massivos por sua vez, interagiu com o campo axion, criando sulcos na colina metafórica na qual sua energia tinha sido rolada para baixo. O campo axion ficou preso. E assim fez a massa Higgs.

Naquilo que Sundrum chamou de uma ruptura radical com modelos do passado, o novo estudo mostra como a hierarquia de massa nos dias atuais poderia ter sido esculpida pelo nascimento do cosmos. "O fato de que eles colocaram equações para isso em um sentido realista é realmente notável", disse ele.

Dimopoulos comentou sobre o minimalismo marcante do modelo, que emprega principalmente idéias pré-estabelecidas. "Pessoas como eu, que têm investido um pouco nessas outras abordagens para o problema da hierarquia foram muito felizes com a surpresa que você não precisa olhar muito longe", disse ele. "No quintal do Modelo Padrão, a solução estava lá e levou jovens muito inteligente para perceber isso."

"Isso eleva o preço das ações da Axion", acrescentou. Recentemente, o experimento Axion Dark Matter na Universidade de Washington em Seattle começou a olhar para as conversões raroa de axions de matéria escura dentro de campos magnéticos fortes. Agora, Dimopoulos disse: "Devemos observar que isso é ainda mais difícil de ser encontrado."

No entanto, muitos especialistas, como Nima Arkani-Hamed, do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, NJ, observou que ainda é cedo para esta proposta. Enquanto isso "é definitivamente inteligente", disse ele, sua implementação atual é rebuscada. Por exemplo, para que o campo axion ficado preso nas nervuras criadas pelos quark, em vez de rolarem por eles, a inflação cósmica deve ter progredido muito mais lentamente do que a maioria dos cosmólogos têm assumido. "Você adiciona 10 bilhões de anos de inflação", disse ele. "Você tem que perguntar por que toda a cosmologia arranja-se apenas para fazer isso acontecer."

E mesmo se o axion for descoberto, o que por si só, não provará a"relaxação" - ele relaxará o valor da massa de Higgs. Com a estadia de Kaplan na área da baía ventos, ele, Graham e Rajendran estão começando a desenvolver idéias de como testar esse aspecto de seu modelo. Isso pode, eventualmente, ser possível oscilando um campo axion, por exemplo, para ver se isso afeta as massas das partículas elementares nas proximidades, por meio da massa de Higgs. "Você iria ver o massa do elétron balançando", disse Graham.

Estes testes da proposta não vão acontecer por muitos anos. (O modelo não prevê quaisquer novos fenômenos que o LHC pudesse detectar.) E, realisticamente, disseram vários especialistas, isso enfrenta probabilidades longas. Assim, muitas propostas inteligentes falharam ao longo dos anos o que fez muitos físicos ficarem reflexivamente cético. Ainda assim, o modelo novo e intrigante está entregando uma dose oportuna de otimismo.

"Achávamos que tínhamos pensado em tudo e não havia nada de novo sob o Sol", disse Sundrum. "O que isto mostra é que os seres humanos são muito inteligentes e que ainda há espaço para novas descobertas."

Traduzido e adaptado de Quanta Magazine

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