Novas partículas e uma nova física com simetria dimensional infinita

As simetrias que governam o mundo das partículas elementares no nível mais fundamental podem ser radicalmente diferentes daquilo que se pensava até agora. Esta surpreendente conclusão surge a partir de novos trabalhos publicados pelos teóricos de Varsóvia e Potsdam.

O esquema que eles postulam unifica todas as forças da natureza de uma maneira que é consistente com as observações existentes e antecipa a existência de novas partículas com propriedades incomuns que podem até estar presentes em nosso entorno próximo.

Por meio século, os físicos vêm tentando construir uma teoria que una todas as quatro forças fundamentais da natureza, descreva as partículas elementares conhecidas e prediga 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, o Prof. Krzysztof Meissner do Instituto de Física Teórica da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia e o Prof. Hermann Nicolai do Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik em Potsdam apresentaram um novo esquema que generaliza o Modelo Padrão que incorpora a gravitação na descrição. O novo modelo aplica uma espécie de simetria não utilizada anteriormente na física 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.

“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 super-gravidades “.

Físicos notaram que nas teorias de super-gravidade 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 super-gravidade 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 léptons observados na natureza. Havia, portanto, todas as indicações de que a super-gravidade N=8 é excepcional em muitos aspectos. No entanto, não era a ideal.

Um dos problemas em incorporar o Modelo Padrão na super-gravidade 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 férmion super-gravidade  de N=8 conteúdo é compatível com esta observação. O que faltava era adicionar o grupo SU (2), responsável pela força nuclear fraca. Em nosso artigo, mostramos 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, tinha que ser mal sucedida. Em nossa opinião, SU (2) é apenas uma aproximação para ambas as energias baixa e alta “, Prof Meissner explica.

Tanto o mecanismo de reconciliação das cargas elétricas das partículas, quanto a melhoria na incorporação da 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 da super-gravidade 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 papel 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 de spin 1/2 como no Modelo Padrão, mas sugere a existência de novas partículas com propriedades muito incomuns. É importante ressaltar que pelo menos algumas delas 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 outra história.

Krzysztof A. Meissner et al, Standard Model Fermions and Infinite-Dimensional R Symmetries, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.091601

Via Phys.org

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