Três físicos que têm vindo a colaborar em San Francisco Bay Area durante o ano passado criaram uma nova solução para um mistério que tem sofrido o seu campo por mais de 30 anos. Este quebra-cabeça profundo, que tem conduzido experimentos em colisões de partículas cada vez mais poderosas e deu origem à controversa hipótese Multiverso, equivale a algo que um brilhante aluno da quarta classe poderia perguntar: como um íman pode levantar um clipe contra a atração gravitacional de todo o planeta?Apesar de sua influência sobre o movimento das estrelas e galáxias, a força da gravidade é centenas de milhões de trilhões de trilhões de vezes mais fraca que o magnetismo e as outras forças microscópicas da natureza. Esta disparidade aparece nas equações físicas como uma diferença igualmente absurda entre a massa do bosão de Higgs, uma partícula descoberta em 2012 que controla as massas e forças associadas com as outras partículas conhecidas, e o intervalo de massa esperado de Estados gravitacionais ainda não descobertos da matéria.
Na ausência de provas da Europa (Grande colisor de Hádrons (LHC) apoio a qualquer uma das teorias anteriormente propostas para explicar esse absurdo de massa hierarquia — incluindo o sedutoramente elegante “supersymmetry” — muitos físicos têm vindo a dúvida, a própria lógica das leis da natureza. Cada vez mais, preocupam — se que o nosso universo possa ser apenas uma permutação aleatória e bizarra entre outros universos possíveis incontáveis-um beco sem saída eficaz na busca de uma teoria coerente da natureza.
Este mês, o LHC lançou sua segunda corrida ansiosamente esperada em quase o dobro de sua energia operacional anterior, continuando sua busca por novas partículas ou fenômenos que resolveriam o problema da hierarquia. Mas a possibilidade muito real de que nenhuma nova partícula esteja ao virar da esquina deixou físicos teóricos enfrentando seu “cenário de pesadelo”.”Também os fez pensar.
“é em momentos de crise que novas ideias se desenvolvem”, disse Gian Giudice, um físico teórico de partículas do laboratório CERN, perto de Genebra, que abriga o LHC.
a nova proposta oferece um caminho possível. O trio está “super animado”, disse David Kaplan, 46 anos, um físico de partículas teórico da Universidade Johns Hopkins em Baltimore, Md., que desenvolveu o modelo durante uma licença sabática na costa oeste com Peter Graham, 35 anos, da Universidade de Stanford e Surjeet Rajendran, 32 anos, da Universidade da Califórnia, Berkeley.
sua solução traça a hierarquia entre a gravidade e as outras forças fundamentais de volta ao nascimento explosivo do cosmos, quando, seu modelo sugere, duas variáveis que estavam evoluindo em conjunto subitamente bloqueadas. Naquele instante, uma partícula hipotética chamada “axion” trancou o bosão de Higgs em sua massa atual, muito abaixo da escala de gravidade. O axion tem aparecido em equações teóricas desde 1977 e é considerado provável que exista. No entanto, ninguém, até agora, notou que axions poderia ser o que o trio chama de “relaxions”, resolvendo o problema da hierarquia” relaxando ” o valor da massa de Higgs.
“é uma ideia muito, muito inteligente”, disse Raman Sundrum, um físico teórico de partículas da Universidade de Maryland, no College Park, que não estava envolvido no desenvolvimento. “Possivelmente alguma versão disso é a maneira como o mundo funciona.”
Nas semanas desde que o trio de papel apareceu on-line, ele abriu “um novo playground”, povoada com os pesquisadores ansiosos para rever os seus pontos fracos e tomar sua premissa básica em diferentes direções, disse Nathaniel Craig, um físico teórico da Universidade da Califórnia, Santa Barbara.
“esta parece apenas uma possibilidade muito simples”, disse Rajendran. “Não estamos em cima das nossas cabeças para fazer uma loucura aqui. Só quer funcionar.”
no entanto, como vários peritos observaram, na sua forma actual, a ideia apresenta deficiências que terão de ser cuidadosamente consideradas. E mesmo que sobreviva a este escrutínio, pode levar mais de uma década para testar experimentalmente. Por enquanto, especialistas disseram, o relaxion está sacudindo os pontos de vista longheld e incentivando alguns físicos a ver o problema da hierarquia em uma nova luz. A lição, disse Michael Dine, um físico da Universidade da Califórnia, Santa Cruz, e um veterano do problema da hierarquia, é “não desistir e assumir que não seremos capazes de descobrir.”
Um Natural Equilíbrio
Para todos os folia torno 2012 descoberta do bóson de Higgs, que completou o “Modelo Padrão” da física de partículas e ganhou Peter Higgs e François Englert 2013, Prêmio Nobel em Física, ele veio como nenhuma surpresa; a partícula da existência e medida de massa de 125 giga elétron-volts (GeV) concordou com anos de evidências indiretas. Foi o que não foi encontrado no LHC que deixou os peritos perplexos. Nada mostrou que pudesse conciliar a massa de Higgs com a escala de massa prevista associada à gravidade, que está além do alcance experimental em 10.000.000.000.000.000.000 GeV.
“a questão é que na mecânica quântica, tudo influencia tudo mais”, explicou Giudice. Os Estados gravitacionais super pesados devem misturar mecanicamente quantum com o bosão de Higgs, contribuindo com fatores enormes para o valor de sua massa. No entanto, de alguma forma, o bosão de Higgs acaba por ser leve. É como se todos os factores gigantescos que afectam a sua massa — alguns positivos, outros negativos, mas todos os dezenas de dígitos há muito tempo — tivessem magicamente cancelado, deixando um valor extraordinariamente pequeno para trás. O cancelamento improvisado destes fatores parece “suspeito”, disse Giudice. “Você pensa, bem, deve haver algo mais por trás disso.”
os especialistas frequentemente comparam a massa de Higgs finamente afinada com um lápis de pé em sua ponta de chumbo, empurrado desta maneira e que por forças poderosas como correntes de ar e vibrações de mesa que de alguma forma atingiram um equilíbrio perfeito. “Não é um estado de impossibilidade; é um estado de probabilidade extremamente pequena”, disse Savas Dimopoulos de Stanford. Se você se deparasse com tal lápis, ele disse: “você primeiro moveria sua mão sobre o lápis para ver se havia alguma corda segurando-o do teto. olharias para a ponta para ver se há pastilha elástica.”
os físicos têm procurado similarmente uma explicação natural para o problema da hierarquia desde a década de 1970, confiantes de que a busca os levaria para uma teoria mais completa da natureza, talvez até mesmo transformando as partículas por trás de “matéria escura”, a substância invisível que permeia galáxias. “Naturalidade tem sido realmente o leitmotif dessa pesquisa”, disse Giudice.
desde a década de 1980, a proposta mais popular tem sido a supersimetria. Ele resolve o problema da hierarquia postulando um gêmeo ainda por ser descoberto para cada partícula elementar: para o elétron, um hipotético “selectron”, para cada quark, um “squark”, e assim por diante. Gêmeos contribuem com termos opostos para a massa do bosão de Higgs, tornando-o imune aos efeitos das partículas de gravidade super pesada (uma vez que eles são anulados pelos efeitos de seus gêmeos).
But no evidence for supersymmetry or for any competing ideas-such as “technicolor” and “warped extra dimensions” – turned up during the first run of the LHC from 2010 to 2013. Quando o colisor fechou para atualizações no início de 2013 sem ter encontrado um único “espartilho” ou qualquer outro sinal de física além do Modelo Padrão, muitos especialistas sentiram que não poderiam mais evitar contemplar uma alternativa stark. E se a massa de Higgs, e por implicação as leis da natureza, não forem naturais? Cálculos mostram que se a massa do bosão de Higgs fosse apenas algumas vezes mais pesada e tudo o resto permanecesse igual, os prótons não poderiam mais se reunir em átomos, e não haveria estruturas complexas — nem estrelas ou seres vivos. Então, e se o nosso universo estiver tão acidentalmente sintonizado como um lápis balanceado na ponta, destacado como o nosso endereço cósmico de uma inconcebível vasta gama de universos de bolhas dentro de um mar “Multiverso” eternamente em espuma simplesmente porque a vida requer um acidente tão escandaloso para existir?
esta hipótese multiversa, que tem surgido sobre as discussões sobre o problema da hierarquia desde o final da década de 1990, é vista como uma perspectiva sombria pela maioria dos físicos. “Não sei o que fazer com isso”, disse Craig. “Não sabemos quais são as regras.”Outras bolhas do multiverso, se elas existem, estão além dos limites da comunicação da luz, limitando para sempre as teorias sobre o multiverso para o que podemos observar de dentro da nossa bolha solitária. Sem maneira de dizer onde nosso ponto de dados está no vasto espectro de possibilidades em um multiverso, torna-se difícil ou impossível construir argumentos baseados no multiverso sobre por que nosso universo é como é. “Não sei em que altura estaríamos convencidos”, disse Dine. “Como resolverias isso? Como é que sabes?”
Higgs e o Relaxion
Kaplan visitou a região da Baía do verão passado para colaborar com Graham e Rajendran, a quem ele sabia, porque todos os três haviam trabalhado em vários momentos sob Dimopoulos, que foi um dos principais desenvolvedores do supersymmetry. Ao longo do ano passado, o trio dividiu seu tempo entre Berkeley e Stanford — e as várias lojas de café, pontos de almoço e casas de sorvete limítrofes de ambos os campus — trocando “partes embrionárias da idéia”, disse Graham, e gradualmente desenvolvendo uma nova história de origem para as leis da física de partículas.Inspirado por uma tentativa de 1984 de Larry Abbott para resolver um problema de naturalidade diferente na física, eles procuraram reformular a massa de Higgs como um parâmetro em evolução, que poderia dinamicamente “relaxar” ao seu pequeno valor durante o nascimento do cosmos ao invés de começar como uma constante fixa, aparentemente improvável. “Apesar de ter levado seis meses de becos sem saída e modelos realmente estúpidos e coisas muito barrocas e complicadas, nós acabamos pousando nesta foto muito simples”, disse Kaplan.
In their model, the Higgs mass depends on the numerical value of a hipotetic field that permeates space and time: an axion field. Para imaginá-lo, “pensamos na totalidade do espaço como sendo este colchão 3-D”, disse Dimopoulos. O valor em cada ponto do campo corresponde à compressão das molas dos colchões. Há muito que se reconhece que a existência deste colchão — e das suas vibrações sob a forma de axiões-poderia resolver dois mistérios profundos.: Primeiro, o campo axião 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 do “CP forte”. E o axions pode inventar matéria negra. Resolver o problema da hierarquia seria uma terceira conquista impressionante.
a história do novo modelo começa quando o cosmos era um ponto alimentado por energia. O colchão axion estava extremamente comprimido, o que fez a massa de Higgs enorme. À medida que o universo se expandiu, as nascentes relaxaram, como se a sua energia estivesse a espalhar-se através das nascentes do espaço recém-criado. À medida que a energia se dissipava, a massa de Higgs também se dissipava. Quando a massa caiu para o seu valor atual, causou uma variável relacionada a mergulhar para além de zero, ligando o campo de Higgs, uma entidade molasseslike que dá massa às partículas que se movem através dele, tais como elétrons e quarks. Quarks maciços, por sua vez interagiram com o campo axião, criando cristas na colina metafórica que sua energia estava rolando para baixo. O campo axion ficou preso. E a Missa de Higgs também.
in what Sundrum called a radical break from past models, the new one shows how the modern-day mass hierarchy might have been sculpted by the birth of the cosmos. “O fato de que eles colocaram equações a isso em um sentido realista é realmente notável”, disse ele.
Dimopoulos comentou sobre o notável minimalismo do modelo, que emprega principalmente ideias pré-estabelecidas. “Pessoas como eu, que investiram bastante nessas outras abordagens ao problema da hierarquia, ficaram alegremente surpresos que você não tenha que olhar muito longe”, disse ele. “No quintal do modelo padrão, a solução estava lá. Foram precisos jovens muito inteligentes para perceber isso.
“This elevates the stock price of the axion” , he added. Recentemente, o experimento Axion Dark Matter na Universidade de Washington em Seattle começou a procurar as raras conversões de Dark matter axions em luz dentro de fortes campos magnéticos. Dimopoulos disse: “Devemos procurar ainda mais para encontrá-lo.”
However, like many experts, Nima Arkani-Hamed of the Institute for Advanced Study in Princeton, N. J., noted that it’s early days for this proposal. Enquanto “é definitivamente inteligente”, ele disse, sua implementação atual é rebuscada. Por exemplo, para que o campo axião tivesse ficado preso nas cristas criadas pelos quarks em vez de passar por eles, a inflação cósmica deve ter progredido muito mais lentamente do que a maioria dos cosmólogos assumiram. “Você adiciona 10 bilhões de anos de inflação”, disse ele. “Você tem que se perguntar Por que toda a cosmologia se organiza apenas para fazer isso acontecer.”
e mesmo que o axião seja descoberto, que por si só não provaria que é o “relaxion” — que relaxa o valor da massa de Higgs. Enquanto a estadia de Kaplan na área da Baía acaba, ele, Graham e Rajendran estão começando a desenvolver ideias para testar esse aspecto de seu modelo. Pode eventualmente ser possível oscilar um campo de axião, por exemplo, para ver se isso afeta as massas de partículas elementares próximas, por meio da massa de Higgs. “Você veria a massa eletrônica balançando”, disse Graham.
estes testes da proposta não ocorrerão por muitos anos. (The model doesn’t predict any new phenomena that the LHC would detect.) E realisticamente, vários especialistas disseram, que enfrenta grandes probabilidades. Tantas propostas inteligentes falharam ao longo dos anos que muitos físicos são reflexivamente céticos. Ainda assim, o novo modelo intrigante está a oferecer uma dose oportuna de optimismo.”Pensávamos que tínhamos pensado em tudo e não havia nada de novo sob o sol”, disse Sundrum. “O que isso mostra é que os humanos são muito inteligentes e ainda há espaço para novos avanços.”
Editor Note: David Kaplan hosts Quanta Magazine In Theory video series.
este artigo foi reimpresso em Wired.com