Bizarras partículas do gelo da Antárctida podem acabar com a física moderna

Felipe Pedreros / IceCube / NSF

O IceCube Neutrino Observatory, na Estação Científica Internacional Scott-Amudsen, no Polo Sul

Físicos identificaram uma partícula de alta energia muito estranha vinda da Antárctida. É uma espécie de raio cósmico e atravessa a Terra, o que não acontece com as partículas que os físicos conhecem e que compõem o que os cientistas chamam de modelo padrão (SM) da física de partículas.

Há neutrinos de baixa energia que podem perfurar quilómetros de rocha sem sofrerem nenhuma alteração. Mas neutrinos de alta energia, bem como outras partículas de alta energia, têm uma grande secção eficaz. Isto significa que quase sempre vão colidir com algo logo depois de entrarem na Terra, e nunca conseguiriam sair do outro lado.

No entanto, desde Março de 2016, os investigadores têm ficado intrigados sobre dois acontecimentos na Antárctida, onde os raios cósmicos saíram da terra. Estes foram detectados pelo inferómetro NASA Anita, uma antena de balão que sobrevoa o continente.

O Anita foi projectado para procurar raios cósmicos do espaço sideral. Quando o instrumento detectou partículas que pareciam estar a partir da própria Terra em vez de virem do espaço, a comunidade científica especializada em neutrinos de alta energia deu saltos de emoção.

Uma vez que os raios cósmicos não deveriam fazer isto, os cientistas começaram a perguntar-se se estes feixes misteriosos são feitos de partículas desconhecidas.

Desde então, os físicos têm proposto todos os tipos de explicações para estes raios cósmicos “que vão para cima”, de neutrinos estéreis (neutrinos que raramente batem em matéria) para “distribuição de matéria escura atípica dentro da Terra”, referenciando a misteriosa forma de matéria que não interage com a luz.

Todas as explicações são intrigantes, e sugerem que o Anita poderá ter detectado uma partícula não contabilizada no modelo padrão. Mas nenhuma das explicações demonstrou conclusivamente que algo mais simples não pudesse ter causado o sinal em Anita.

Um novo artigo publicado no directório científico arXiv.org muda tudo. Nele, uma equipa de astrofísicos da Universidade Estadual da Pensilvânia (EUA) mostrou que outras partículas de alta energia foram lançadas para cima, além das detectadas durante os dois eventos captados pelo Anita. O maior observatório de neutrinos na Antárctida, IceCube, detectou também partículas similares em três outras ocasiões.

Combinando os dados do IceCube com o Anita, os investigadores calcularam que, seja qual for a partícula que está a surgir da Terra, tem muito menos de 1 hipótese em 3,5 milhões de ser parte do modelo padrão.

Partindo a física…

O principal autor da pesquisa, Derek Fox, refere que se deparou com os eventos do Anita em Maio de 2018. “Pensei: ‘bem, este modelo não faz muito sentido, mas o resultado é muito intrigante’. Então, comecei a investigá-lo”, destaca Fox ao Live Science.

Fox foi trocar ideias com o seu vizinho de escritório, Steinn Sigurdsson, e ali surgiu uma parceria para propor explicações mais plausíveis para os eventos. Fox, Sigurdsson e os seus colegas começaram a procurar eventos semelhantes em dados colectados por outros detectores. Quando se depararam com possíveis eventos ascendentes em IceCube, perceberam que poderiam ter-se deparado com algo que mudaria a física.

A física de partículas de alta energia não tem avançado muito nos últimos anos. Quando o Grande Colisor de Hadrões (LHC) foi concluído na fronteira entre França e Suíça, em 2009, os cientistas pensaram que poderia desbloquear os mistérios da super-simetria, a enigmática classe teórica de partículas que os cientistas suspeitam que pode existir, mas que nunca detectaram.

De acordo com a super-simetria, cada partícula existente no modelo padrão tem um parceiro super-simétrico.

Em vez disso, o LHC confirmou o Bosão de Higgs, a parte final não detectada do modelo padrão, em 2012. E então, não voltou a detectar qualquer outra coisa importante. Os investigadores começaram a questionar se qualquer experiência de física existente poderia detectar uma partícula super-simétrica.

Se a partícula modelo padrão criou essas anomalias, elas deveriam ter sido neutrinos. Os investigadores sabem disso porque nenhuma outra partícula modelo padrão teria qualquer hipótese de atravessar a Terra.

Mas detectores de neutrinos como o Anita e o IceCube não detectam neutrinos directamente. Em vez disso, detectam as partículas que os neutrinos decompõem depois de colidir na atmosfera da Terra ou no gelo antárctico. E há outros eventos, possivelmente super-simétricos, que podem gerar essas partículas, desencadeando a detecção.

Fox e os seus colegas passaram a argumentar que as partículas são mais susceptíveis de ser uma espécie de partícula super-simétrica chamada “stau sleptons”. Os stau sleptons são versões super-simétricas de uma partícula modelo padrão chamado “Tau lépton”.

Os autores apontam que nenhuma partícula convencional conseguiria viajar através da Terra desta forma, mas ainda não há dados suficientes para ter certezas. E não há como comprovar que a partícula fez essa viagem.

Agora, os cientistas só sabem que o que quer que esta partícula seja, ela interage muito fracamente com outras partículas, ou então nunca teria sobrevivido à viagem através da massa densa do planeta.

É possível que quando os investigadores do IceCube esmiuçarem os arquivos de dados deste instrumento, encontrem mais eventos semelhantes que já tinham passado despercebidos.

As anomalias do Anita podem oferecer aos cientistas a informação necessária para sintonizar adequadamente o LHC para descobrir mais sobre a super-simetria. Estas experiências podem até fornecer uma explicação para a matéria escura.