Partículas que não deveriam existir podem indicar força desconhecida do Universo

Durante décadas, os físicos procuraram sinais de partículas com comportamentos não tradicionais – evidência de fissuras subtis no “Modelo Padrão” da física de partículas, a teoria dominante que descreve os blocos de construção mais fundamentais do universo.

Embora o Modelo Padrão se tenha mostrado bastante preciso, os cientistas sabem que são necessários alguns ajustes. Segundo um documento encontrado entre os arquivos da Nature, os cientistas começaram a observar partículas que violavam a teoria – mas não são exatamente as mesmas violações que os teóricos procuravam.

A evidência vem de eletrões e os seus “primos” mais massivos: os muões tau leptãos. De acordo com o Modelo Padrão, as três partículas devem comportar-se como tamanhos distintos, mas, de outra forma, triângulos idênticos.

Três experiências feitas produziram, no entanto, evidências crescentes – incluindo os resultados anunciados nos últimos meses – de que as partículas reagem de forma diferente a alguma influência ainda misteriosa. As descobertas ainda não são conclusivas, mas se elas se provassem reais, “seria uma revolução completa”, diz Markist Wise, do Instituto de Tecnologia da Califórnia.

Um “abanão” no Modelo Padrão causaria um enorme estrondo na ciência. A teoria formou a base da pesquisa de física de partículas, uma vez que foi desenvolvida no final do século XX.

Esculpe o universo dentro de doze partículas elementares que compõem toda a matéria, além de partículas transportadoras de força que transmitem as forças fundamentais da natureza – por exemplo, as partículas exercem forças elétricas ou magnéticas a partir da troca de fotões transitórios.

Apesar do sucesso, o Modelo Padrão não prevê nada que explique a gravidade ou o pensamento da matéria escura que habita o espaço inabitado e invisível.

Para casar a física das partículas com essas observações de maior escala, os teóricos propuseram toda uma “nova física” – materiais ou forças que vão além do Modelo Padrão. Mas a maioria das experiências sustentou teimosamente essa teoria com uma fidelidade impressionante, não encontrando evidências das partículas ou forças hipotéticas.

Desde 2012, porém, os sinais de mau comportamento das partículas começaram a surgir no canto menos explorado do Modelo Padrão: uma amostra chamada de “universalidade leptão”. Aqui, “leptão” refere-se à classe de partículas, incluindo eletrões, muões e taus.

O Modelo Padrão prevê que essas três espécies devem comunicar entre si e com outras partículas exatamente da mesma maneira, exceto pelas diferenças atribuíveis às suas massas únicas – um comportamento comum que explica o segundo termo na universalidade dos leptãos.

A primeira surpresa quanto ao leptão apareceu em resultados anunciados em 2012 na experiência BaBar, do SLAC National Accelerator Laboratory em Menlo Park, Califórnia.

O acelerador de partículas de BaBar reuniu eletrões e equivalentes de antimatéria, conhecidos como positrões. As colisões produziram muitas partículas compostas que eram densas, mas instáveis: atuavam como átomos de urânio absurdamente radioativos, durando apenas frações de um nano segundo antes de se enfraquecer entre partículas cada vez menores.

Os produtos finais foram despejados sobre os detetores do acelerador, permitindo que os cientistas reconstruissem a cadeia de decadências das partículas. Se o Modelo Padrão estiver certo, dois dos tipos de decomposição examinados pela equipa BaBar devem produzir taus apenas 25 a 30% tão frequentes quanto os eletrões, que são mais leves e, portanto, mais fáceis de serem produzidos.

Mas isso não foi o que a equipa de investigadores descobriu. Os taus mostraram-se muito mais comuns do que seria esperado, sugerindo outra diferença entre taus e eletrões, para além das massas.

Esses resultados seriam apenas o começo. Duas das outras experiências – o LHCb, do Large Hadron Collider, na Suíça, e o experimento Belle, da High Energy Accelerator Research Organization, no Japão, estudaram as mesmas decadências e publicaram resultados semelhantes em 2015.

Belle, como BaBar, colide eletrões e positrões. Mas LHCb colide protões com outros protões em energias muito mais altas e utiliza diferentes métodos para detetar os resultados. Essas diferenças tornam mais difícil descartar as conclusões como erros experimentais, reforçando a perspetiva de que a anomalia possa ser real.

Além disso, o LHCb também encontrou sinais de violação de universalidade do leptão noutro tipo de decomposição produtiva e, há vários meses, anunciou possíveis desvios ainda com um quarto tipo de enfraquecimento.

Apenas no mês passado, relatou uma disparidade semelhante entre eletrões e muões (em vez de taus) numa deterioração relacionada. Todas essas linhas convergentes de evidências trazem a ideia – cada vez mais convincente – de que algo é sistematicamente suspeito. “Se os desvios acabarem por ser reais seria estranho se não estivessem relacionados”, diz Michael Roney, porta-voz da BaBar e professor na Universidade de Victoria.

Se os vários leptãos realmente se comportam de forma diferente, a única explicação seria alguma força anteriormente não reconhecida. Sob o Modelo Padrão, as partículas maiores decompõem-se em leptões e noutros produtos através da “força fraca”, a mesma força que causa o decaimento radioativo.

Mas a força fraca trata igualmente todos os leptãos. Se saírem mais taus do que a força fraca deveria produzir, então alguma força desconhecida, associada a uma partícula de força-transportadora não descoberta, pode estar a partir as partículas maiores de uma maneira que favorece os taus.

Encontrar essa força seria tão fundamental quanto a descoberta do eletromagnetismo, embora com muito menos efeito na vida diária. “De facto isso é, com pouco exagero, uma revolução na física”, diz Hassan Jawahery, da Universidade de Maryland, em College Park, físico e membro da colaboração LHCb.

Como as implicações seriam muito dramáticas, os físicos vão exigir evidências esmagadoras – um fardo que os investigadores já conhecem bem.

Greg Ciezarek, autor principal da revista Nature e investigador de pós-doutoramento no Nikhef National Institute for Subatomic Physics, em Amesterdão, diz que as violações de universalidade do leptão “estariam no território de reivindicações extraordinárias”, o que, como diz o ditado, exige evidências extraordinárias. Roney resume o ceticismo: “Ninguém aposta contra o Modelo Padrão”.

A evidência, até ao momento, não é insubstancial. Combinando todos os dados, a probabilidade de os desvios tau / electrão serem apenas fluxos estatísticos agora é de cerca de um em cada 10 mil.

Para qualquer questionamento diário, isso é mais do que suficiente. Mas os físicos de partículas são um grupo cético: a comunidade não vai considerar confirmada a descoberta até que haja apenas uma em cada 3,5 milhões de oportunidades de falso alarme.

Como alguns cientistas “cronologicamente mais avançados” podem atestar, já foram desconsiderados antes, diz Zoltan Ligeti, professor de física teórica no Lawrence Berkeley National Laboratory. “Nós vimos flutuações semelhantes no passado, que vieram e se foram”.

A evidência é ainda mais difícil de engolir pelo facto de a universalidade do leptão, segundo as expectativas dos teóricos, poder mostrar onde estão as falhas no Modelo Padrão. “Há uma espécie de linha de história que os teóricos contam e isso não está nessa linha da história”, diz Wise.

Além disso, as explicações propostas para o comportamento dos leptão parecem insuficientes. “O tipo de modelos que podem se encaixar nas anomalias realmente não faz mais nada à primeira vista. Por exemplo, não mostram muitas coisas sobre a compreensão de o que a matéria escura pode ser”, diz Ligeti.

Ainda assim, acrescenta: “a natureza diz-nos como a natureza é”. Os físicos estão, cada vez mais, a anotar a persistência continuada das violações e propõem novas explicações teóricas.

Os cientistas também procuram reduzir as incertezas das medidas existentes. Em última análise, as maiores revelações virão quando o LHCb e a próxima versão do Belle produzirem mais dados. Os físicos estão otimistas de que, dentro de cerca de cinco anos, não só saberemos se o efeito é real, como teremos uma explicação para isso.

“Se houver uma nova partícula deve haver uma massa ao alcance do LHC”, diz o teórico da Universidade de Ljubljana, na Eslovénia, Svjetlana Fajfer, o que significa que o colisor deve ser capaz de produzir e identificar tal partícula. Para alguns teóricos, esse caráter de testabilidade é uma grande atração. “Isso torna emocionante, porque se eu fizer algo, pode ser provado certo ou errado. De uma forma ou de outra, o caso será esclarecido”, diz Ligeti.