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Cinco mistérios que a Física não consegue explicar

Oscar Miyamoto Gomez - Symmetry - 05/07/2019

Ilustração do Modelo Padrão da física de partículas - que deixa bastante espaço para uma "Nova Física".
[Imagem: Ana Kova/Sandbox Studio]

Modelo incompleto

O Modelo Padrão é a teoria mais rigorosa da física de partículas, incrivelmente precisa em suas previsões. Ele estabelece matematicamente os 17 blocos de construção da natureza: seis quarks, seis léptons, quatro partículas de força e o bóson de Higgs. Elas são governadas pelas forças eletromagnética, fraca e forte.

Infelizmente, este que é o nosso melhor modelo da física explica apenas cerca de 5% do Universo.

"Em relação à pergunta 'O que somos nós?', o Modelo Padrão tem a resposta. Ele nos diz que todo objeto no Universo não é independente, e que toda partícula está lá por uma razão," descreve Saúl Ramos, pesquisador da Universidade Nacional Autônoma do México (UNAM).

Apesar de seu grande poder preditivo, no entanto, o Modelo Padrão falha em responder cinco questões cruciais, e é por isso que os físicos de partículas sabem que seu trabalho está longe de estar acabado.

Ilustração de um neutrino, partícula que ajuda a explicar origem do universo material.
[Imagem: Ana Kova/Sandbox Studio]

1. Por que os neutrinos têm massa?

Três das partículas do Modelo Padrão são diferentes tipos de neutrinos. O Modelo Padrão prevê que, como os fótons, os neutrinos não devem ter massa.

No entanto, os físicos descobriram que os três neutrinos oscilam, ou se transformam em um outro, enquanto se movem. Isto só é possível se os neutrinos tiverem massa.

"Se usarmos as teorias que temos hoje, obtemos a resposta errada," diz o físico brasileiro André de Gouvêa, atualmente professor da Universidade Northwestern, nos EUA.

O Modelo Padrão descreve incorretamente os neutrinos, mas ainda é preciso ver o quanto ele está errado. Afinal, as massas dos neutrinos são bem pequenas.

Isso é tudo que o Modelo Padrão deixa escapar, ou há mais que não sabemos sobre neutrinos? Alguns resultados indicam, por exemplo, que pode haver um quarto tipo de neutrino, chamado neutrino estéril, mas ninguém conseguiu ainda ver esses neutrinos estéreis.

Infelizmente, todas as tentativas de comprovar a existência da matéria escura falharam até agora.
[Imagem: Ana Kova/Sandbox Studio]

2. O que é matéria escura?

Os físicos perceberam que estava faltando alguma coisa quando notaram que as galáxias estavam girando muito mais rápido do que deveriam com base na atração gravitacional de sua matéria visível. Elas giram tão rápido que deveriam ter-se esfacelado. Algo que não podemos ver, que os cientistas apelidaram de "matéria escura", deve estar dando uma massa adicional - e, portanto, um puxão gravitacional - a essas galáxias.

Acredita-se que a matéria escura represente 27% do conteúdo do Universo. Mas o Modelo Padrão não a inclui.

Os físicos estão procurando maneiras de estudar esse assunto misterioso e identificar seus blocos de construção. Se eles pudessem mostrar que a matéria escura interage de alguma forma com a matéria normal, "ainda precisaríamos de um novo modelo, mas isso significaria que o novo modelo e o Modelo Padrão estão conectados," explica Andrea Albert, do Laboratório Nacional SLAC, nos EUA, que estuda a matéria escura, entre outras coisas, no Observatório Cherenkov de Água de Alta Altitude no México. "Isso seria uma mudança no jogo gigantesca".

Ilustração que representa matéria e antimatéria - a antimatéria brilha exatamente igual à matéria, mas agora estamos em busca da antimatéria fria.
[Imagem: Ana Kova/Sandbox Studio]

3. Por que há tanta matéria no Universo?

Onde quer que uma partícula de matéria passe a existir - por exemplo, em uma colisão de partículas no Grande Colisor de Hádrons ou no decaimento de outra partícula - normalmente sua contraparte de antimatéria emerge junto. Quando partículas iguais de matéria e antimatéria se encontram, elas se aniquilam.

Os cientistas supõem que, quando o Universo foi formado no Big Bang, a matéria e a antimatéria deveriam ter sido produzidas em quantidades iguais. No entanto, alguns mecanismos mantiveram a matéria e a antimatéria fora de seu padrão usual de destruição total, e o Universo ao nosso redor é dominado pela matéria.

O Modelo Padrão não consegue explicar esse desequilíbrio. Muitos experimentos diferentes estão estudando a matéria e a antimatéria em busca de pistas sobre o que inclinou a balança.

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Ilustração que representa a inflação cósmica - embora a expansão da aceleração do Universo venha sendo questionada por vários experimentos.
[Imagem: Ana Kova/Sandbox Studio]

4. Por que a expansão do Universo está se acelerando?

Antes que os físicos pudessem medir a expansão do Universo, eles imaginavam que ele havia surgido velozmente depois do Big Bang e que, com o tempo, passado o ímpeto da explosão, começado a desacelerar. Por isso, foi um choque que não só a expansão do Universo não tenha abrandado, como também está se acelerando.

As últimas medições feitas pelo Telescópio Espacial Hubble e pelo observatório Gaia da Agência Espacial Europeia indicam que as galáxias estão se afastando de nós a 72 km por segundo. Essa velocidade se multiplica por cada megaparsec adicional, uma distância de 3,2 milhões de anos-luz, em relação à nossa posição.

Acredita-se que essa taxa venha de uma propriedade inexplicável do espaço-tempo apelidada de "energia escura", que está empurrando o Universo rumo a um espalhamento total. Acredita-se que essa energia escura represente cerca de 68% da energia do Universo. "Isso é algo muito fundamental que ninguém poderia ter previsto apenas olhando para o Modelo Padrão," comentou Gouvêa.

Ilustração que representa uma partícula associada com a força da gravidade, sobre a qual sabemos bem pouco - mas já estamos de olho na antigravidade.
[Imagem: Ana Kova/Sandbox Studio]

5. Existe uma partícula associada à força da gravidade?

O Modelo Padrão não foi pensado para explicar a gravidade. Esta quarta e a mais fraca força da natureza não parece ter qualquer impacto sobre as interações subatômicas que o Modelo Padrão explica.

Mas físicos teóricos acham que uma partícula subatômica chamada gráviton poderia transmitir a gravidade da mesma forma que partículas chamadas fótons carregam a força eletromagnética.

"Depois que a existência das ondas gravitacionais foi confirmada pelo LIGO, nós nos perguntamos agora: Qual é a menor onda gravitacional possível? É como perguntar o que é um gráviton," explica Alberto Güijosa, professor do Instituto de Ciências Nucleares da UNAM.

Mais para explorar

Estes cinco mistérios são as grandes questões da física no século 21, diz Ramos. No entanto, existem ainda mais enigmas fundamentais: Qual é a fonte da geometria do espaço-tempo? Onde as partículas ganham seu spin? Por que a força forte é tão forte, enquanto a força fraca é tão fraca? E quanto às partículas detectadas na Antártica que não se encaixam no Modelo Padrão?

Há muito a explorar, diz Güijosa: "Mesmo que acabemos com uma teoria final e perfeita de tudo em nossas mãos, ainda faríamos experimentos em diferentes situações para ampliar seus limites."

"É um exemplo muito clássico do método científico em ação," acrescenta Albert. "A cada resposta surgem mais perguntas; nada está pronto".