Crise na Física: Quando o Universo responde com silêncio

Maxwell Bernstein - Symmetry Magazine - 01/07/2025

As teorias nos dizem que "coisas" deviam estar lá - mas só encontramos o vazio.
[Imagem: Corinne Mucha/Sandbox Studio]

Éter luminífero

Com grandes questões pendentes e pequenas dicas sobre uma Nova Física, os físicos estão agora repensando algumas de suas suposições mais fundamentais.

Durante séculos, os cientistas acreditaram que o Universo era preenchido por uma substância misteriosa chamada éter luminífero, um meio que, acreditavam, carreava as ondas de luz através do espaço vazio.

Em 1887, os físicos Albert Michelson e Edward Morley decidiram testar experimentalmente a hipótese do éter medindo a velocidade da luz em diferentes direções. Se o éter existisse, então um feixe de luz alinhado com o movimento da Terra ao redor do Sol deveria se mover mais rapidamente do que um feixe de luz viajando na direção oposta, empurrando contra um hipotético "vento de éter".

"Nós podemos imaginar que, naquela época, era óbvio para todos que eles iriam detectar o éter, porque o que mais poderia ser?" comenta o professor Flip Tanedo, da Universidade da Califórnia de Riverside.

Mas o experimento não encontrou nenhuma variação na velocidade da luz, gerando um famoso resultado nulo que desafiou a hipótese do éter e forçou um acerto de contas na comunidade física global.

É fácil ser desdenhoso com uma era em que os cientistas trabalharam duro para testar uma hipótese que se revelou incorreta, comenta Matthew McCullough, físico teórico do CERN. Mas quando os cientistas refutam uma teoria favorita, eles são forçados a voltar à prancheta, o que acaba aprofundando nossa compreensão da realidade física.

Hoje, os físicos de partículas se encontram em uma nova era em que os resultados nulos superam as descobertas. Os "momentos éter" modernos estão forçando a comunidade da física de partículas a revisitar suas teorias favoritas e se reconciliar com algumas verdades difíceis.

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[Imagem: Sandbox Studio/Chicago]

Repensando a SUSY

O Modelo Padrão é a nossa melhor estrutura para a compreensão do Universo no nível subatômico. Desenvolvido pela primeira vez na década de 1960, ele foi testado e comprovado inúmeras vezes e provou explicar com precisão as partículas fundamentais e suas interações.

Nas décadas de 1960 e 1970, vários físicos desenvolveram uma extensão do Modelo Padrão chamada supersimetria (ou SUSY, abreviando SUperSYmmetry). A SUSY tornou-se uma das candidatas mais promissoras para uma teoria unificada da física de partículas.

De acordo com a SUSY, cada partícula de matéria no Modelo Padrão - como o elétron e cada tipo de quark - tem um parceiro supersimétrico oculto correspondente, portador de força. Da mesma forma, cada partícula portadora de força tem um parceiro supersimétrico de matéria.

Essa simetria ofereceu soluções elegantes para vários problemas não resolvidos na física. Por exemplo, forneceu um candidato viável para a matéria escura; explicou a estabilidade dos prótons, que parecem não decair; e permitiu a unificação das forças fundamentais em altas energias.

Nos anos 1990, pesquisadores de todo o planeta se uniram para construir a maior máquina já produzida pela humanidade, o Grande Colisor de Hádrons (LHC). Os físicos do LHC tinham dois objetivos principais: Encontrar o elusivo bóson de Higgs, que ajuda a explicar por que algumas partículas têm massa e outras não. E encontrar a supersimetria.

Em 2010, quando o LHC começou a coletar dados, muitos físicos sentiram que estavam prestes a desvendar os segredos da natureza. "Nós ligamos o LHC e estávamos em uma missão," confessa Maurizio Pierini, físico do CERN.

Muitos esperavam a descoberta da SUSY antes da do bóson de Higgs, conta Pierini. Eles esperaram que a multidão de partículas parceiras da SUSY aparecesse.

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[Imagem: CERN]

Mas SUSY não apareceu

Dois anos depois que o LHC começou a coletar dados, os físicos anunciaram a descoberta do bóson de Higgs. Mas, apesar das inúmeras buscas, a supersimetria não foi encontrada em lugar nenhum.

"Quando se trata de descobrir a SUSY, é como se tivéssemos nos proposto a vencer uma corrida de 100 metros apenas para descobrir que estávamos correndo uma maratona," disse Pierini.

O Higgs é conhecido como a "peça final do Modelo Padrão". Mas, sem algo além dele, como a supersimetria, para responder a perguntas sem resposta, o Modelo Padrão ficou parecendo um castelo sem alicerces. "Estamos em um momento de confusão máxima," diz Pierini.

Até mesmo o bóson de Higgs deixou os cientistas coçando suas cabeças.

"Se eu der um passo para trás e tentar avaliar essa construção chamada Modelo Padrão, eu diria que temos que ter sorte para a massa do Higgs ser o que é," comenta Tanedo. "Ainda que o Modelo Padrão faça sentido por si só, se houvesse qualquer outra coisa, como a matéria escura, gravidade quântica ou massa de neutrinos, eles deveriam tornar a massa do Higgs mais pesada."

A massa do bóson de Higgs, medida em 125 giga-elétron-volts, situa-se precisamente na escala de energia em que se espera que o Modelo Padrão da física de partículas se rompa, avalia Pierini: "É a arma fumegante da nova física."

O valor específico da massa do Higgs sugere fortemente que os físicos devem encontrar novas partículas na faixa circundante, algo em torno de 100, 200 ou 300 GeV. Mas, diz Pierini, "procuramos e só encontramos fumaça."

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[Imagem: Sandbox Studio/Kimberly Boustead]

Pensando fora da caixa

Com tantas perguntas sem resposta na física e na cosmologia, a maioria dos físicos acredita que há mais a descobrir, mas não na forma das partículas SUSY que imaginaram originalmente, diz Pierini. "Neste momento, é muito improvável que tenhamos o tipo de descoberta que esperávamos há 20 anos."

Os físicos do LHC realizaram "uma quantidade incrível de trabalho - alguns deles além do que qualquer um havia previsto," acrescenta ele. "A SUSY simplesmente não apareceu."

Os físicos agora estão voltando sua atenção para possibilidades mais complexas e menos óbvias, diz McCullough: "Experimentos podem ser um catalisador real para o progresso, colocando os teóricos em uma situação muito desconfortável, onde a única maneira de escapar é pensar fora da caixa."

Uma ideia é que o LHC esteja produzindo partículas SUSY, mas com vidas úteis longas, que podem viajar de alguns centímetros a alguns quilômetros antes de decair e se tornarem visíveis aos detectores. Essas partículas de longa duração deixariam assinaturas incomuns, que os cientistas poderiam facilmente interpretar erroneamente como resultado de um mau funcionamento do detector. Os cientistas estão desenvolvendo diversas maneiras de procurar por elas.

Para investigar o mistério persistente da matéria escura, os físicos estão construindo experimentos para detectar uma variedade de potenciais candidatos, incluindo áxions ultraleves, que agiriam menos como partículas e mais como ondas.

Na ausência da SUSY, os cientistas estão empurrando a física para o futuro. Ao reexaminar premissas fundamentais e refinar sua abordagem aos experimentos, eles estão lançando as bases para os próximos grandes avanços, especialmente se as respostas forem completamente inesperadas.

Esses esforços incluem a continuidade da coleta de dados com o LHC, que, após a rodada atual será transformado no LHC de Alta Luminosidade. Antes do fim de sua existência, espera-se que o conjunto de dados do LHC aumente dez vezes.

"Ainda temos um longo caminho a percorrer," conclui Pierini.

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