Candidata a 5ª força da Natureza justifica escrutínio intenso

Refutada ou confirmada, iremos ver: “Seria loucura não fazer outra experiência para verificar esse resultado.”

Terá um laboratório de física húngaro encontrado uma quinta força da natureza?

Uma experiência laboratorial na Hungria descobriu uma anomalia num decaimento radioactivo que poderá ser, ou não, a assinatura de uma quinta força fundamental da natureza.

Os Físicos do MTA ATOMKI, o Instituto de Pesquisas Nucleares de Debrecen, na Hungria, liderados pelo Professor Doutor Attila Krasznahorkay, anunciaram que um seu aparato – um acelerador do tipo Van de Graaff – terá encontrado evidências para uma nova partícula e para um novo campo-força associado.

Este Candidato a campo-força é até hoje um ilustre desconhecido, e tem de ser confirmado, ou refutado, por outras experiências que repliquem estes resultados.

Na sua busca por partículas constituintes da misteriosa matéria-escura os físicos poderão ter descoberto um novo campo-força e a sua partícula “transportadora”, o seu bosão mediador.

Os aglomerados de galáxias contêm uma quantidade significativa de matéria-escura. Nesta imagem, a matéria-escura parece alinhar-se bem com o gás quente de tonalidade azul. Créditos: NASA

Attila Krasznahorkay do Instituto de Pesquisas Nucleares da Academia Húngara de Ciências em Debrecen na Hungria, e os seus colegas no Laboratório para pesquisa nuclear e astrofísica relataram o seu surpreendente resultado em 2015 no arquivo digital de pré-publicação arXiv, e em Janeiro de 2016 na revista Physical Review Letters1.

Na altura, observaram que os desvios dos ângulos do decaimento experimental eram grandes demais para corresponderem apenas ao decaimento previsto, e que a razão do decaimento de pares de partículas do isótopo de 8Be (uma forma do elemento Berílio) por si não satisfazia a conservação da energia associada ao processo.

Legenda: a linha E1 corresponde aos ângulos expectáveis, e as linhas M1+0.02E1 e M1 correspondem aos ângulos observados. Foram filtrados desvios atribuíveis aos conjuntos de telescópios instalados dentro do acelerador Van der Graaff. Crédito: Instituto de Pesquisas Nucleares da Academia Húngara de Ciências.

A nova partícula terá uma massa invariante de 17.6 MeV, como se pode verificar na detecção dos 6 telescópios (para além dos 3 menos sensíveis) utilizados. Corresponde a cerca de 34 vezes a massa invariante dum electrão.

Mas o relatório – que postulava a existência de um novo bosão com massa invariante, apenas 34 vezes mais pesado do que o electrão, e de carga eléctrica neutra – foi ignorado.

Hoje em dia publicam-se cerca de dez mil “papers” científicos por dia, de acordo com uma estimativa da Canadian Science Publishing, o que justifica essa desatenção inicial.

Mas a 25 de Abril deste ano de 2016, um grupo de físicos teóricos americanos trouxe a descoberta para uma maior atenção, publicando a sua própria análise do resultado.

Nesse artigo, demonstraram que os dados não entravam em conflito com quaisquer experiências anteriores – e concluíram que poderia constituir evidências de uma quinta força fundamental. “Resgatámos este artigo duma relativa obscuridade”, diz Jonathan Feng, da Universidade da Califórnia, em Irvine, autor principal do artigo de análise.

Quatro dias depois, dois dos colegas de Feng discutiram o achado durante um workshop no Laboratório Nacional SLAC em Menlo Park, na Califórnia. Os investigadores não estavam somente cépticos, mas também entusiasmados com a ideia, diz Bogdan Wojtsekhowski, um físico do Thomas Jefferson National Accelerator Facility em Newport News, na Virgínia. “Muitos participantes do encontro estão a pensar em maneiras diferentes de verificar”. Há grupos de investigação na Europa e nos Estados Unidos que dizem dever ser capazes de confirmar ou de refutar os resultados experimentais húngaros no prazo dum ano.


Procurar novas forças.

A gravidade, o electromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca são tidas como as quatro forças fundamentais conhecidas pela física – mas os pesquisadores fizeram muitas reivindicações ainda não fundamentadas de uma quinta força. Ao longo da última década, a busca de novas forças aumentou devido à incapacidade do modelo padrão de física de partículas para explicar a matéria escura – uma substância invisível que compõe mais de 80% da massa do Universo. Os teóricos propuseram várias partículas de matéria exótica e mediadores de força, incluindo “fotões escuros”, por analogia com os fotões convencionais da força electromagnética, que inclui as cores que vemos no nosso dia-a-dia.

Krasznahorkay diz que o seu grupo estava procurando evidências desse fotão escuro – mas a equipa de Feng acha que encontraram algo diferente. A equipa húngara disparou protões contra alvos finos de Lítio-7, o que criou núcleos instáveis ​​de berílio-8 que, de seguida, decaíram e lançaram pares de electrões e de positrões. De acordo com o modelo padrão, os físicos devem ver que o número de pares observados diminui à medida que o ângulo que separa a trajectória do electrão e do positrão aumenta.

Mas a equipa relatou que a cerca de 140°, o número de tais emissões aumenta – criando uma “colisão” quando o número de pares são traçados contra o ângulo – antes de diminuir novamente em ângulos mais elevados.

Krasznahorkay diz que a colisão é uma forte evidência de que uma fracção minúscula dos núcleos instáveis ​​de berílio-8 derramaram o seu excesso de energia na forma de uma nova partícula, que então decai para um par electrão-positrão. Ele e os seus colegas calcularam a massa da nova partícula num valor de cerca de 17 mega electrões-volt (MeV).

“Estamos muito confiantes sobre os nossos resultados experimentais”, diz Krasznahorkay. A equipa repetiu o seu teste várias vezes nos últimos três anos e eliminou todas as possíveis fontes de erro. Supondo que tenham logrado essa filtragem, então as probabilidades de se ver uma anomalia tão extrema se não houvesse nada de incomum a suceder são cerca de 1 em 200 mil milhões.

Feng e os seus colegas dizem que a partícula de 17 MeV não é um fotão-escuro. Após a análise da anomalia e de terem investigado as propriedades consistentes com os resultados experimentais anteriores, concluíram que a partícula poderia ser um “bosão protofóbico X”. Não gosta de Protões, gosta de Neutrões.

Não interage, ou não tem acoplamento com Protões, mas interage com electrões (-e), com positrões (e+), a anti-partícula do electrão (+e), com neutrões(N), sendo que o X designa a incógnita e o mistério encontrados.

Fotão-escuro ( γ-dark) e fotão convencional ( γ)
γ-dark, γ → e-,e+,P

Fotão X (γ X)
γ X → e-,e+, N

Tal partícula carregaria uma força de alcance extremamente curto que actua sobre distâncias de apenas várias vezes a largura de um núcleo atómico.

E reitera a diferença que enquanto o modelo dum fotão escuro (como um fotão convencional) se acopla a electrões e a protões, o novo bosão se acopla com electrões e outrossim com neutrões.

Feng diz que o seu grupo está atualmente a investigar outros tipos de partículas que poderiam explicar a anomalia. Mas o bosão protofóbico é “a hipótese mais directa”, diz ele.


Acoplamento não convencional

Jesse Thaler, físico teórico do Massachusetts Institute of Technology (MIT) em Cambridge, diz que o acoplamento não convencional proposto pela equipa de Feng o torna céptico quanto à existência da nova partícula.

“Certamente não é a primeira coisa que eu teria escrito se tivesse permissão para ampliar o modelo padrão à minha vontade”, diz ele. Mas acrescenta que está “prestando atenção” à proposta. “Talvez nós estejamos vendo o nosso primeiro vislumbre da física para além do universo visível.”

Os investigadores não devem ter de esperar muito para descobrir se uma partícula de ~17 MeV realmente existe. A experiência DarkLight no Laboratório de Jefferson foi projectada para procurar fotões escuros com massas de 10-100 MeV, disparando electrões contra um alvo de gás de hidrogénio. Agora, diz o porta-voz da colaboração Richard Milner do MIT, irá direccionar e dar prioridade à região de 17 MeV, e, dentro de cerca de um ano, poderá eventualmente encontrar a partícula proposta ou estabelecer limites rígidos do seu acoplamento com a matéria normal.

A pesquisa do bosão proposto decorrerá também na experiência LHCb no CERN, o laboratório de física de partículas da Europa perto de Genebra, que estudará os decaimentos quark-antiquark e, para além do LHCb, mais duas experiências dispararão positrões contra um alvo fixo – um no Laboratório Nacional INFN Frascati perto de Roma, que estará operacional em 2018, e o outro no Instituto Budker de Física Nuclear na cidade siberiana de Novosibirsk, na Rússia.

O impressionante magnete do LHCb pesa 27 toneladas.
Créditos: LHCb

Fácil? Não, não é fácil confirmar.

Rouven Essig, físico teórico da Stony Brook University de Nova York e um dos organizadores do workshop SLAC, acha que as propriedades “um tanto inesperadas” do bosão tornam improvável uma confirmação. Mas ele congratula-se com os testes. “Seria uma loucura não fazer outra experiência para verificar esse resultado”, diz ele. “A natureza já nos surpreendeu antes!”

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Fontes:

Nature doi: 10.1038 / nature.2016.19957
Papers indicados.
Simone Ulmer, Physics.Org
Hungarian Academy of Sciences -Institute for Nuclear Research
Ricardo de Castro, debates sobre candidatos a matéria escura, Fotão X.
Fotão X, GUT, Modelo-Padrão da Cosmologia, Cronologia do Big Bang, 1ºLoop, 2ª Fase (vários)
A Gut Feeling about everything, Matthew R. Francis -Fermilab/SLAC.

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Notas finais:

Tradicionalmente, a Física de Partículas discorre 4 principais campos-força na Natureza, numa hierarquia de intensidade que é, por si só, um enigma.

Esta ordem da natureza é um dos maiores enigmas da Física, que lhe chama “Problema da Hierarquia.”

Porque será nesta disposição? Porque terá parâmetros relativos algo díspares consoante o ponto de partida de análise, embora com diferenças grosso modo sempre muito vincadas? Não se sabe. Este mistério gera alguma perplexidade paralisante nos debates, já que ninguém sabe. Perguntemos então ao sr. Ninguém o que se passa, não porque assim se passa.

De menos intenso e para mais intenso temos:

1) A Gravitação, cuja intensidade é muito débil, e que é tratada pela Teoria de Consenso do muito grande, A Teoria da Relatividade Geral (diferente da Especial) de Einstein.
Alcance: Infinito.

2) O Electromagnetismo e a suas interacções com a matéria, que abarca todas as formas de luz, e cujo corpo de conhecimento consensual se chama QED – Quantum Electrodynamics.
Alcance: Infinito.

3) A Força Fraca, responsável pela fusão dos núcleos nas estrelas, e pelas interacções com os neutrinos, pelo decaimento Beta. Com mais simplicidade: faz o Sol brilhar.
Alcance: 10^-18 metros. (0,1% do diâmetro dum Protão).

4) A Força Forte, que trata dos assuntos internos dos núcleos dos átomos, e cujo modelo se chama informalmente “modelo dos quarks” e formalmente por QCD: quantum chromodynamics.
Alcance: 10^-15 metros. (diâmetro dum núcleo atómico de tamanho médio).

Reparem noutro detalhe subjacente, por intervenção natural e imperativa do Principio da Incerteza de Heisenberg em acção:

Quanto menor a intensidade, maior o alcance, e vice-versa.

A gravitação e o electromagnetismo têm intensidades débeis (embora o EM seja muito mais intenso) e um alcance infinito, mas esse infinito é debilitado pela Lei do inverso do quadrado da distância presente nestas duas forças. As luzes do vosso carro ficam 4 vezes mais fracas quando se duplica a distância. É claro (ou escuro, neste caso) que se o vosso carro estiver por absurdo situado na Lua não conseguem ver nenhuma da suas luzes.

Há mais campos-forças, a exemplo do campo-força do Higgs (cujas interacções acrescentam massa às partículas com massa invariante) e até o campo-força da carga da cor, responsável pelo quarks andarem sempre ligados em conjuntos de 3, ou de 2 (ou mesmo em exóticos ensembles de 4 e de 5) entre si pelos gluões, nunca andarem por aí sozinhos, estando, para sermos mais formais, confinados, ou restringidos por essa ligação elástica.

Quando as experiências e as observações sugerem um novo campo-força, diz-se, de forma informal, para simplificar, que se pode ter vislumbrado um candidato ao 5º posto. É só isso, mas como toda a gente entende o que se está a dizer, aceita-se este “5º lugar” mesmo em sede formal de publicação científica.

Tudo está por confirmar, pode tratar-se duma esquiva flutuação estatística e nada ter sido descoberto.

Por último, um detalhe deveras importante, que está explícito neste post mas de forma numérica porventura meio encriptada.

Os cientistas húngaros estabeleceram um Sigma >5 para o seu achado, isso significa tratar-se duma descoberta, não duma interferência estatística que teria emergido do número de eventos.

Mesmo assim, com este sino tão exigente e tão estreito no desenho dos diagramas dos Sigmas, a Ciência, para ser Ciência, exige confirmações independentes.

É que poderemos estar na presença dum Bosão que interage, porventura, com a matéria-escura.

Com ~22.7% do nosso Universo, numa parcela tão invisível como misteriosa para nós.

Ou não. E nesse caso também avançamos, porque refutamos um candidato e nos iremos focar noutros.

A ciência não é fácil, mas é fabulosa!