O maior problema não resolvido da física moderna: por que a gravidade é tão fraca?

Nosso modelo padrão de partículas e interações elementares, não muito tempo atrás, se tornou tão completo quanto se poderia desejar. Cada partícula elementar - em todas as suas formas possíveis - foi criada em laboratório, medida e determinadas propriedades para todas. O quark superior mais antigo, o antiquark, o tau neutrino e o antineutrino e, finalmente, o bóson de Higgs, foram vítimas de nossas possibilidades.

E o último, o bóson de Higgs, também resolveu o antigo problema da física: finalmente, podemos demonstrar de onde vêm as partículas elementares!



É tudo legal, mas a ciência não termina quando a solução para esse quebra-cabeça termina. Pelo contrário, levanta questões importantes, e uma delas é "o que vem depois?". Quanto ao modelo padrão, podemos dizer que ainda não sabemos tudo. E para a maioria dos físicos, uma das perguntas é especialmente importante - para descrevê-la, primeiro consideremos a propriedade a seguir do Modelo Padrão.



Por um lado, interações fracas, eletromagnéticas e fortes podem ser muito importantes, dependendo de suas energias e das distâncias em que a interação ocorre. Mas com a gravidade não é assim.

Se você de repente ler este belo livro de Lisa Randall , autora , ela escreveu muito sobre esse enigma, que eu chamaria de o maior problema não resolvido da física teórica: o problema da hierarquia .



Podemos pegar duas partículas elementares - qualquer massa e sujeitas a qualquer interação - e descobrir que a gravidade é 40 ordens de magnitude mais fraca que qualquer outra força no universo. Isso significa que a força da gravidade é 10 ⁴⁰vezes mais fraco que as três forças restantes. Por exemplo, embora não sejam fundamentais, mas se você pegar dois prótons e os separar um metro, a repulsão eletromagnética entre eles será 10 a ⁴⁰ vezes mais forte que a atração gravitacional. Ou, em outras palavras, precisamos aumentar a força da gravidade em 10.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 vezes para compará-la com qualquer outra das forças.

Além disso, não se pode simplesmente aumentar a massa de prótons por um fator de 10 ²⁰ , de modo que a gravidade os une, superando a força eletromagnética.



Em vez disso, para que reações como a ilustrada acima ocorram espontaneamente, quando os prótons superam sua repulsão eletromagnética, é necessário montar 10 ⁵⁶prótons. Somente unindo-se e sucumbindo à força da gravidade, eles podem superar o eletromagnetismo. Acontece que 10 ⁵⁶ prótons formarão a massa mínima possível da estrela.

Esta é uma descrição de como o universo funciona - mas por que é assim, não sabemos. Por que a gravidade é tão mais fraca que outras interações? Por que a “carga gravitacional” (ou seja, massa) é mais fraca que a elétrica ou a cor, ou mesmo fraca?

É aqui que reside o problema da hierarquia e, por muitas razões, serve como o maior problema não resolvido da física. A resposta é desconhecida para nós, mas não podemos dizer que somos completamente ignorantes. Teoricamente , temos boas idéias sobre como encontrar uma solução e uma ferramenta para encontrar evidências de sua correção.



Até agora, o Large Hadron Collider - a energia mais alta dos coletores - atingiu níveis de energia sem precedentes no laboratório, coletou um monte de dados e recriou o que está acontecendo nos pontos de colisão. Isso inclui a criação de novas partículas até então não vistas (como o bóson de Higgs) e o aparecimento de partículas antigas e bem conhecidas do Modelo Padrão (quarks, leptons, bósons de medida). Além disso, é capaz, se existir, de produzir outras partículas que não estão incluídas no Modelo Padrão.

Existem quatro maneiras possíveis que eu conheço - ou seja, quatro boas idéias - para resolver o problema da hierarquia. A boa notícia é que, se a natureza escolher um deles, o LHC o encontrará! (Caso contrário, a pesquisa continuará).



Além do bóson de Higgs, encontrado há vários anos, não foram encontradas novas partículas fundamentais no LHC. (Além disso, não há nenhum candidato interessante a novas partículas). E, no entanto, a partícula encontrada era totalmente consistente com a descrição do Modelo Padrão; nenhuma dica estatisticamente significativa da nova física foi notada. Nem os bósons de Higgs compostos, nem as múltiplas partículas de Higgs, nem decaimentos não padronizados, nada disso.

Mas agora começamos a receber dados de energias ainda mais altas, duas vezes maiores que as anteriores, até 13-14 TeV para encontrar outra coisa. E quais são, nesse sentido, soluções possíveis e razoáveis ​​para o problema da hierarquia?



1) Supersimetria, ou SUSY. A supersimetria é uma simetria especial capaz de causar as massas normais de quaisquer partículas grandes o suficiente para que a gravidade seja comparável a outras influências, aniquilando-se mutuamente com um alto grau de precisão. Essa simetria também pressupõe que cada partícula no modelo padrão tenha uma super partícula parceira e que haja cinco partículas de Higgs e cinco de seus superparceiros. Se tal simetria existe, ela deve ser quebrada ou os super parceiros teriam as mesmas massas que as partículas comuns e seriam encontrados há muito tempo.

Se o SUSY existe em uma escala adequada para resolver o problema da hierarquia, o LHC, tendo atingido energias de 14 TeV, deve encontrar pelo menos um super parceiro e uma segunda partícula de Higgs. Caso contrário, a existência de super parceiros muito pesados ​​levará a outro problema de hierarquia que não terá uma boa solução. (Curiosamente, a ausência de partículas SUSY em todas as energias refutará a teoria das cordas, uma vez que a supersimetria é uma condição necessária para as teorias das cordas que contêm um modelo padrão de partículas elementares).

Aqui está a primeira solução possível para o problema da hierarquia, que atualmente não possui evidências.



2) Technicvet(Technicolor). Não, este não é um sistema de cinema em cores da década de 1950, é um termo físico para teorias que exigem novas interações de calibre e que não possuem partículas de Higgs ou que possuem partículas de Higgs instáveis ​​ou não observáveis ​​(ou seja, compostas). Se a cor técnica fosse confirmada, ele também precisaria de um conjunto novo e interessante.partículas observadas. Em princípio, esse sistema poderia ser a solução para o nosso problema, mas a recente descoberta de uma partícula de rotação zero no nível de energia desejado parece refutar essa possível solução. Agora, se essa partícula de Higgs não fosse fundamental, mas composta, composta de várias fundamentais, isso ajudaria a teoria a permanecer uma solução aceitável. Um futuro teste de LHC com energias de 13 a 14 TeV será suficiente para descobrir com certeza.

Existem mais duas possibilidades, uma delas é mais promissora, mas ambas incluem dimensões adicionais.



3) Medidas adicionais reduzidas. Essa teoria, introduzida pelas citadas Lisa Randall e Raman Sundrum, postula que a gravidade é realmente tão forte quanto as outras influências, mas não em um universo com três dimensões espaciais. Ela mora em outro universo com três dimensões espaciais, deslocadas em relação ao nosso por apenas 10 a ³¹ metros na quarta dimensão espacial (ou, como mostrado no diagrama acima, na quinta dimensão, quando o tempo é ligado). Essa teoria é interessante porque esse sistema seria estável e poderia oferecer uma explicação de por que o Universo estava se expandindo tão rapidamente desde o início (e o espaço-tempo enrolado é capaz disso), portanto, possui fortes vantagens.

Também deve incluir um conjunto adicional de partículas; não supersimétricas, mas partículas de Kaluza-Klein, e isso é uma consequência da presença de medições adicionais. A propósito, no experimento espacial , foi obtida uma dica da existência de partículas de Kaluza-Klein em energias de 600 GeV, ou com uma massa de 5 vezes a de Higgs. E, embora essas energias ainda não tenham sido alcançadas nos colisores atuais, o novo LHC terá que ser capaz de criar essas partículas em abundância, se existirem.



Mas a existência dessa nova partícula não é garantida, pois o sinal recebido é apenas um excesso dos elétrons observados em comparação com o fundo esperado. Mas é preciso ter em mente, porque quando o LHC acelera ao máximo de energia, quase todas as partículas pesando abaixo de 1000 GeV terão que estar ao seu alcance.

E finalmente ...



4) Grandes dimensões adicionais. Medições adicionais podem não ser reduzidas, mas grandes, mas grandes apenas em comparação com as medidas reduzidas, cujo tamanho é de 10 a ³¹ m. As medições "grandes" devem ser do tamanho de milímetros, para que novas partículas comecem a aparecer dentro dos limites dos recursos do LHC. Novamente, partículas de Kaluza-Klein também podem aparecer, e essa pode ser uma solução possível para o problema da hierarquia.

Mas uma conseqüência desse modelo será que a gravidade se desvia fortemente do newtoniano a distâncias inferiores a um milímetro, e testar isso é muito difícil. Os experimentadores modernos, no entanto, estão prontos para aceitar o desafio .



É possível criar pequenos suportes super-resfriados cheios de cristais piezoelétricos (gerando eletricidade durante a deformação), com distâncias entre eles da ordem de mícrons . Essa tecnologia nos permite impor uma limitação de 5 a 10 mícrons nas medições "grandes". Em outras palavras, a gravidade funciona de acordo com as previsões da relatividade geral em escalas muito menores que um milímetro. Portanto, se existem grandes dimensões adicionais, elas estão em níveis de energia inacessíveis ao LHC e, mais importante, não resolvem o problema da hierarquia.

Obviamente, uma solução completamente diferente pode ser encontrada para o problema da hierarquia.que não pode ser encontrado em colisores modernos, ou não há solução; simplesmente pode ser uma propriedade da natureza sem qualquer explicação para isso. Mas a ciência não avançará sem tentar, e é exatamente isso que essas idéias e pesquisas estão tentando fazer: avançar nosso conhecimento do universo. E, como sempre, com o início do segundo lançamento do LHC, estou ansioso pelo que pode aparecer lá, exceto pelo já aberto bóson de Higgs!

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