O que é supersimetria?
A supersimetria é uma simetria hipotética do espaço e do tempo e é única. Por décadas, essa idéia foi muito popular entre os físicos teóricos por várias razões - foi um sucesso quando eu era estudante, mesmo antes de a física se tornar um tópico interessante e ainda mais cedo.
Uma conseqüência automática da presença de simetria na natureza será que cada tipo de partícula terá um ou mais super parceiros - outro tipo de partícula que possui as mesmas propriedades, mas difere de uma maneira certa e importante. Se a partícula é um férmion, seu super parceiro é um bóson. Se uma partícula é um bóson, seu super parceiro é um férmion (o
que são férmions e bósons ).
Em nosso mundo, muitos férmions são todas partículas de matéria - e muitos bósons são todos portadores de interações. Mas nenhuma dessas partículas tem propriedades adequadas para ser alguém super parceiro. Portanto, se a supersimetria fosse simetria natural, cada um dos tipos de partículas elementares conhecidas por nós teria que ter parceiros, até sermos descobertos. E como conhecemos mais de 20 partículas, temos muito trabalho a fazer!
Então, o que é essa simetria? Essa é uma simetria que conecta espaço e tempo com as direções de espaço e tempo dos super parceiros - em outras palavras, o espaço-tempo possui dimensões adicionais diferentes das que conhecemos. Na dimensão bosônica - estamos acostumados a eles - você pode se mover o quanto quiser, por exemplo, se mover para a esquerda passo a passo. Na dimensão fermiônica, tudo é organizado de modo que apenas um passo possa ser dado. Se você der mais um passo, não se encontrará em lugar algum. Você só pode voltar. Parece estranho, e é; no final, é necessário determinar tais medidas através da matemática, e não usar palavras ou analogias.
A teoria da relatividade de Einstein faz um excelente trabalho ao descrever e prever muitos aspectos do nosso mundo. Sua teoria consiste em um conjunto de equações que obedecem a um certo conjunto de simetrias. Por exemplo, simetria translacional ou simetria associada à transferência de um experimento de um lugar no espaço-tempo para outro: um experimento realizado hoje em Londres produzirá o mesmo resultado que o mesmo experimento realizado alguns meses depois em Tóquio. Nos anos 60, foi matematicamente provado que a supersimetria é a única simetria que pode ser adicionada às simetrias da teoria de Einstein para que as equações resultantes não comecem a divergir das propriedades do mundo real. Nesse sentido, a supersimetria se destaca.
Onde estão essas partículas de superparceiros?
Se a supersimetria fosse a simetria exata da natureza, já encontraríamos muitos super parceiros.
Antes de prosseguir, vamos relembrar quais
partículas elementares são
conhecidas por nós. No artigo por referência fig. 1 e 2 são especialmente úteis para capturar rapidamente as partículas e compará-las com as figuras abaixo.
Fig. 1Na fig. 1, mostrei quais partículas existiriam no mundo se o Modelo Padrão fosse suplementado por supersimetria precisa.
• Para cada férmion da matéria, por exemplo, um elétron ou um quark estranho, existem duas novas partículas - ambos os bósons. Seus nomes são muito feios, um elétron e um estranho, onde "c" significa supersimetria. Você pode perguntar por que existem dois deles (e por que existe apenas um para cada neutrino). Consulte a fig. 3 abaixo, e tudo deve ficar claro para você.
• Para bósons portadores, existem parceiros de férmion. Um fóton tem um fóton, um glúon tem um gluino, etc. Com enormes bosões W, as coisas são um pouco mais complicadas. Eles têm um vinho parceiro [wino], bem como um parceiro Higgs chamado H
+ (Atenção! Esta partícula não deve ser confundida com a partícula H
+ que aparece em um artigo que diz
o que aconteceria com o Modelo Padrão se o campo Higgs fosse Infelizmente, na física de partículas com nomes de partículas, há um problema constante - não há letras suficientes). Todas essas partículas têm exatamente a mesma massa neste mundo supersimétrico imaginário.
• Neste modelo, existem duas partículas de Higgs, h
0 e H
0 , e cada uma possui um parceiro Higgsino. Um é sem massa, o segundo é maciço. Por que dois? Acontece que, no mundo supersimétrico, são necessárias duas partículas para que a massa apareça nos quarks superior e inferior da maneira usual. O segundo argumento é que dois Higgsino são necessários para a consistência matemática.
Mas, obviamente, esse mundo idealmente supersimétrico não é nosso. Como mostra a figura, em um mundo como esse, partículas e seus super parceiros:
• Da mesma forma, interaja com outras partículas e seus super parceiros.
• Tenha exatamente o mesmo peso.
Saberíamos mais de cem anos atrás sobre a existência de partículas que teriam a mesma carga elétrica e a mesma massa que os elétrons, mas elas não seriam elétrons. Por exemplo, teríamos átomos com elétrons, átomos com elétrons e átomos com sua mistura. O número de tipos de átomos seria muito maior que os observados e, como os bósons nos átomos se comportariam de maneira completamente diferente dos férmions, a química dos novos átomos seria completamente diferente. Dados e experiência cotidiana excluem essa possibilidade. Não há elétrons com massa de elétrons, e esse é o ponto. Portanto, a supersimetria exata não é uma teoria correta da natureza, e sabíamos disso antes mesmo de concebê-la.
O fim da supersimetria? Não é tão rápido.
Apesar da aparente catástrofe, a teoria original da supersimetria nos dá uma maneira simples e plausível de sair da situação. A idéia de que simetrias podem ser escondidas do nosso olhar é difundida na física (os físicos dizem que espontaneamente se rompem, mas esse não é um exemplo intuitivo muito bom - há simetria, é simplesmente difícil de reconhecer).
Fig. 2Um exemplo é a simetria rotacional na Terra. As leis da natureza não dependem de como o experimento será orientado (ver Fig. 2). Isso é verdade, mas é difícil ver na Terra, onde importa se o seu experimento está virado do lado certo para cima ou de cabeça para baixo ou inclinado. Mas no espaço distante, longe de planetas, luas e estrelas, as leis da natureza têm simetria rotacional. Sua experiência dará a mesma resposta, independentemente de sua orientação. A propósito, medições da luz emitida por átomos muito distantes confirmam essa teoria. Terra nos confunde. Isso nos faz pensar que a direção descendente é diferente da direção ascendente ou esquerda. Mas essa aparente diferença não é propriedade das leis da natureza. A diferença surge da proximidade da Terra, escondendo a simetria rotacional do nosso olhar.
A questão é: e se algum aspecto do nosso mundo (não tão áspero quanto a Terra, mas algum imperceptível, como o campo de Higgs) se esconder da supersimetria de nossos olhos em todo o Universo? O que então? Acontece que é muito fácil obter o mesmo mundo que o nosso, onde existem os superparceiros de peças famosas, ficou mais difícil - muito pesado para ser encontrado em experimentos.
Fig. 3Um mundo possível realista desse tipo - talvez semelhante ao nosso - é mostrado na fig. 3. Você vê que a violação da supersimetria (o fato de ser oculta e não fácil de detectar) aumentou a escala de massa de todos os super parceiros, de modo que toda a escala de massa é maior que a massa do quark superior. E isso não é tão artificial ou estúpido quanto parece - a matemática aceita prontamente esse efeito. Existem muitos exemplos precisos de como isso pode acontecer - mas há muitos deles para nos fazer adivinhar qual é o mais provável.
Neste mundo provável, que mostrei para você, fiz várias suposições arbitrárias, mas elas são frequentemente encontradas em exemplos detalhados de quebra de supersimetria estudados por físicos teóricos, incluindo eu:
• Squarks e gluino ganham muito peso.
• Sleptons e sneytrinos receberam uma grande massa, mas provavelmente um pouco menos que squarks e gluino.
• Vinho, zino, fotino e Higgino misturados em um conjunto de partículas eletricamente carregadas, chargeino e partículas eletricamente neutras, neutras, algumas das quais provavelmente são um pouco mais massivas que W e Z.
• Cinco partículas de Higgs têm uma ampla gama de massas, embora pelo menos uma delas seja bastante leve.
E este não é o único esquema que pode ocorrer quando a supersimetria é quebrada! Existem muitas outras possibilidades que chamarei de opções de supersimetria. Mas a opção que apresentei é a mais popular entre teóricos e experimentadores, especialmente na Europa (nos EUA é menos popular, não conheço outros lugares). Existem boas razões para essa popularidade; verifica-se que existem várias maneiras independentes de obter um circuito semelhante a este. No entanto, a popularidade sempre gera viés, e precisamos considerar todas as possibilidades sem fazer suposições sobre esses argumentos.
Mas se os super parceiros são muito grandes, não pode acontecer que não possamos produzir nenhum deles nas próximas décadas ou mesmo séculos? Não estamos contando o
número de anjos que podem caber na ponta de uma agulha ? Do exposto, segue-se realmente que esse risco existe. No entanto, há um argumento mais sutil a favor da presença de supersimetria, graças à qual muitos físicos têm a esperança de que todos esses super parceiros estejam ao alcance do Large Hadron Collider. Isso decorre do fato de que a supersimetria resolveria o problema da hierarquia - um dos maiores mistérios do mundo.
Uma propriedade importante da natureza que confunde os cientistas, inclusive eu, é a propriedade da hierarquia - a enorme diferença entre as propriedades da interação nuclear fraca e a gravidade. Essa hierarquia pode ser descrita de várias maneiras diferentes, cada uma das quais se baseia em uma de suas propriedades. Por exemplo:
A massa do menor buraco negro possível determina o que é conhecido como
massa de Planck . Uma maneira mais precisa de determinar essa quantidade é combinando a constante gravitacional newtoniana G, a constante quântica [reduzida] de Planck ħ e a velocidade da luz c: a massa de Planck é
As massas de partículas W e Z que sofrem fraca interação nuclear são cerca de 10.000.000.000.000.000 de vezes menos que a massa de Planck. Nesse sentido, existe uma enorme hierarquia de escalas de massa entre interação nuclear fraca e gravidade.
Diante de um número tão grande como 10.000.000.000.000.000, dez quadrilhões, os físicos naturalmente fazem a pergunta: de onde veio? E ele pode ter uma explicação bastante interessante.
Mas, tentando encontrar essa explicação na década de 1970, os físicos viram a existência de um problema sério, até um paradoxo, oculto por trás desse número. Esse problema, agora conhecido como problema de hierarquia, está associado ao tamanho do campo Higgs diferente de zero, que por sua vez determina a massa das partículas W e Z.
O campo Higgs diferente de zero tem um tamanho de cerca de 250 GeV, isso fornece uma massa de partícula de W e Z igual a cerca de 100 GeV. Mas, da mecânica quântica, conclui-se que esse tamanho do campo de Higgs é instável, é algo como (analogia incompleta!) Um vaso equilibrando-se na borda da mesa. Pela física que conhecemos, pelo jitter quântico, parece que para o campo de Higgs deve haver dois significados naturais - por analogia, com dois lugares naturais para um vaso, ou seja, de pé firmemente em uma mesa ou caído no chão. E acontece que o campo de Higgs parece ser zero ou deve ser comparável em tamanho à energia de Planck, 10.000.000.000.000.000 mais que o valor observado. Por que seu valor é obtido diferente de zero e tão minúsculo que, à primeira vista, não é natural?
Este é o problema da hierarquia.
Muitos físicos teóricos dedicaram uma parte significativa de sua carreira às tentativas de resolver esse problema. Alguns argumentaram que precisávamos de novas partículas e novas interações (suas idéias são chamadas supersimetria, cor técnica, pequena Higgs, etc.) Alguns disseram que nossa compreensão da gravidade é errônea e que existem novas e desconhecidas dimensões ("dimensões adicionais ») Os espaços que encontraremos em um futuro próximo em experimentos no LHC. Outros dizem que não há nada a explicar, uma vez que o efeito de seleção está em vigor: o Universo é muito maior e mais diverso do que a parte que estamos observando, e vivemos em uma parte não natural do Universo, principalmente porque sua parte restante é inadequada para a vida - assim como , apesar do fato de os planetas rochosos serem raros, vivemos em um deles, porque só aqui poderíamos evoluir e sobreviver. Talvez esse problema tenha outras soluções ainda não inventadas.
Muitas dessas soluções - certamente todas as soluções com novas partículas e interações e com novas dimensões - prevêem que novos fenômenos possam ser vistos no LHC. E gradualmente, mas inexoravelmente, o LHC elimina essas possibilidades uma após a outra. Até agora, não vimos nenhum fenômeno inesperado. Mas estamos apenas no começo da jornada.
A propósito, pode-se frequentemente ler como o problema da hierarquia está associado à massa de partículas de Higgs. Isto não é verdade. O problema é que o valor do campo Higgs diferente de zero é muito grande. A rigor, a mecânica quântica não corrige a massa de Higgs, mas o quadrado da massa de Higgs, alterando a energia potencial do campo de Higgs e, portanto, a magnitude do campo, tornando-o zero ou muito grande. E isso é um desastre, já que as massas W e Z são conhecidas. A massa de Higgs é desconhecida, portanto poderia ser muito grande - se as massas W e Z também fossem grandes. Portanto, o problema está nas massas de W e Z - e na magnitude do campo de Higgs diferente de zero, o problema do ponto de vista lógico e científico.