Quinta força da natureza: fato ou ficção?

Por Don Lincoln, Cientista Sênior, Fermi National Accelerator Laboratory; Professor Adjunto de Física da Universidade de Notre Dame

Ciência e a internet tem uma relação difícil: a ciência tende a avançar através de uma avaliação cuidadosa e tediosa de dados e teoria, e o processo pode levar anos para ser concluído. Em contraste, a comunidade da Internet geralmente tem a atenção de Dory, o peixe distraído de "Procurando Nemo" (que agora trocou o papel com Nemo em  "Procurando Dory") - um meme aqui, uma foto de celebridade alí - oh, veja... um vídeo engraçado de um gato.

Assim, as pessoas que estão interessadas em ciência séria devem ser extremamente cautelosas quando leem uma história on-line que pretende ser uma descoberta científica de mudança de paradigma. Um exemplo recente é um sugerindo que uma nova força da natureza podem ter sido descoberta. Se for verdade, isso significaria que temos que reescrever os livros-texto.

Como físico, eu gostaria de lançar uma luz científica disciplinada sobre isso.

A quinta força

Então, o que tem sido afirmado? 

Em um artigo apresentado em 07 de abril de 2015, no repositório arXiv de artigos de física, um grupo de pesquisadores húngaros relatou em um estudo no qual eles concentraram um intenso feixe de prótons (partículas encontradas no centro de átomos ) em finos alvos de lítio. As colisões criadas em núcleos excitados do berílio-8, que decaíram em berílio 8 comum e pares de partículas de elétrons e pósitrons. (O pósitron é a antimatéria equivalente do elétron). 

Eles afirmaram que os seus dados não poderiam ser explicados por fenômenos físicos conhecidos no Modelo Padrão, o atual modelo que governa a física de partículas. Mas, eles supostamente, poderiam explicar os dados se uma nova partícula existisse com uma massa de volts, aproximadamente, 17 milhões de elétrons, que é 32,7 vezes mais pesado do que um elétron normal e apenas um pouco menos de 2 por cento da massa de um próton. As partículas que emergem nesta faixa de energia, que é relativamente baixa para os padrões modernos, foram bem estudados. E por isso seria muito surpreendente  uma nova partícula for descoberta neste regime de energia.

No entanto, a medição sobreviveu a revisão por pares e foi publicada em 26 de janeiro de 2016, na revista Physical Review Letters, que é uma das mais prestigiadas revistas de física do mundo. Nesta publicação, os pesquisadores, e esta pesquisa, limpou um obstáculo impressionante. 

Sua mensuração recebeu pouca atenção até que um grupo de físicos teóricos da Universidade da Califórnia, em Irvine (UCI), voltaram sua atenção para ela. Como os teóricos comumente vem com uma medição física controversa, a equipe comparou-a com o corpo de trabalho que foi montado ao longo do último século ou mais, para ver se os novos dados são consistentes ou inconsistentes com o corpo de conhecimento existente. Neste caso, eles olharam para cerca de uma dúzia de estudos publicados.

O que eles descobriram é que, embora a medida não entre em conflito com quaisquer estudos anteriores, parecia ser algo nunca antes observado - e algo que não podia ser explicado pelo Modelo Padrão.

Novo Arcabouço Teórico

Para fazer dar sentido à medida húngara, então, este grupo de teóricos da UCI inventou uma nova teoria.

A teoria inventada pelo grupo Irvine é realmente muito exótica. Eles começam com a premissa muito razoável que a eventual nova partícula é algo que não é descrito pela teoria existente. Isso faz sentido porque a possível nova partícula tem uma massa muito baixa e teria sido descoberta antes se fosse governada pela física conhecida. Se esta fosse uma nova partícula governada por uma nova física, talvez uma nova força estivesse envolvida. Desde que, tradicionalmente, os físicos começaram a falar de quatro forças fundamentais conhecidas (gravidade, eletromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca), essa nova força hipotética foi apelidada de "a quinta da força."

Teorias e descobertas de uma quinta força tem uma história atribulada, com medidas e ideias surgindo e desaparecendo com novos dados. Por outro lado, existem mistérios não explicados pela física comuns como, por exemplo, a matéria escura. A matéria escura, historicamente, tem sido modelada como uma única forma de uma partícula estável e maciça que até onde se sabe, só pode experimentar a força da gravidade, mas não há nenhuma razão que explique o porquê que ela não possa experimentar as 3 forças restantes. Não há razão para que a matéria escura não pudesse experimentar as forças que a matéria comum não experimenta.

Há muitas idéias sobre as forças que afetam a matéria escura somente e o termo para essa ideia básica é chamado de "Matéria escura complexa". Uma ideia comum é que há um fóton escuro que interage com uma carga escura carregada apenas por matéria escura. Esta partícula é uma matéria escura análoga ao fóton de matéria comum que interage com carga elétrica familiar, com uma exceção: algumas teorias de matéria escura complexa imbuem fótons escuros com massa, em contraste com os fótons comuns.

Se existem fótons escuros, eles podem casar com a matéria comum (e fótons) e decaírem em pares de elétron-pósitron, que é o que o grupo de pesquisa húngaro estava investigando. Como fótons escuros não interagem com carga elétrica comum, este acoplamento só pode ocorrer por causa dos caprichos da mecânica quântica. Mas se os cientistas começaram a ver um aumento em pares de elétron-pósitron, isso pode significar que eles estavam observando um fóton escuro.

O grupo de Irvine encontrou um modelo que incluía uma partícula "protofóbica" que não foi descartada por medições anteriores e explicaria o resultado húngaro. As partículas que são "protofóbicas", que literalmente significa "medo de prótons," raramente ou nunca interagem com prótons mas pode interagirem com nêutrons (neutrofílica).

A partícula proposta pelo grupo Irvine experimenta uma quinta e desconhecida força, na faixa de 12 femtometers, ou cerca de 12 vezes maior que um próton. A partícula é protofóbica e neutrofílica. A partícula proposta tem uma massa de 17 milhões de elétron-volts e pode decair em pares de elétron-pósitron. Além de explicar a medição húngara, uma partícula tal ajudaria a explicar algumas discrepâncias vistas por outras experiências. Esta última consequência acrescenta peso à ideia.

Mudanças de Paradigma nas forças

O que é provável que seja verdade? Obviamente, os dados são os reis. Outros experimentos precisarão confirmar ou refutar a medição. Nada mais importa. Mas isso vai demorar um ano ou mais e ter alguma ideia antes disso pode ser bom. A melhor maneira de estimar a probabilidade do encontrar a verdade é olhar para a reputação dos vários pesquisadores envolvidos. Esta é claramente uma maneira malfeita de fazer ciência, mas vai ajudar a sombrear as suas expectativas.

Então vamos começar com o grupo de Irvine. Muitos deles (o seniors, tipicamente) são considerados e estabelecidos membros do campo, com papéis substantivos e sólidos em seu passado. O grupo inclui um espectro de idades, com membros sênior e jovens. No interesse da divulgação, eu conheço alguns deles pessoalmente, e, na verdade, dois deles já leram as partes teóricas de capítulos de livros que tenho escrito para o público garantir que eu não disse nada estúpido. (A propósito, não encontraram qualquer gafes, mas eles certamente ajudaram a esclarecer alguns pontos). Que certamente demonstram respeito para os membros do grupo de Irvine, mas possivelmente fere minha opinião. No meu julgamento, eles quase certamente fizeram um trabalho minucioso e profissional de comparar o seu novo modelo de dados existentes. Eles encontraram uma região pequena e inexplorada de possíveis teorias que poderiam existir.

Por outro lado, a teoria é muito especulativa e altamente improvável. Isto não é uma acusação... todos que propuseram teorias poderiam ser rotulados desta forma. Afinal, o modelo padrão, que governa a física de partículas, tem quase meio século de idade e tem sido exaustivamente explorado. Além disso, todas as novas idéias teóricas são especulativas e improváveis e quase todas elas estão erradas. Também não é uma acusação. Há muitas maneiras para adicionar possíveis modificações às teorias existentes para explicar fenômenos novos. Elas não podem estar todas certas. Às vezes, nenhuma das idéias propostas estão certas.

No entanto, podemos concluir a partir a reputação dos membros do grupo que eles geraram uma nova ideia e compararam com todos os dados relevantes existentes. O fato de que eles lançaram seu modelo significa que sobreviveu seus testes e, portanto, continua a ser uma possibilidade credível, se improvável.

E sobre o grupo húngaro? Eu não conheço nenhum deles pessoalmente, mas o artigo foi publicado na Physical Review Letters — uma marca de giz no muro da vitória. No entanto, o grupo também publicou dois trabalhos anteriores em que foram observadas anomalias comparáveis, incluindo uma partícula possível, com uma massa de 12 milhões elétron-volts e uma segunda publicação, alegando a descoberta de uma partícula com uma massa de aproximadamente 14 milhões elétron-volts. Ambas estas alegações foram posteriormente falsificadas por outras experiências.

Além disso, o grupo húngaro nunca satisfatoriamente divulgou que o erro o que resultou nestas afirmações errôneas. Outra possível bandeira vermelha é que o grupo raramente publica dados que não tem a pretensão de criar anomalias. Isso é improvável. Na minha própria carreira de investigação, a maioria das publicações confirmaram as teorias existentes. Anomalias que persistem são muito, muito, raras.

Então, qual é a linha de fundo? Devíamos estar animados com esta nova descoberta possível? Bem... certamente... possíveis descobertas são sempre emocionantes. O modelo padrão tem resistido ao teste do tempo há meio século, mas há mistérios inexplicáveis e a comunidade científica está sempre buscando a descoberta que nos aponta na direção de uma teoria nova e melhorada. Mas quais são as mudanças que esta medida e a teoria levará ao mundo científico, aceitando uma nova força, com uma gama de 12 fm e com uma partícula que evita prótons? Minha sensação é que isto um longo tiro. Eu não sou tão otimista sobre as chances deste resultado.

Claro que esta opinião é só isso... um parecer. Outras experiências também procurarão fótons escuros porque, mesmo se a medição húngara não se sustente a análise, ainda há um problema com a matéria escura. Muitos experimentos à procura de fótons escuros irão explorar o mesmo espaço de parâmetro (por exemplo, modos de energia, massa e decaimento) em que os pesquisadores húngaros afirmam ter encontrado uma anomalia. Em breve (dentro de um ano) saberemos se essa anomalia é uma descoberta ou apenas mais um solavanco nos dados que temporariamente animaram a Comunidade. E, não importa o resultado, a boa e melhor ciência dará o resultado final.

Traduzido e adaptado de LiveScience