Pela união de seus poderes: a Grande Teoria Unificada da física

Os cientistas querem conectar as forças fundamentais da natureza em uma Grande Teoria Unificada.

Os anos 1970 foi uma época inebriante na física de partículas. Novos aceleradores nos Estados Unidos e na Europa transformam partículas inesperadas que os teóricos tentam explicar e por sua vez previu novas partículas elementares que iriam por vir nos experimentos. O resultado foi o Modelo Padrão de partículas e interações, uma teoria que é, essencialmente, um catálogo dos bits fundamentais da matéria e as forças que os regem.

Enquanto o Modelo Padrão é uma boa descrição do mundo subatômico, alguns aspectos importantes - como partículas e suas massas - saíram de experimentos ao invés de teorias. 

"Se você notar, o Modelo Padrão, francamente é uma bagunça", diz John Ellis, um físico de partículas do Kings College London. "Você tem um monte de parâmetros, e todos eles parecem arbitrários. Você não pode me convencer de que é a teoria final! "

A ideia seria criar uma grande teoria unificada, ou GUT, que elegantemente explicar como o universo funciona, ligando três das quatro forças conhecidas juntas. Os físicos primeiramente ligaram a força eletromagnética, que determina a estrutura dos átomos e o comportamento da luz e a força nuclear fraca, que está na base como as partículas de decaimento.

Mas eles não pararam por aí. Os cientistas começaram a trabalhar para vincular essa teoria eletrofraca com a força forte, que liga quarks para formar coisas como os prótons e nêutrons em nossos átomos. (A quarta força que conhecemos, a gravidade, não tem uma teoria quântica completa, por isso é relegada ao reino das Teorias de Tudo, ou, do inglês, Theories of Everthyng - ToE's )

Conheça as quatro forças fundamentais do Universo 

A ligação entre as diferentes forças em uma única teoria não é fácil, uma vez que cada uma se comporta de maneira diferente. O Eletromagnetismo é uma força de longo alcance, a força fraca é de curta distância, e a força forte é fraao em ambientes de alta energia, como no universo primordial e forte, onde a energia é baixa. Para unificar essas três forças, os cientistas têm de explicar como elas podem ser aspectos de uma única coisa e ainda manifestar-se em formas radicalmente diferentes no mundo real.

A teoria eletrofraca unificada das forças eletromagnética e fraca, propõe que aspectos de uma única interação que está presente apenas em altas energias, como em um acelerador de partículas ou muito cedo universo. Acima de um determinado limiar conhecido como a escala eletrofraca, não há diferença entre as duas forças, mas a unidade é quebrada quando a energia cai abaixo de um certo ponto.

Os GUTs desenvolvidas em meados da década de 1970 para incorporar a força forte previu novas partículas, assim como a teoria eletrofraca fez antes. Na verdade, a primeira GUT mostrou uma relação entre as massas das partículas que permitiram físicos fazerem previsões sobre a partícula mais pesado antes de ter sido detectada experimentalmente.

"Calculamos a massa do quark bottom antes de ser descoberto", disse Mary Gaillard, um físico de partículas da Universidade da Califórnia, Berkeley. Os cientistas do Fermilab viriam a encontrar a partícula em 1977.

GUTs também previu que os prótons deve decair em partículas mais leves. Havia apenas um problema: Experimentos não viram esse decaimento.

O problema com prótons

A GUT previu que todos os quarks poderiam potencialmente mudar em partículas mais leves, incluindo os quarks que formam os prótons. Na verdade, a GUT disse que prótons seria instáveis durante um período muito mais do que o tempo de vida do universo. Para maximizar as chances de ver esse decaimento de prótons raros, os físicos precisaram construir detectores com muitos átomos.

No entanto, o primeiro experimento de Kamiokande no Japão não detectou qualquer decaimento de prótons, que significava uma vida de prótons mais curta do que o previsto pela teoria do GUT mais simplória. O GUT surgiu com tempos de vidas mais previstas para prótons – assim como interações mais complicadas e partículas adicionais.

GUT's mais modernas se misturam em Supersimetria (SUSY), uma forma de pensar sobre a estrutura do espaço-tempo que tem profundas implicações para a física de partículas. SUSY usa interações extras para ajustar a força das três forças no modelo padrão, para que eles se encontrem em uma energia muito alta, conhecida como a escala das GUT's.

"A Supersimetria dá mais partículas envolvidas através de efeitos quânticos virtuais no decaimento do próton," diz JoAnne Hewett, um físico do departamento de energia do SLAC National Accelerator Laboratory. Ela estende a vida útil prevista do próton além do que experiências anteriores foram capazes de testar. Ainda baseadas na SUSY, a GUT também teve alguns problemas.

"Eles são meio bagunçadas", disse Gaillard. Particularmente, estas teorias prevêem mais partículas Higgs e o bóson de Higgs do modelo padrão deve se comportar de maneiras diferentes. Por essa razão, Gaillard e outros físicos são menos apaixonados com a GUT do que eram na década de 1970 e 80. Para piorar a situação, nenhuma partícula supersimétrica foi encontrada ainda. Mas a caçada continua.

"A base filosófica que impulsionou a grande unificação ainda não morreu, e é tão importante quanto nunca," diz Ellis. "Eu ainda amo a Suzy, e também estou apaixonado com a GUT"

Hewett concorda que a GUT ainda não está morta.

"Acredito firmemente que uma observação de decaimento do próton afetaria como cada pessoa iria pensar sobre o mundo", diz ela. "Todo mundo poderia entender que somos feitos de prótons e' Oh uau!' Eles decaem!'"

Experiências recentes como o Hyper-K propostas no Japão e o experimento de Neutrino subterrâneo profundo nos Estados Unidos serão a sonda de decaimento de prótons de maior precisão do que nunca. Ver um decaimento de prótons nos dirá algo sobre a unificação das forças da natureza, e se nós, finalmente, poderemos confiar em nossas entranhas.

Traduzido e adaptado de Symmetry Magazine