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Experimento com elétrons refuta teorias físicas da supersimetria

Átomo

A medida mais precisa já feita do formato de um elétron põe contra a parede os teóricos de ideias que, como a da supersimetria, preveem uma infinidade de partículas ainda não detectadas no universo.

Existe uma unanimidade entre os cientistas no sentido de a física atual, baseada no Modelo Padrão, estar incompleta. Mesmo assim, as tentativas de revelar uma teoria mais abrangente têm sido infelizes. Agora, o experimento mais sensível já elaborado para a definição do formato de um elétron — propriedade que poderia levar a uma “nova física” oculta — não obteve evidências de algo novo e, portanto, descartou diversas ideias que ampliariam a nossa compreensão da física, incluindo versões da hipótese de supersimetria.

A conclusão derivou da busca pelo chamado momento de dipolo elétrico no elétron. O exemplo mais comum de dipolo é um ímã em formato de halteres, com um polo norte e um polo sul. Costuma-se pensar nos elétrons como partículas esféricas, porém, se eles tivessem momentos de dipolo, seriam ligeiramente achatados.

“É uma questão de: o elétron parece o mesmo, não importando de que lado você olha para ele?”, explica o físico Jonathan Hudson, do Imperial College London. “O momento de dipolo é a maneira técnica de os físicos descreverem se [o elétron] é simétrico ou não”.

O Modelo Padrão da física de partículas descreve todas as partículas conhecidas no universo e prediz um momento de dipolo elétrico praticamente igual a zero para o elétron. No entanto, as teorias que incluem partículas ainda não observadas predizem um momento de dipolo muito maior.

Os físicos vêm procurando por este momento há 50 anos, e um grupo conhecido como colaboração ACME, liderado por David DeMille (Universidade Yale) e John Doyle e Gerald Gabrielse (ambos da Universidade Harvard), conduziu um teste 10 vezes mais sensível do que os previamente realizados. Nenhum sinal de um momento de dipolo elétrico no elétron foi detectado. A partícula aparenta ser esférica e medir 0,00000000000000000000000000001 centímetro, de acordo com os resultados do ACME. “É uma surpresa”, afirma Ed Hinds, do Imperial College London, que trabalhou com Hudson em um experimento anterior, em 2011. “Por que raios ainda é zero?”

Os experimentos estão investigando, na verdade, a natureza quântica do elétron. Segundo a mecânica quântica, todas as partículas (inclusive o elétron) devem criar, ao redor de si, uma nuvem de partículas virtuais que continuamente passam a existir e deixam de existir. Se apenas o Modelo Padrão estiver envolvido, essas partículas virtuais serão comuns, vulgares. Mas se partículas exóticas estiverem presentes, elas devem surgir nas nuvens virtuais ao redor dos elétrons, fazendo com que as nuvens sejam assimétricas, ou seja, causando um momento de dipolo elétrico.

Na busca por tal assimetria, os cientistas giram os elétrons para testar se eles são redondos ou alongados: enquanto uma bola de bilhar giraria suavemente, um ovo oscilaria. O mesmo vale para um elétron com um momento de dipolo elétrico. O grupo ACME observou elétrons em moléculas de monóxido de tório, cujas características especiais e massa elevada tornariam as oscilações mais evidentes. “A escolha de molécula deles é muito inteligente”, diz Hudson — cujo experimento utiliza moléculas de fluoreto de térbio.

Testes anteriores haviam procurado por evidências do momento de dipolo em átomos individuais, o que se mostrou extremamente difícil. A equipe ACME contou com medições cuidadosas, através da espectroscopia de micro-ondas, para observar qualquer oscilação, e trabalhou para que o experimento se mantivesse livre de campos magnéticos ou outros contaminantes que pudessem conduzir a erros empíricos.

O novo resultado é um golpe duro em várias teorias da “nova física”, notavelmente na supersimetria, que sugere que cada partícula conhecida no universo tenha uma partícula supersimétrica idêntica, gêmea, ainda a ser descoberta. Ed Hinds diz que a “[s]upersimetria é tão elegante e, de certa forma, parece tão natural, que muitas pessoas começavam a crer que ela estava correta”. Porém, se existissem, essas partículas gêmeas deveriam surgir como fantasmas virtuais na nuvem ao redor dos elétrons, dando-lhes um momento de dipolo elétrico mensurável.

Hudson pondera que, no futuro próximo, chegar-se-á a um ponto em que a supersimetria, “ou vai, ou racha”. Apesar de o último experimento ter descartado alguns modelos básicos dessa teoria, outros, mais complexos, preveem um pequeno momento de dipolo elétrico que pode estar escondido em um alcance que os físicos ainda precisam testar.

A procura por partículas supersimétricas é um dos principais objetivos do Grande Colisor de Hádrons (LHC) — localizado abaixo do nível do solo na fronteira entre a Suíça e a França —, o maior acelerador de partículas do mundo, que choca feixes de prótons acelerados quase à velocidade da luz. O acelerador é potente o bastante para produzir energias ao redor de um teraelétron-volt, alcance no qual estão previstas as partículas supersimétricas. Por enquanto, nenhuma nova partícula foi encontrada, além, é claro, do elemento-chave para o funcionamento do Modelo Padrão, o bóson de Higgs.

Hinds diz que o novo resultado torna altamente improvável que o momento de dipolo seja verificado no nível do teraelétron-volt e que, se algo parecido com a nova física estivesse no escopo que o LHC investiga, seria de se esperar que os pesquisadores da colaboração ACME encontrassem um valor de momento “substancialmente maior” do que o descoberto. Entretanto, os cientistas continuarão a pressionar os limites do dipolo para baixo (com medições mais precisas do formato do elétron) na expectativa de que algum sinal dele seja identificado, e os físicos esperam pelas conclusões advindas do funcionamento do LHC, que volta a funcionar em 2014 com energias mais altas do que nunca.

Fonte: Scientific American

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