Daniel Dominguez / CERN
Conceito artístico de um Campo Brout-Englert-Higgs
Um novo trabalho teórico sugere que o comportamento fundamental da natureza pode surgir diretamente da estrutura do espaço-tempo, apontando para a geometria como a origem comum das interações físicas.
Um novo estudo apresenta uma forma de contornar o campo de Higgs como fonte das massas das partículas, oferecendo uma nova ferramenta para compreender como o próprio campo de Higgs poderá ter surgido.
O estudo, apresentado num artigo publicado na Nuclear Physics B, abre possíveis caminhos para responder a algumas das lacunas persistentes no Modelo Padrão da física de partículas, e sugere que as massas de partículas fundamentais como os bosões Z e W podem ter origem na geometria “torcida” de dimensões ocultas.
“Na nossa perspetiva, a matéria emerge da resistência da própria geometria, e não de um campo externo”, explica o físico teórico Richard Pinčák, investigador da Academia de Ciências da Eslováquia e primeiro autor do estudo, ao Science Daily.
O campo de Higgs foi inicialmente proposto nos anos 60 por Peter Higgs, como explicação para a razão pela qual as partículas fundamentais têm massa – um grande problema que dificultava a construção de um modelo coerente para a física de partículas. Foi, em parte, graças ao campo de Higgs que os físicos conseguiram estruturar o Modelo Padrão em que atualmente confiamos.
Eis como funciona: imagine que o Universo está preenchido por uma substância pegajosa, que funciona como uma “cola invisível”. Todas as partículas que se movem através do Universo estão também a deslocar-se através dessa substância, e cada partícula interage com ela de forma ligeiramente diferente.
As partículas que interagem fortemente com esta “substância”, como se estivessem a atravessar lama, comportam-se como “pesadas”, tal como os bosões W e Z. As que quase não interagem são “leves”, como os eletrões. Os fotões não interagem de todo.
Esta interação é conhecida como mecanismo de Higgs e explica de forma bastante elegante as massas das partículas.
Sabemos que o campo de Higgs é real, porque a sua ondulação quântica, o famoso bosão de Higgs, popularmente conhecido como a “partícula de Deus“, foi finalmente descoberto em 2012, no Grande Colisor de Hadrões. Contudo, isso não significa que o mecanismo de Higgs seja toda a história.
Continuamos, por exemplo, sem saber por que razão o campo de Higgs tem as propriedades que tem. Além disso, a solução do Higgs não explica a matéria escura, a energia escura, ou sequer porque existe o próprio campo de Higgs.
Há informação em falta algures – e Pinčák e os seus colegas acreditam que algumas pistas podem residir numa geometria oculta, segundo o seu estudo de um espaço de 7 dimensões chamado variedade G2.
Uma variedade é um tipo de espaço matemático “topológico”, que se parece localmente com um espaço euclidiano nas vizinhanças de cada ponto; é um termo geral usado para qualquer “forma” que possa apresentar curvas, dobras ou torções.
Os físicos recorrem frequentemente a variedades para descrever a geometria do espaço-tempo, ou as dimensões extra ocultas que são propostas em algumas teorias, como a teoria das cordas, explica o Science Alert.
Estes espaços podem ter mais direções do que as habituais cima-baixo, esquerda-direita e frente-trás do nosso dia-a-dia. Algumas exigem 7 direções independentes. Uma variedade com uma estrutura específica de 7 dimensões, organizada de forma muito restrita, é denominada variedade G2.
Os investigadores criaram uma nova equação, designada fluxo de Ricci-G2, que lhes permitiu modelar a evolução temporal de uma variedade G2.
“Tal como nos sistemas orgânicos, como a torção do ADN ou a quiralidade dos aminoácidos, estas estruturas extra-dimensionais podem apresentar torção, uma espécie de torção intrínseca”, explica Pinčák.
“Ao deixarmos estas estruturas evoluir no tempo, verificámos que podem estabilizar-se em configurações estáveis, denominadas solitões. Estes solitões poderão fornecer uma explicação puramente geométrica para fenómenos como a quebra espontânea de simetria”.
Um solitão é como uma onda única e auto-sustentada que pode manter a sua forma indefinidamente. Os investigadores observaram que a sua variedade G2 se relaxava precisamente para uma configuração estável deste tipo – e que essa configuração continha uma “torção” que ficava “impressa” nos bosões W e Z, produzindo exactamente o mesmo efeito de atribuição de massa que o mecanismo de Higgs.
Os resultados sugerem ainda, de forma preliminar, que a expansão acelerada do Universo pode estar ligada à curvatura causada por este tipo de torsão associada à variedade G2. Se essa torção se comportar como um campo, deverá manifestar partículas, tal como o campo de Higgs dá origem ao bosão.
Os investigadores chamaram a esta partícula hipotética “Torstone” e descreveram como deveria comportar-se.
Se existir, o Torstone poderá ser detetável em anomalias de colisores de partículas, estranhos desvios no fundo cósmico de micro-ondas, e até em anomalias nas ondas gravitacionais. A sua existência está longe de estar provada, mas se o campo de torção existir, agora sabemos por onde começar a procurar.
É um conceito ousado e complexo, mas também o campo de Higgs o foi na sua época, e foram precisos quase cinquenta anos para provar a sua existência.
Espera-se que não seja necessário esperar tanto tempo por respostas relativamente às possíveis variedades G2, mas, para já, esta abordagem promete abrir caminho para soluções de algumas das questões mais prementes.
“A Natureza prefere frequentemente soluções simples“, diz Pinčák. “Talvez as massas dos bosões W e Z não provenham do famoso campo de Higgs, mas sim diretamente da geometria de um espaço de sete dimensões”.
