Teoria da quinta dimensão facilita busca da matéria escura

Descoberta na física teórica, que prevê a existência de uma nova partícula, pode ajudar a desvendar os mistérios da matéria escura e revelar segredos do início do universo

Matéria escura assinalada em azul em imagens do Hubble de seis diferentes aglomerados galácticos: novo modelo teórico significa uma revolução no estudo sobre essa elusiva forma de matéria. Crédito: Nasa, ESA, D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland), R. Massey (Durham University, UK), the Hubble SM4 ERO Team, ST-ECF, ESO, D. Coe (STScI), J. Merten (Heidelberg/Bologna), HST Frontier Fields, Harald Ebeling(University of Hawaii at Manoa), Jean-Paul Kneib (LAM)and Johan Richard (Caltech, USA)

Físicos teóricos do PRISMA + Cluster of Excellence da Universidade Johannes Gutenberg em Mainz (Alemanha) estão trabalhando em uma teoria que vai além do Modelo Padrão da física de partículas e pode responder a perguntas que esse modelo não cobre – por exemplo, com respeito às hierarquias das massas de partículas elementares ou a existência da matéria escura.

O elemento central da teoria é uma dimensão extra no espaço-tempo. Até agora, os cientistas enfrentaram o problema de que as previsões de sua teoria não poderiam ser testadas experimentalmente. Eles agora podem superar esse problema, como revela uma publicação na edição atual da revista “European Physical Journal C”.

Já na década de 1920, em uma tentativa de unificar as forças de gravidade e eletromagnetismo, Theodor Kaluza e Oskar Klein especularam sobre a existência de uma dimensão extra além das familiares três dimensões espaciais e do tempo – que na física são combinadas em um espaço-tempo quadridimensional. Se existisse, essa nova dimensão teria de ser incrivelmente pequena e imperceptível ao olho humano.

Renascimento notável

No final dos anos 1990, essa ideia passou por um renascimento notável, quando se percebeu que a existência de uma quinta dimensão poderia resolver algumas das profundas questões em aberto na física de partículas. Em particular, Yuval Grossman, da Universidade Stanford, e Matthias Neubert, então professor da Universidade Cornell (ambas nos EUA), mostraram em uma publicação altamente citada que a incorporação do Modelo Padrão da física de partículas em um espaço-tempo de cinco dimensões poderia explicar os padrões misteriosos até agora vistos nas massas de partículas elementares.

Vinte anos depois, o grupo de Matthias Neubert – desde 2006 no corpo docente da Universidade Johannes Gutenberg em Mainz (Alemanha) e porta-voz do PRISMA + Cluster of Excellence – fez outra descoberta inesperada. Os pesquisadores descobriram que as equações do campo de cinco dimensões previam a existência de uma nova partícula pesada com propriedades semelhantes às do famoso bóson de Higgs, mas uma massa muito mais pesada – tão pesada, na verdade, que não pode ser produzida nem mesmo no colisor de partículas de mais alta energia do mundo: o Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês), no Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (Cern), na fronteira da França com a Suíça.

“Foi um pesadelo”, lembra Javier Castellano Ruiz, aluno de doutorado envolvido na pesquisa. “Ficamos entusiasmados com a ideia de que nossa teoria prevê uma nova partícula, mas parecia impossível confirmar essa previsão em qualquer experimento previsível.”

Desvio pela quinta dimensão

No artigo recentemente publicado, os pesquisadores encontraram uma resolução espetacular para esse dilema. Eles descobriram que a partícula proposta mediaria necessariamente uma nova força entre as partículas elementares conhecidas (nosso universo visível) e a misteriosa matéria escura (o setor escuro). Mesmo a abundância de matéria escura no cosmos, conforme observada em experimentos astrofísicos, pode ser explicada por sua teoria.

Isso oferece novas e empolgantes maneiras de pesquisar os constituintes da matéria escura – literalmente por meio de um desvio pela dimensão extra – e obter pistas sobre a física em um estágio muito inicial na história do nosso universo, quando a matéria escura foi produzida.

“Depois de anos em busca de possíveis confirmações de nossas previsões teóricas, agora estamos confiantes de que o mecanismo que descobrimos tornaria a matéria escura acessível para experimentos futuros, porque as propriedades da nova interação entre a matéria comum e a matéria escura – que é mediada por nossa partícula proposta – pode ser calculada com precisão dentro de nossa teoria”, diz Matthias Neubert, chefe da equipe de pesquisa. “No final – assim esperamos –, a nova partícula pode ser descoberta primeiramente por meio de suas interações com o setor escuro.”

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