Por décadas, a física de partículas tem sido o domínio de colisores massivos que chicoteiam as partículas em alta velocidade e as esmagam umas contra as outras enquanto equipes de milhares observam os resultados. Esses tipos de experimentos produziram grandes percepções sobre as forças e partículas que constituem o mundo físico.

Mas o físico de Stanford, Peter Graham, está defendendo uma abordagem muito diferente - uma que poderia ser mais rápida e mais barata do que grandes colisões, e isso pode ser capaz de detectar formas anteriormente elusivas de física, como a matéria escura.

Graham apontou que os aceleradores custam dezenas de bilhões de dólares e surgem tão raramente que pode haver apenas um novo colisor construído em sua vida. Sua abordagem evoca uma época em que a física podia ser realizada em uma mesa por uma ou duas pessoas e produzir resultados em apenas alguns anos.

"Está voltando a isso de algumas maneiras, mas usando tipos muito diferentes de tecnologias e abordagens diferentes, "disse Graham, que é professor assistente de física. "É uma nova direção para buscar as leis mais básicas da natureza."

Graham, que também é colaborador da divisão de física de partículas elementares do SLAC National Accelerator Laboratory, recebeu recentemente o Prêmio Breakthrough New Horizons in Physics por sua nova direção, ao qual ele espera que mais pessoas participem. Ele conversou com o Stanford Report sobre por que a física precisa de novos tipos de experimentos, o que pode ser a matéria escura e como ele espera detectá-la.

Você disse que seus experimentos exploram uma nova física. O que isso significa?

O modelo padrão da física de partículas é tudo o que descobrimos. Isso explica quase todos os experimentos já realizados em escalas gigantescas, dos núcleos às galáxias. Na verdade, existem poucas coisas que ele não explica, que chamamos de nova física. Sabemos que há coisas além do que vimos, como matéria escura, e novas leis fundamentais. Essas são as coisas que estamos tentando descobrir.

A matéria escura é uma forma de nova física que você pode ser capaz de detectar. Você pode explicar o que é matéria escura e por que os físicos acreditam que ela existe?

Inicialmente, as pessoas perceberam que há muito mais gravidade atraindo as galáxias do que poderiam ser responsáveis. Ou as leis da gravidade estavam erradas, o que era possível, ou havia outra coisa que não sabemos sobre puxar as galáxias. De qualquer jeito, você não pode explicar com o que sabemos.

Agora há muitas evidências de que nosso entendimento da gravidade não está errado, e, em vez disso, há algum novo tipo de coisa que os físicos chamaram de matéria escura. Um dos principais objetivos da física é entender a matéria escura e criar novos tipos de experimentos para tentar detectá-la. Mas você precisa ter alguns palpites sobre o que pode ser, se quiser encontrá-lo. É um ponto universal na ciência que você tem que ter alguma idéia do que está procurando para saber como proceder para procurá-lo.

Quais são algumas das teorias sobre o que pode ser a matéria escura?

Existem muitas evidências para dois candidatos, chamados WIMPs e axions. Você pode procurar WIMPs [partículas massivas de interação fraca] com técnicas mais tradicionais, como os aceleradores gigantes, e isso atraiu muita atenção.

Houve apenas um experimento procurando axions e ele olhou apenas para parte do possível espectro de axions. Era um cenário assustador que axions fossem a matéria escura e não houvesse maneira de detectá-los. Os axions são muito difíceis de pesquisar porque não interagem muito com nossos experimentos.

A matéria escura também pode ser um novo tipo louco de partícula, ou uma combinação de WIMPs e axions, ou mesmo coleções de buracos negros. Nós não sabemos.

O que o motivou a pensar sobre maneiras alternativas de explorar a nova física?

Parte da motivação é que os grandes aceleradores são importantes, mas também estão ficando caros de construir. Além disso, estamos percebendo que algumas novas teorias sobre a matéria escura realmente não puderam ser descobertas nos aceleradores.

Meu trabalho tem sido pegar técnicas de outros campos da física e usá-las na física de partículas. O Prêmio Revelação é muito bom porque traz um selo de aprovação e pode realmente nos ajudar a dar início a essa nova direção experimental.

Você pode me dar um exemplo de um tipo de experimento que você criou?

As pessoas pensaram em uma abordagem para detectar a matéria escura dos áxions e isso fez um bom trabalho para os áxions de maior massa, mas possivelmente não poderia ver os axions de massa inferior. Criamos uma nova técnica para detectar áxions de baixa massa. Envolveu a combinação de NMR [ressonância magnética nuclear], que é comumente usado em aplicações médicas, e magnetometria, que é uma ferramenta muito precisa para medir campos magnéticos. Usamos NMR para amplificar o sinal do axião para que o magnetômetro possa captá-lo.

Já começamos a construir este experimento, e pode gerar resultados em alguns anos. É muito emocionante porque esses tipos de experimentos podem produzir resultados em escalas de tempo curtas.

Por que é importante explorar essas novas fronteiras da física?

A humanidade sempre olhou para as estrelas e se perguntou por que estamos aqui. Esse tipo de pergunta, como a natureza da matéria escura, conte-nos sobre o nascimento do universo, por que todo o universo está aqui.

Mas uma parte disso, para mim, é também querer dar uma contribuição. Um exemplo de como a física básica ajuda as pessoas veio da mecânica quântica. Tenho certeza que na época eles pensaram que era um exercício de física pura e não tinha relação com a saúde humana. Nós vamos, aprendemos mecânica quântica e agora temos máquinas de ressonância magnética e tomografias PET. Eu diria que é uma lição muito importante. Os humanos são criativos e encontramos maneiras de usar novas informações.