As simetrias que governam o mundo das partículas elementares no nível mais elementar podem ser radicalmente diferentes do que se pensou até agora. Esta surpreendente conclusão emerge de novos trabalhos publicados por teóricos de Varsóvia e Potsdam. O esquema que eles postulam unifica todas as forças da natureza de uma forma que é consistente com as observações existentes e antecipa a existência de novas partículas com propriedades incomuns que podem até estar presentes em nossos arredores próximos.

Por meio século, os físicos têm tentado construir uma teoria que une todas as quatro forças fundamentais da natureza, descreve as partículas elementares conhecidas e prevê a existência de novas. Até aqui, essas tentativas não encontraram confirmação experimental, e o Modelo Padrão - um incompleto, mas uma construção teórica surpreendentemente eficaz - ainda é a melhor descrição do mundo quântico. Em um artigo recente em Cartas de revisão física , Prof. Krzysztof Meissner do Instituto de Física Teórica, Faculdade de Física, Universidade de Varsóvia, e o Prof. Hermann Nicolai do Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik em Potsdam apresentaram um novo esquema generalizando o Modelo Padrão que incorpora a gravitação na descrição. O novo modelo aplica um tipo de simetria não usada anteriormente na descrição de partículas elementares.

Na física, simetrias são entendidas de forma um pouco diferente do que no sentido coloquial da palavra. Por exemplo, se a bola cair agora ou daqui a um minuto, ainda vai cair da mesma maneira. Essa é uma manifestação de uma certa simetria:as leis da física permanecem inalteradas no que diz respeito às mudanças no tempo. De forma similar, deixar cair a bola da mesma altura em um local tem o mesmo resultado que deixá-la cair em outro. Isso significa que as leis da física também são simétricas em relação às operações espaciais.

"As simetrias desempenham um grande papel na física porque estão relacionadas aos princípios de conservação. Por exemplo, o princípio da conservação de energia envolve simetria em relação às mudanças no tempo, o princípio da conservação do momento relaciona-se à simetria do deslocamento espacial, e o princípio da conservação do momento angular se relaciona com a simetria rotacional, "diz o Prof. Meissner.

O desenvolvimento de uma teoria supersimétrica para descrever as simetrias entre férmions e bósons começou na década de 1970. Férmions são partículas elementares cujo spin, uma propriedade quântica relacionada à rotação, é expresso em múltiplos ímpares da fração 1/2, e eles incluem quarks e léptons. Entre os últimos estão os elétrons, múons, tauons, e seus neutrinos associados (bem como suas antipartículas). Prótons e nêutrons, partículas não elementares comuns, também são férmions. Bosons, por sua vez, são partículas com valores de spin inteiros. Eles incluem as partículas responsáveis ​​pelas forças (fótons, portadores da força eletromagnética; glúons, carregando a força nuclear forte; Bósons W e Z, carregando a força nuclear fraca), bem como o bóson de Higgs.

"As primeiras teorias supersimétricas tentaram combinar as forças típicas das partículas elementares, em outras palavras, a força eletromagnética com uma simetria conhecida como U (1), a força fraca com simetria SU (2) e a força forte com simetria SU (3). A gravidade ainda estava faltando, "Prof. Meissner diz." A simetria entre os bósons e férmions ainda era global, o que significa o mesmo em todos os pontos do espaço. Logo depois, teorias foram postuladas onde a simetria era local, o que significa que pode se manifestar de forma diferente em cada ponto do espaço. Garantir tal simetria na teoria necessária para a inclusão da gravitação, e tais teorias ficaram conhecidas como supergravidades. "

Os físicos notaram que nas teorias da supergravidade em quatro dimensões espaço-temporais, não pode haver mais de oito rotações supersimétricas diferentes. Cada uma dessas teorias tem um conjunto estritamente definido de campos (graus de liberdade) com diferentes spins (0, 1/2, 1, 3/2 e 2), conhecidos respectivamente como campos de escalares, fermions, bósons, gravitinos e grávitons. Para supergravidade N =8, que tem o número máximo de rotações, existem 48 férmions (com spin 1/2), que é precisamente o número de graus de liberdade necessários para explicar os seis tipos de quarks e seis tipos de léptons observados na natureza. Havia, portanto, todas as indicações de que a supergravidade N =8 é excepcional em muitos aspectos. Contudo, não era ideal.

Um dos problemas em incorporar o Modelo Padrão na supergravidade N =8 foi colocado pelas cargas elétricas de quarks e léptons. Todas as cargas se mostraram deslocadas em 1/6 em relação às observadas na natureza:o elétron tinha uma carga de -5/6 em vez de -1, o neutrino tinha 1/6 em vez de 0, etc. Este problema, observado pela primeira vez por Murray Gell-Mann há mais de 30 anos, não foi resolvido até 2015, quando os Professores Meissner e Nicolai apresentaram o respectivo mecanismo de modificação da simetria U (1).

“Depois de fazer esse ajuste, obtivemos uma estrutura com as simetrias U (1) e SU (3) conhecidas do Modelo Padrão. A abordagem se mostrou muito diferente de todas as outras tentativas de generalizar as simetrias do Modelo Padrão. A motivação foi reforçada pelo fato de que o acelerador do LHC não conseguiu produzir nada além do Modelo Padrão e o conteúdo de férmions de supergravidade N =8 é compatível com esta observação. O que faltou era adicionar o grupo SU (2), responsável pela fraca força nuclear. Em nosso artigo recente, mostramos como isso pode ser feito. Isso explicaria por que todas as tentativas anteriores de detectar novas partículas, motivado por teorias que tratavam a simetria SU (2) como espontaneamente violada para baixas energias, mas como segurando na faixa de altas energias, teve que ser malsucedido. Em nossa visão, SU (2) é apenas uma aproximação para energias baixas e altas, "Prof. Meissner explica.

Tanto o mecanismo de reconciliação das cargas elétricas das partículas, e a melhoria incorporando a força fraca mostrou pertencer a um grupo de simetria conhecido como E10. Ao contrário dos grupos de simetria usados ​​anteriormente nas teorias de unificação, E10 é um grupo infinito, muito mal estudado, mesmo no sentido puramente matemático. O Prof. Nicolai com Thibault Damour e Marc Henneaux haviam trabalhado neste grupo antes, porque apareceu como uma simetria na supergravidade N =8 sob condições semelhantes àquelas durante os primeiros momentos após o Big Bang, quando apenas uma dimensão era significativa:o tempo.

"Pela primeira vez, temos um esquema que antecipa precisamente a composição dos férmions no modelo padrão - quarks e léptons - e o faz com as cargas elétricas adequadas. Ao mesmo tempo, inclui a gravidade na descrição. É uma grande surpresa que a simetria adequada seja o incrivelmente grande grupo de simetria E10, virtualmente desconhecido matematicamente. Se mais trabalho confirmar o papel deste grupo, isso significará uma mudança radical em nosso conhecimento das simetrias da natureza, "Prof. Meissner diz.

Embora a dinâmica ainda não seja compreendida, o esquema proposto pelos professores Meissner e Nicolai faz previsões específicas. Ele mantém o número de férmions de spin 1/2 como no Modelo Padrão, mas por outro lado sugere a existência de novas partículas com propriedades muito incomuns. Mais importante, pelo menos alguns deles podem estar presentes em nosso entorno imediato, e sua detecção deve estar dentro das possibilidades dos modernos equipamentos de detecção. Mas esse é um assunto para uma história separada.