Os físicos teóricos do PRISMA + Cluster of Excellence da Johannes Gutenberg University Mainz estão trabalhando em uma teoria que vai além do Modelo Padrão da física de partículas e podem responder a perguntas onde o Modelo Padrão deve passar - por exemplo, com respeito às hierarquias das massas de partículas elementares ou a existência de 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 já superaram esse problema em uma publicação na edição atual do European Physical Journal C .

Já na década de 1920, em uma tentativa de unificar as forças da gravidade e eletromagnetismo, Theodor Kaluza e Oskar Klein especularam sobre a existência de uma dimensão extra além das familiares três dimensões espaciais e de tempo - que na física são combinadas em um espaço-tempo quadridimensional. Se existe, tal nova dimensão teria que ser incrivelmente minúscula e imperceptível ao olho humano. No final da década de 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 da física de partículas. Em particular, Yuval Grossman da Stanford University e Matthias Neubert, em seguida, um professor da Universidade Cornell, mostrou em uma publicação altamente citada que a incorporação do modelo padrão da física de partículas em um espaço-tempo 5-dimensional poderia explicar os padrões misteriosos até agora vistos nas massas das partículas elementares.

Mais 20 anos depois, o grupo de Matthias Neubert - desde 2006 no corpo docente da Johannes Gutenberg University em Mainz (Alemanha) e porta-voz do PRISMA + Cluster of Excellence - fez outra descoberta inesperada:eles descobriram que as equações de campo de 5 dimensões previam a existência de um novo, 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 produzido nem mesmo no colisor de partículas de mais alta energia do mundo:o Large Hadron Collider (LHC) no Centro Europeu de Pesquisa Nuclear CERN perto de Genebra (Suíça). "Foi um pesadelo", lembra Javier Castellano Ruiz, um Ph.D. aluno envolvido na pesquisa, "Ficamos entusiasmados com a ideia de que nossa teoria prevê uma nova partícula, mas parecia impossível confirmar esta previsão em qualquer experimento previsível. "

O desvio pela quinta dimensão

Em um artigo recente publicado no European Physical Journal C , 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, como observado em experimentos astrofísicos, pode ser explicado por sua teoria. Isso oferece novas maneiras empolgantes de pesquisar os constituintes da matéria escura - literalmente por meio de um desvio através da 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 - podem ser calculadas com precisão dentro de nossa teoria ", diz Matthias Neubert, chefe da equipe de pesquisa. "No final - assim esperamos - a nova partícula pode ser descoberta primeiro por meio de suas interações com o setor escuro." Este exemplo ilustra bem a interação frutífera entre a ciência básica experimental e teórica - uma marca registrada do PRISMA + Cluster of Excellence.