Se você pedir a um físico como eu para explicar como o mundo funciona, minha resposta preguiçosa pode ser:"Ele segue o modelo padrão".
O Modelo Padrão explica a física fundamental de como o universo funciona. Ele suportou mais de 50 viagens ao redor do Sol, apesar dos físicos experimentais estarem constantemente sondando rachaduras nas fundações do modelo.

Com poucas exceções, resistiu a esse escrutínio, passando teste experimental após teste experimental com cores voadoras. Mas esse modelo extremamente bem-sucedido tem lacunas conceituais que sugerem que há um pouco mais a ser aprendido sobre como o universo funciona.

Eu sou um físico de neutrinos. Os neutrinos representam três das 17 partículas fundamentais do Modelo Padrão. Eles passam por todas as pessoas na Terra em todas as horas do dia. Eu estudo as propriedades das interações entre neutrinos e partículas de matéria normal.

Em 2021, físicos de todo o mundo realizaram vários experimentos que investigaram o Modelo Padrão. As equipes mediram os parâmetros básicos do modelo com mais precisão do que nunca. Outros investigaram as margens do conhecimento onde as melhores medidas experimentais não correspondem às previsões feitas pelo Modelo Padrão. E, finalmente, os grupos construíram tecnologias mais poderosas projetadas para levar o modelo ao seu limite e potencialmente descobrir novas partículas e campos. Se esses esforços derem certo, eles podem levar a uma teoria mais completa do universo no futuro.

Preenchimento de furos no modelo padrão

Em 1897, J. J. Thomson descobriu a primeira partícula fundamental, o elétron, usando nada mais do que tubos de vácuo de vidro e fios. Mais de 100 anos depois, os físicos ainda estão descobrindo novas peças do Modelo Padrão.

O Modelo Padrão é uma estrutura preditiva que faz duas coisas. Primeiro, explica quais são as partículas básicas da matéria. São coisas como elétrons e os quarks que compõem prótons e nêutrons. Em segundo lugar, ele prevê como essas partículas de matéria interagem umas com as outras usando "partículas mensageiras". Estes são chamados de bósons – eles incluem fótons e o famoso bóson de Higgs – e eles comunicam as forças básicas da natureza. O bóson de Higgs não foi descoberto até 2012, após décadas de trabalho no CERN, o enorme colisor de partículas na Europa.

O Modelo Padrão é incrivelmente bom em prever muitos aspectos de como o mundo funciona, mas tem algumas falhas.

Notavelmente, não inclui qualquer descrição da gravidade. Enquanto a teoria da Relatividade Geral de Einstein descreve como a gravidade funciona, os físicos ainda não descobriram uma partícula que transmita a força da gravidade. Uma "Teoria de Tudo" adequada faria tudo o que o Modelo Padrão pode, mas também incluiria as partículas mensageiras que comunicam como a gravidade interage com outras partículas.

Outra coisa que o Modelo Padrão não pode fazer é explicar por que qualquer partícula tem uma certa massa – os físicos devem medir a massa das partículas diretamente usando experimentos. Somente depois que os experimentos fornecerem aos físicos essas massas exatas, eles poderão ser usados ​​para previsões. Quanto melhores as medições, melhores as previsões que podem ser feitas.

Recentemente, físicos de uma equipe do CERN mediram o quão forte o bóson de Higgs se sente. Outra equipe do CERN também mediu a massa do bóson de Higgs com mais precisão do que nunca. E, finalmente, também houve progresso na medição da massa dos neutrinos. Os físicos sabem que os neutrinos têm massa superior a zero, mas menos do que a quantidade atualmente detectável. Uma equipe na Alemanha continuou a refinar as técnicas que poderiam permitir medir diretamente a massa de neutrinos.

Dicas de novas forças ou partículas

Em abril de 2021, membros do experimento Muon g-2 no Fermilab anunciaram sua primeira medição do momento magnético do múon. O múon é uma das partículas fundamentais do Modelo Padrão, e esta medida de uma de suas propriedades é a mais precisa até hoje. A razão pela qual este experimento foi importante foi porque a medição não correspondeu perfeitamente à previsão do Modelo Padrão do momento magnético. Basicamente, os múons não se comportam como deveriam. Essa descoberta pode apontar para partículas não descobertas que interagem com múons.

Mas simultaneamente, em abril de 2021, o físico Zoltan Fodor e seus colegas mostraram como usaram um método matemático chamado Lattice QCD para calcular com precisão o momento magnético do múon. Sua previsão teórica é diferente das previsões antigas, ainda funciona dentro do Modelo Padrão e, mais importante, combina com as medições experimentais do múon.

O desacordo entre as previsões anteriormente aceitas, este novo resultado e a nova previsão deve ser reconciliado antes que os físicos saibam se o resultado experimental está realmente além do Modelo Padrão.

Atualizando as ferramentas da física

Os físicos devem oscilar entre elaborar as ideias alucinantes sobre a realidade que compõem as teorias e o avanço das tecnologias até o ponto em que novos experimentos possam testar essas teorias. 2021 foi um grande ano para o avanço das ferramentas experimentais da física.

Primeiro, o maior acelerador de partículas do mundo, o Large Hadron Collider do CERN, foi desligado e passou por algumas atualizações substanciais. Os físicos reiniciaram a instalação em outubro e planejam iniciar a próxima coleta de dados em maio de 2022. As atualizações aumentaram a potência do colisor para que ele possa produzir colisões a 14 TeV, acima do limite anterior de 13 TeV. Isso significa que os lotes de pequenos prótons que viajam em feixes ao redor do acelerador circular juntos carregam a mesma quantidade de energia que um trem de passageiros de 800.000 libras (360.000 kg) viajando a 160 km/h. Com essas energias incríveis, os físicos podem descobrir novas partículas pesadas demais para serem vistas em energias mais baixas.

Alguns outros avanços tecnológicos foram feitos para ajudar na busca pela matéria escura. Muitos astrofísicos acreditam que as partículas de matéria escura, que atualmente não se encaixam no Modelo Padrão, podem responder a algumas questões pendentes sobre a forma como a gravidade se curva em torno das estrelas – chamada lente gravitacional – bem como a velocidade com que as estrelas giram em galáxias espirais. Projetos como o Cryogenic Dark Matter Search ainda não encontraram partículas de matéria escura, mas as equipes estão desenvolvendo detectores maiores e mais sensíveis para serem implantados em um futuro próximo.

Particularmente relevante para o meu trabalho com neutrinos é o desenvolvimento de imensos novos detectores como Hyper-Kamiokande e DUNE. Usando esses detectores, espera-se que os cientistas sejam capazes de responder a perguntas sobre uma assimetria fundamental na forma como os neutrinos oscilam. Eles também serão usados ​​para observar o decaimento de prótons, um fenômeno proposto que certas teorias preveem que deve ocorrer.

2021 destacou algumas das maneiras pelas quais o Modelo Padrão falha em explicar todos os mistérios do universo. Mas novas medições e novas tecnologias estão ajudando os físicos a avançar na busca da Teoria de Tudo.