Dimensões Ocultas Podem Explicar a Origem da Massa das Partículas

O estudo descreve um caminho para dispensar o campo de Higgs como origem direta das massas das partículas, oferecendo uma nova ferramenta para compreender como o próprio campo de Higgs pode ter emergido — além de apontar possíveis soluções para algumas lacunas persistentes do Modelo Padrão da física de partículas.

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“Em nossa abordagem”, afirma o físico teórico Richard Pinčák, da Academia Eslovaca de Ciências, “a matéria emerge da própria resistência da geometria, e não de um campo externo”.

O campo de Higgs foi proposto pela primeira vez na década de 1960 para explicar por que partículas fundamentais possuem massa — um problema que por muito tempo impediu a construção de um modelo consistente da física de partículas. Em grande parte graças a esse mecanismo, os físicos conseguiram desenvolver o Modelo Padrão que utilizamos hoje.

De forma simplificada, imagine que o Universo esteja preenchido por uma espécie de substância invisível e pegajosa. As partículas, ao se moverem pelo espaço, interagem com essa substância de maneiras diferentes. Aquelas que interagem fortemente — como se atravessassem lama — comportam-se como partículas “pesadas”, como os bósons W e Z. As que interagem pouco são “leves”, como os elétrons. Já os fótons não interagem com ela. Esse processo é conhecido como mecanismo de Higgs e explica elegantemente a origem das massas das partículas.

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Sabemos que o campo de Higgs é real porque sua excitação quântica, o bóson de Higgs, foi descoberta com grande confiança no Grande Colisor de Hádrons (LHC) em 2012. No entanto, isso não significa que o mecanismo de Higgs seja a explicação definitiva.

Ainda não sabemos, por exemplo, por que o campo de Higgs possui exatamente as propriedades que apresenta. Além disso, ele não explica a matéria escura, a energia escura, nem por que o próprio campo de Higgs existe.

Falta algo no quadro geral — e Pinčák e seus colaboradores acreditam que pistas importantes possam estar escondidas na geometria de um espaço de sete dimensões, conhecido como variedade G2.

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Uma variedade é um tipo de espaço matemático — um termo geral para qualquer “forma” que possa apresentar curvas, dobras ou torções. Físicos frequentemente utilizam variedades para descrever a geometria do espaço-tempo ou dimensões extras ocultas, como nas teorias de cordas.

Esses espaços podem ter mais direções do que as três dimensões familiares do cotidiano. Algumas variedades exigem sete direções independentes, organizadas de forma altamente restrita. Quando isso ocorre, temos uma variedade G2.

Os pesquisadores desenvolveram uma nova equação, chamada fluxo de Ricci-G2, que permite modelar como uma variedade G2 evolui ao longo do tempo.

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“Assim como em sistemas orgânicos — como a torção do DNA ou a quiralidade dos aminoácidos — essas estruturas extradimensionais podem possuir torsão, uma espécie de torção intrínseca”, explica Pinčák.

“Quando permitimos que elas evoluam no tempo, observamos que podem se estabilizar em configurações chamadas sólitons. Esses sólitons podem fornecer uma explicação puramente geométrica para fenômenos como a quebra espontânea de simetria.”

Um sóliton é uma onda autoestável, capaz de manter sua forma indefinidamente. Os pesquisadores descobriram que a variedade G2 relaxa exatamente para esse tipo de configuração estável — e que essa configuração apresenta uma torsão que se imprime nos bósons W e Z, gerando o mesmo efeito de atribuição de massa produzido pelo mecanismo de Higgs.

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Os resultados também sugerem, de forma preliminar, que a expansão acelerada do Universo pode estar relacionada à curvatura gerada por esse tipo de torsão em variedades G2. Além disso, se essa torsão se comportar como um campo, ela deverá manifestar partículas — assim como o campo de Higgs dá origem ao bóson de Higgs.

Os pesquisadores chamaram essa partícula hipotética de Torstone e descreveram como ela deveria se comportar.

Caso exista, o Torstone pode ser detectável por meio de anomalias em aceleradores de partículas, irregularidades no fundo cósmico de micro-ondas ou até mesmo perturbações em ondas gravitacionais. Sua existência ainda está longe de ser comprovada, mas, se o campo de torsão existir, agora sabemos onde começar a procurar.

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• Veja também: Podemos estar errados sobre a origem da vida?

É uma ideia ousada — mas o campo de Higgs também foi considerado radical em sua época, e levou quase 50 anos para ser confirmado experimentalmente. Espera-se que não seja necessário esperar tanto tempo por respostas sobre as variedades G2. Por enquanto, essa abordagem oferece um caminho promissor para responder a algumas das questões mais profundas da física moderna.

“A natureza costuma preferir soluções simples”, diz Pinčák.

“Talvez as massas dos bósons W e Z não venham do famoso campo de Higgs, mas diretamente da geometria de um espaço de sete dimensões.”

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A pesquisa foi publicada na revista Nuclear Physics B.