Um novo artigo teórico mostra que as massas de partículas fundamentais, como os bosões Z e W, podem ter origem na geometria torcida de dimensões ocultas.
Em vez de tratar o campo de Higgs como a fonte directa das massas, o estudo descreve um caminho para contornar esse mecanismo - o que pode ajudar a perceber como o próprio campo de Higgs poderia ter surgido e, em paralelo, oferecer uma via para atacar algumas lacunas persistentes do Modelo Padrão da física de partículas.
"Na nossa imagem", afirma o físico teórico Richard Pinčák, da Academia Eslovaca de Ciências, "a matéria emerge da resistência da própria geometria, e não de um campo externo."
O campo de Higgs: a explicação que funciona, mas não fecha a história
O campo de Higgs foi proposto pela primeira vez na década de 1960 para explicar por que razão as partículas fundamentais têm massa - um obstáculo enorme que vinha a impedir a construção de um modelo coerente de física de partículas. Em parte graças ao campo de Higgs, os físicos conseguiram montar o Modelo Padrão em que hoje nos apoiamos.
A ideia pode ser entendida assim: imagine que o Universo está preenchido por uma espécie de “cola” invisível e pegajosa. Qualquer partícula que se desloque no Universo também se move através dessa substância, e cada tipo de partícula interage com ela de modo ligeiramente diferente.
As partículas que interagem com força com essa “cola”, como se atravessassem lama, comportam-se como “pesadas”, como os bosões W e Z. As que quase não interagem parecem “leves”, como os electrões. Já os fotões não interagem de todo. A esta explicação dá-se o nome de mecanismo de Higgs, e ela descreve as massas de forma muito elegante.
Sabemos que o campo de Higgs existe porque a sua ondulação quântica - o bosão de Higgs - foi finalmente detectada, com grande confiança, no Grande Colisor de Hadrões em 2012. Ainda assim, isso não implica que o mecanismo de Higgs seja a explicação completa.
Persistem perguntas em aberto: por que motivo o campo de Higgs tem exactamente as propriedades que apresenta? A solução via Higgs também não esclarece a matéria escura, a energia escura, nem explica por que razão o campo de Higgs existe sequer.
Variedades G₂, torção e sólitons: uma alternativa geométrica para o campo de Higgs
Alguma peça está em falta - e, segundo Pinčák e os seus colegas, indícios relevantes podem estar escondidos na geometria, com base no estudo de um espaço a sete dimensões conhecido como variedade G₂.
Uma variedade é um tipo de espaço matemático - um termo geral para qualquer “forma” que possa conter curvas, dobras ou torções. Os físicos usam frequentemente variedades para descrever a geometria do espaço-tempo ou dimensões extra ocultas, como as que são propostas em teorias como a teoria das cordas.
Estes espaços podem ter mais direcções do que as habituais cima–baixo, esquerda–direita e frente–trás do quotidiano. Algumas variedades exigem sete direcções independentes. Quando essa estrutura a sete dimensões obedece a restrições muito apertadas e específicas, chama-se variedade G₂.
Para estudar como uma variedade G₂ evolui, os investigadores desenvolveram uma nova equação, a que deram o nome de fluxo de Ricci G₂, permitindo modelar as mudanças de uma variedade G₂ ao longo do tempo.
"Tal como em sistemas orgânicos, como a torção do ADN ou a quiralidade dos aminoácidos, estas estruturas extra-dimensionais podem possuir torção, um tipo de twist intrínseco", explica Pinčák.
"Quando as deixamos evoluir no tempo, verificamos que podem assentar em configurações estáveis chamadas sólitons. Estes sólitons podem fornecer uma explicação puramente geométrica para fenómenos como a quebra espontânea de simetria."
Um sóliton é como uma onda única e auto-sustentada, capaz de manter a sua forma indefinidamente. Os autores observaram que a sua variedade G₂ relaxava até uma configuração estável desse tipo - e que essa configuração incluía uma torção (ou torção intrínseca) que ficaria “impressa” nos bosões W e Z, produzindo exactamente o mesmo efeito de atribuição de massa que o mecanismo de Higgs.
Os resultados também sugerem, de forma preliminar, que a expansão acelerada do Universo pode estar relacionada com a curvatura transmitida por um tipo de torção que uma variedade G₂ pode impor. Além disso, se essa torção se comportar como um campo, então deverá manifestar partículas - tal como o campo de Higgs dá origem ao bosão de Higgs.
A essa partícula hipotética, os investigadores chamaram Torstone, e descreveram como ela deveria comportar-se.
Se existir, a Torstone poderá ser detectável através de anomalias em colisores de partículas, de estranhas irregularidades na radiação cósmica de fundo em micro-ondas e até de “falhas” em ondas gravitacionais. A sua existência está longe de estar demonstrada, mas, caso o campo de torção seja real, pelo menos passa a haver uma direcção clara para começar a procurar.
É um cenário arrojado e exigente - mas o campo de Higgs também o foi no seu tempo, e foram precisos quase 50 anos para o comprovar. Idealmente, não será preciso esperar tanto por respostas sobre possíveis variedades G₂; para já, esta abordagem parece abrir um caminho para resolver algumas questões urgentes.
"A natureza costuma preferir soluções simples", diz Pinčák.
"Talvez as massas dos bosões W e Z não venham do famoso campo de Higgs, mas directamente da geometria de um espaço a sete dimensões."
A investigação foi publicada na revista Física Nuclear B.
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