Físicos chegam mais perto da quinta força fundamental da natureza

Por Natasha Romanzoti, em 3.03.2013

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As interações spin-spin de longo alcance (linhas na imagem) permitem que os elétrons (pontos vermelhos) na superfície “sintam” os elétrons no interior da Terra

A busca pelos mistérios do universo nunca para. Apesar do tão sonhado bóson de Higgs ter sido, aparentemente, finalmente encontrado, os cientistas agora estão no encalço de outra partícula que pode estar ligada a uma nova força fundamental da natureza.

Um estudo do Amherst College e da Universidade do Texas, em Austin, ambos nos EUA, está usando a própria Terra como laboratório para detectar partículas elusivas que podem comprovar a existência de uma “quinta força” fundamental no universo.

Essa nova força deve operar além das quatro forças fundamentais familiares aos físicos: gravidade, eletromagnetismo, força nuclear forte e força nuclear fraca. Ela deve permitir que partículas subatômicas “sintam” umas às outras em distâncias extremamente grandes.

A nova força carrega o que é chamado de interação spin-spin de longo alcance. Interações spin-spin de curto alcance acontecem o tempo todo: ímãs grudam na geladeira porque os elétrons do ímã e os do aço na geladeira estão todos girando em torno da mesma direção, por exemplo. Já as interações de longo alcance são mais misteriosas.

Quinta força: a origem

Existem três possibilidades para estabelecer de onde essa possível nova força vem. A primeira é uma partícula denominada “não partícula” (unparticle, no termo em inglês), que se comporta como fótons (partículas de luz) em certas formas, e como partículas de matéria em outras.

A segunda é uma partícula chamada de Z’, um primo mais leve do bóson Z, que traz a força nuclear fraca. Ambas a não partícula e a Z’ podem existir a partir de extensões das atuais teorias físicas (Modelo Padrão da Física).

A terceira possibilidade é a de que não há nenhuma nova partícula, mas sim a teoria de relatividade tem algum componente que afeta o spin (momento angular dos elétrons).

Interações spin-spin de longo alcance

As interações spin-spin mais normais, do tipo ímã de geladeira, são mediadas por fótons e operam apenas em distâncias muito curtas. Interações spin-spin de longo alcance não parecem diminuir ou enfraquecer com a distância, entretanto. Os físicos têm procurado as partículas que carregam esse tipo de interação há anos, mas não a encontraram ainda.

Apesar dos cientistas interpretarem a interação magnética entre os spins de duas partículas como sendo uma consequência da troca de “fótons virtuais”, alguns têm sugerido que pode haver outros tipos de partículas, além dos fótons, que podem ser trocadas virtualmente entre dois spins.

Os pesquisadores têm tentado identificar essa partícula, mas os resultados até agora não têm sido conclusivos.

O novo experimento, entretanto, coloca limites mais rigorosos de quão forte pode ser esta nova força, o que dá aos físicos uma ideia melhor de onde procurar por ela.

Não partícula

A não partícula foi proposta pela primeira vez em 2007 pelo físico Howard Georgi, da Universidade Harvard (EUA).

Partículas têm uma massa definida, a menos que sejam fótons, que não têm massa. A massa de um elétron ou próton não pode mudar: se você alterar sua massa (e, portanto, sua energia), você altera o tipo de partícula que ela é.

Não partículas teriam massa e energia variáveis. A interação spin-spin de longo alcance seria uma propriedade fundamental destas partículas.

As tentativas do novo estudo não revelaram uma nova partícula ligada à força, mas mostraram que a interação spin-spin de longo alcance precisa ser menor por um fator de 1 milhão do que as experiências anteriores haviam sugerido. Se ela de fato existir, é tão pequena que a força gravitacional entre duas partículas, como um elétron e um nêutron, é um milhão de vezes mais forte.

A pesquisa

Os cientistas já sabiam que a força que estavam procurando seria fraca e só poderia ser detectada através de distâncias muito longas. Então, precisavam encontrar um lugar onde toneladas de elétrons estivessem “apertados” uns ao lado dos outros para produzir um sinal mais forte – e escolheram o manto da Terra.

Em seguida, projetaram um equipamento para tentar detectar interações entre os “geoelétrons” neste manto e partículas subatômicas na superfície da Terra.

Essencialmente, os pesquisadores estudaram se os spins de elétrons, nêutrons e prótons medidos em vários laboratórios ao redor da Terra podiam ter uma energia diferente dependendo de sua orientação em relação à Terra.

Os spins polarizados se originam principalmente de elétrons de minerais ricos em ferro no manto da Terra, que se alinham com o campo magnético do planeta.

“Nossos experimentos eliminaram [a possibilidade] dessa interação magnética, então procuramos por alguma outra interação em nossos spins experimentais. Uma das interpretações dessa ‘outra interação’ é que pode ser uma interação de longo alcance entre os spins em nosso equipamento e os spins dos elétrons no interior da Terra, que estão alinhados pelo campo geomagnético”,explicou Larry Hunter, um dos cientistas do estudo.

No manto da Terra, existem muitos elétrons. Amostras preparadas em laboratórios seriam mais controláveis, mas menos abundantes. Graças ao grande número de elétrons polarizados, o estudo foi capaz de limitar a magnitude da interação spin-spin entre dois elétrons muito distantes um do outro para um valor cerca de um milhão de vezes menor do que a sua atração gravitacional.

Os cientistas também mapearam as direções e densidades dos spins dos elétrons no interior da Terra. Esse mapa da magnitude e direção dos spins dos elétrons através do planeta deve ajudar na elaboração de novos experimentos mais precisos, que possam finalmente detectar a quinta força fundamental, se ela for real.

Além de estreitar a busca pela nova força, o experimento também apontou para uma outra maneira de estudar o interior da Terra.

Os modelos atuais às vezes oferecem respostas inconsistentes a respeito de por que, por exemplo, as ondas sísmicas se propagam através do manto da maneira como se propagam. A quinta força seria uma forma de “ler” as partículas subatômicas lá embaixo, ajudando os cientistas a compreender tal discrepância.As descobertas da pesquisa aparecem na edição de 22 de fevereiro da revista Science.[LiveScience]