Faltam dois anos para a humanidade desvendar mistérios fundamentais do universo

Por Lisa Randall*
Especial para Prospect

Daqui a dois anos, nós vamos provavelmente ser obrigados a revisar radicalmente nossas idéias sobre a natureza fundamental da matéria, assim como a nossa concepção do universo.

Em 2007, o grande acelerador de hádrons (em inglês large hadron collider - LHC) começará a operar no Cern (sigla em francês de Conselho Europeu de Pesquisas Nucleares), perto de Genebra, precipitando partículas em níveis de energia nunca antes produzidos na Terra.

Então os físicos combinarão os resultados dessas experiências efetuadas com o LHC, com as hipóteses das suas investigações teóricas para aprofundar seus conhecimentos sobre fenômenos cujos efeitos só podem ser detectados em distâncias curtas e em elevados níveis de energia.

A teoria conhecida pelo nome de Modelo Padrão da física das partículas descreve todas as formas de matéria conhecidas e as forças por meio das quais elas interagem. Muitas experiências já testaram em profundidade o Modelo Padrão, comprovando que os seus ingredientes fundamentais são corretos, com uma certeza quase absoluta. Mas o Modelo Padrão não pode ser a palavra final: ele deixa em aberto perguntas importantes sobre a origem das massas das partículas elementares e enigmas tais como a fraqueza relativa da gravidade.

O LHC ajudará a solucionar esses mistérios, enquanto cientistas do mundo inteiro já estão preparando febrilmente experiências por meio das quais eles esperam obter respostas para essas perguntas. Para ampliar e complementar o Modelo Padrão, a proposta a mais interessante talvez seja a que envolve a existência de dimensões ocultas adicionais de espaço além das três dimensões que são familiares a nós todos: para cima/para baixo, esquerda/direita e para frente/para trás.

Na minha qualidade de física teórica que trabalha na investigação da existência de dimensões adicionais, eu conto com as experiências com o LHC para guiar minhas investigações futuras.

A premissa fundamental da física das partículas reza que as partículas elementares formam os blocos constitutivos da matéria. Ao remover suas camadas sucessivas, encontraremos sempre em última instância partículas elementares. Por causa da equação de Einstein, E=mc2, que estabelece que a energia (E) é igual à massa (m) multiplicada pelo quadrado da velocidade da luz (c), nós precisamos de altas concentrações de energia para criar partículas dotadas de massas importantes.

O LHC produzirá enormes quantidades de energia que poderão então ser convertidas em partículas, as quais nós nunca poderíamos obter de outra maneira. Mas a matéria não é uma linha de montagem industrial, com os mesmos elementos sendo repetidos de maneira igual em escalas menores. Em distâncias menores, não são apenas novos elementos de matéria que as experiências com o LHC deveriam revelar, mas também novas leis da física.

Reconhecidamente, a prova experimental dos novos fenômenos que o LHC irá fornecer será de certa forma indireta. Mas isso é também o caso com praticamente todas as recentes descobertas no campo da física. À medida que a física foi evoluindo no decorrer do século 20, ela foi se afastando das coisas que podem ser observadas diretamente para aproximar-se de coisas que só podem ser "vistas" por meio de medições atreladas a algum conjunto de teorias.

Por exemplo, os quarks --componentes do próton e do nêutron que embasam a concepção escolar secundária do átomo - nunca aparecem de maneira isolada. Nós os encontramos seguindo o rastro que evidencia a sua passagem e que eles deixam ao interagir com outras partículas. O mesmo acontece com os tipos de objetos conhecidos como energia obscura e matéria obscura.

Nós não sabemos de onde vem a maior parte da energia, nem a natureza da maior parte da energia que o universo contém. Ainda assim, nós sabemos que a matéria obscura e a energia obscura existem por causa dos seus efeitos sobre a matéria que as cerca. Nós só conseguimos "ver" a energia obscura graças à taxa de aceleração da expansão do universo e por meio da influência que ela exerce sobre a irradiação de fundo do universo cosmológico.

Nós conseguimos descobrir indiretamente esses fenômenos exóticos porque as leis da física que nós conhecemos se aplicam a uma quantidade enorme deles. O tamanho de um próton ou um nêutron no interior de um átomo é de cerca de 10-13 cm (um décimo de milésimo de um bilionésimo de centímetro). Em compensação, o tamanho do universo visível é de 1028 cm (dez mil trilhões de trilhões de centímetros).

As teorias da física se aplicam a escalas de grandeza tão enormes porque em qualquer escala dada, os detalhes que são pequenos demais para serem medidos podem ser ignorados. Com freqüência, ao formularem suas teorias ou ao detalharem seus cálculos, os cientistas fazem "vistas grossas", limitando-se a médias gerais, ou até mesmo ignoram processos da física que ocorrem em escalas incomensuravelmente pequenas.

Quando se explora amplas escalas, os efeitos físicos de curta distância tornam-se irrelevantes, da mesma maneira que um mapa detalhado da cidade se torna inútil quando se trata de planejar o seu percurso numa viagem pelo país afora. De fato, é uma vantagem essencial para a forma com a qual nós praticamos a física podermos desprezar efeitos imensuráveis ou que ocorrem em escalas tão pequenas que eles se tornam irrelevantes.

A estrutura fundamental é essencialmente invisível em níveis energéticos mais baixos. A mecânica quântica e o princípio de incerteza nos dizem que nós só podemos estudar distâncias muito pequenas explorando níveis de energia muito elevados.

É por esta razão que nós precisamos de aceleradores de partículas: só eles são capazes de criar as energias que permitem estudar as escalas pequenas nas quais novos fenômenos deveriam ser desvendados.

Aceleradores ou percutidores de partículas

Ao longo dos últimos 50 anos, as experiências mais importantes no sentido de comprovar a natureza fundamental da matéria se deram por meio dos aceleradores de partículas, nos quais as partículas são impulsionadas até altos níveis de energia por meio de sua aceleração dentro de um campo magnético, e então colididas com outras partículas de matéria. Tais experiências por meio de aceleradores permitiram a descoberta dos quarks, entre outras coisas.

Um acelerador de partículas é uma construção complexa e sofisticada. Campos eletromagnéticos aceleram as partículas em volta de uma câmara de vácuo, formada por um tubo de metal dotado de uma pressão extremamente baixa, localizada dentro de um túnel a 50 metros ao menos debaixo da terra. Amplificadores fornecem ondas de rádio que são projetadas dentro de estruturas repercussivas conhecidas como cavidades de freqüência de rádio.

À medida que as partículas circulam nessas cavidades, elas absorvem parte da energia da onda de rádio. As câmaras a vácuo (e os túneis que são ligados a elas) são circulares de modo que os raios de partículas possam passar pelas mesmas câmeras muitas vezes. Os campos magnéticos aceleram os raios de partículas à medida que estes vão viajando dentro deste anel circular.

Quanto maiores os campos magnéticos, mais energéticas se tornam as partículas. Diante deste imperativo, um dos principais desafios tecnológicos para o LHC era conceber ímãs supercondutores que pudessem agir sobre as transferências de energias dentro do LHC (a supercondutividade ocorre em temperaturas muito frias, quando toda a resistência elétrica dos materiais condutores desaparece).

Em março, o primeiro desses ímãs bipolares supercondutores de 35 toneladas e 15 metros de comprimento foi instalado dentro do túnel, e metade dos 1.232 ímãs que serão finalmente instalados foram entregues. Ao longo dos próximos dois anos, os ímãs que faltam também serão instalados, de modo que a máquina estará pronta para entrar em operação em 2007.

Os aceleradores de partículas geram a maior quantidade de energia ao bombardearem dois raios de partículas diretamente um dentro do outro: os aceleradores que assim procedem são chamados de "colliders" (algo como "provocadores de colisões", ou percussores).

Nos "colliders" de alta energia, os ímãs adicionais focalizam dois raios de partículas aceleradas dentro de uma pequena região da colisão. No momento da colisão, as partículas aniquilam-se uma a outra e se transformam numa enorme quantidade de energia. A energia que é gerada pela colisão pode ser convertida em partículas pesadas.

Esses "colliders" são os únicos locais conhecidos nos quais surgiram as partículas as mais pesadas a terem aparecido desde o big bang, quando o universo, muito mais quente, conteve todas as partículas em abundância.

Entre as descobertas mais importantes realizadas por meio do "collider" estão incluídas a dos dois quarks mais pesados conhecidos, os quais foram descobertos no Tevatron --um "collider" baseado em Batavia, no Illinois, Estados Unidos-- em 1977 e em 1995, e as três partículas análogas transmissoras de força que transmitem a força nuclear fraca, descobertas em Genebra em 1983.

Contudo, as mais excitantes experiências com um "collider" terão início em 2007 no LHC, onde dois raios de prótons altamente energéticos serão colididos um contra o outro, por meio de uma energia no mínimo sete vezes mais intensa do que todas as que foram produzidas anteriormente. As experiências no LHC tentarão explicar, entre outras coisas, a origem das massas das partículas elementares.

Uma dessas explanações envolve uma partícula hipotética chamada de bóson de Higgs. A idéia é que as partículas adquirem massa por meio de interações de força reduzida com um campo de Higgs que penetra no espaço.

Segundo esta teoria, as partículas que exercem as interações as mais importantes são as que adquirem as massas mais pesadas. Se esta teoria do campo de Higgs for certa, o LHC descobrirá a partícula da qual ela prevê a existência --o bóson de Higgs.

Mas a teoria envolvendo o simples bóson de Higgs é apenas uma das muitas em competição. De fato, a teoria com um único bóson de Higgs é tão problemática que os físicos estão praticamente certos de que as energias geradas pelo LHC irão revelar fenômenos ainda mais exóticos.

Entre esses fenômenos poderia estar a evidência da existência da "super-simetria" --uma extensão hipotética do Modelo Padrão e das simetrias do espaço e do tempo na qual cada uma das partículas conhecidas tem uma parceira mais pesada do que ela, e que ainda não foi observada. O objetivo principal das experiências com o LHC será de descobrir o bóson de Higgs, ou o que quer que seja que atua no seu papel.

O grande "collider" de hádrons --um hádron é uma partícula dotada de força nuclear forte, tal como o próton e o nêutron-- está instalado no Cern, a Organização Européia para as Pesquisas Nucleares. Fundado em 1954, o laboratório foi um dos primeiros projetos em comum dos países europeus. A sua sede principal fica na pequena cidade de Meyrin, perto de Genebra.

O Cern é o fruto de um esforço verdadeiramente internacional, um projeto do qual participam atualmente 20 países membros, além de muitos outros presentes com o status de observador. Além disso, experiências específicas para o LHC vêm sendo desenvolvidos por todo o planeta.

O "collider", que custará cerca de 2,2 bilhões de libras esterlinas (R$ 8,52 bilhões) para ser concluído, utilizará o túnel circular já existente no Cern, onde experiências para testar o Modelo Padrão já haviam sido realizadas.

Os prótons são acelerados dentro do túnel circular, ou anel, que tem uma circunferência de 27 km (o anel precisa ser muito grande porque os prótons acelerados dentro de um anel menor perderiam uma quantidade excessiva de energia para a radiação).

Uma vez que as energias geradas pelas colisões dos raios de prótons serão muito mais elevadas, como nunca antes, as colisões vão ocorrer com uma freqüência muito maior, o que resultará numa quantidade muito maior de dados. As possibilidades de se descobrir fenômenos exóticos serão maiores em função da enorme quantidade de colisões.

Cinco experiências distintas no grande acelerador de hádrons serão desenvolvidas separadamente com o objetivo de detectar as partículas que as colisões de prótons produzem.

As principais experiências que investigam a massa e a fraqueza da gravidade são Atlas (iniciais de A Toroidal LHC Apparatus - um equipamento toroidal do LHC) e CMS (iniciais de Compact Muon Solenoid - Solenóide de muon compacto). Estas experiências irão envolver cerca de 2 mil físicos oriundos de 35 países.

Os detectores de partículas, que monitoram os resultados das colisões de partículas, terão mais ou menos o tamanho de edifícios de cinco andares. Trabalhar nos detectores requer equipamentos de alpinismo tais como cordas especiais e capacetes (este equipamento chegou a ser muito útil certa vez quando fiz uma excursão até uma geleira perto do Cern).

Esses detectores precisam ser tão grandes por causa de todos os componentes dos quais eles precisam. As partículas não aparecem com o seu nome colocado numa etiqueta: os detectores devem identificá-las por meio das suas propriedades características, tais como a sua carga elétrica ou as interações das quais elas participam.

Um grande número de propriedades significa um grande número de componentes instalados no detector, o qual precisa capturar uma enorme quantidade de informações, por meio de um sem-número de sensores.

Quando um detector registra um sinal, ele o transmite através de uma extensa teia de fios e de amplificadores, na qual são armazenados os dados com os resultados. Nem tudo o que é detectado merece ser registrado. As partículas interessantes são produzidas apenas raramente, quando prótons entram em colisão, e nem mesmo os cientistas do Cern podem prever precisamente quando isso irá acontecer.

Reconstruir o resultado de uma colisão constitui uma tarefa considerável, um desafio que estimulou o talento de muitas pessoas e que vai com toda probabilidade conduzir a importantes avanços no campo do processamento de dados nos próximos anos.

De fato, uma vez que ele estiver plenamente operacional, o LHC será o instrumento de física o mais repleto de dados já construído, produzindo mais de 1.500 megabytes de dados por segundo. Essas experiências e este grau de aquisição de informações deverão prosseguir durante no mínimo dez anos.

A necessidade de processar e compartilhar dados obtidos em experiências como essas produziu alguma coisa que todos nós agora utilizamos de maneira intensiva: a world wide web --Internet.

Foi Tim Berners-Lee, um antigo funcionário do Cern, quem inventou o HTML (hypertext markup language --linguagem otimizada para hipertexto), e o HTTP (hypertext transfer protocol-- protocolo de transferência de hipertexto), de modo que participantes de experiências atuando a partir de nações dispersas possam ser conectados instantaneamente entre eles e que dados possam ser compartilhados entre muitos computadores.

A web é um exemplo notável das aplicações práticas imprevisíveis que podem resultar da pesquisa científica fundamental.

O que o acelerador de partículas nos ensinará?

As experiências com o LHC deverão ajudar a responder a um grande número de perguntas. Por que vemos as forças particulares que vemos, e será que existem outras por aí? Qual é a origem das massas e das propriedades de partículas que nos são familiares, e por que essas massas adquirem os valores daquela maneira? E por que a gravidade é tão fraca?

O fato de a gravidade ser tão mais fraca do que outras forças é um dos mistérios centrais da física das partículas. Um minúsculo ímã pode atrair para cima um clipe de papel, isso apesar de toda a massa da terra a estar atraindo na direção contrária. Por que estará a gravidade tão indefesa contra a pequena atração exercida por um ímã minúsculo?

A minha explicação predileta para esta fraqueza baseia-se numa teoria que os meus colaboradores e eu desenvolvemos, que assume que existe uma dimensão adicional no espaço.

Avanços recentes no campo da física sugerem que outras dimensões, que ainda não foram encontradas e ainda não são compreendidas, poderia ajudar a resolver alguns dos mistérios do nosso universo.

No campo da física, uma das razões que nos levam a considerar a existência de outras dimensões é a teoria das cordas, que postula que as partículas são as oscilações das cordas elementares (leia a este respeito acessando o seguinte endereço na Internet: Ian Stewart , Prospect, setembro de 2003).

Essas cordas, diferentemente das cordas de um violino, por exemplo, não são feitas de átomos, os quais, por sua vez, são feitos de elétrons e de nucléons, que por sua vez são feitos de quarks. O oposto exato é verdade.

A hipótese da teoria das cordas estipula que os modos de oscilação das cordas correspondem às partículas. Cada uma das partículas resulta das vibrações de cordas fundamentais que as embasam, e é o caráter daquela vibração que determina as propriedades de uma partícula, tais como a sua massa e a sua carga de energia.

A teoria das cordas foi desenvolvida para lidar com uma famosa discrepância entre as físicas de grande e pequena escalas. O desenvolvimento da mecânica quântica e da relatividade geral no início do século 20 significou que nós poderíamos entender tanto as leis da física que regem o interior do átomo quanto as leis da física que descrevem a expansão do universo.

A mecânica quântica trabalha bem em pequenas escalas e a relatividade geral em grandes escalas. Mas nenhuma dessas teorias pode ser aplicada para todas as escalas. A teoria das cordas é a candidata mais bem situada para formar uma teoria que possa incluir normalmente as duas.

Os físicos ainda não sabem se a teoria das cordas está certa e, caso ela for, como ela se conecta com o nosso mundo. Mas muitas pesquisas utilizam idéias emprestadas da teoria das cordas para tentar solucionar questões referentes ao universo observável.

Por exemplo, a teoria das cordas não descreve naturalmente um mundo com três dimensões de espaço. Ela sugere de maneira mais natural um mundo com muito mais dimensões, talvez nove ou dez. Os teóricos das cordas não se perguntam se outras dimensões existem; em vez disso, eles perguntam: "Onde estarão elas?" e: "Por que será que nós não as vimos?".

Nem todo mundo está convencido com a teoria das cordas, mas pesquisas recentes forneceram um argumento convincente em favor da existência de outras dimensões: um universo dotado dessas dimensões poderia conter respostas para quebra-cabeças da física que não contam com nenhuma solução convincente sem elas.

O meu colaborador, Raman Sundrum e eu mesma demonstramos por que, num mundo dotado de uma dimensão de espaço adicional, a gravidade seria tão fraca. A nossa idéia baseia-se na "geometria deformada", uma noção que emerge da teoria da relatividade geral de Einstein.

Segunda esta teoria de Einstein, o espaço e o tempo estão integrados a uma única fábrica de espaço-tempo que se torna distorcida, ou deformada, pela matéria e a energia. Nós aplicamos esta teoria no contexto de uma dimensão adicional e descobrimos uma configuração na qual o espaço-tempo se deforma de maneira tão severa que mesmo se a gravidade fosse forte em uma região do espaço, ela seria fraca em todos os outros lugares.

O universo da nossa proposta é de fato um multi-universo, no qual a gravidade está localizada em determinado universo, enquanto nós estamos vivendo num outro universo, separados daquele por uma quarta dimensão espacial.

Outras dimensões e partículas KK

Entre as provas que poderiam corroborar nossa teoria estão as partículas conhecidas pelo nome de partículas Kaluza-Klein (KK), buracos negros de cinco dimensões e cordas muito leves derivadas da teoria das cordas.

As partículas KK viajam por uma outra dimensão, mas, para nós, elas têm a aparência de partículas ordinárias do espaço tridimensional. Toda partícula que viaja numa outra dimensão deveria ter parceiras KK. Isso inclui o gráviton, uma partícula hipotética que poderia ser a responsável pela gravidade.

As partículas KK parceiras do gráviton interagem com tanta força em nossa teoria que toda e qualquer parceira KK produzida num acelerador não irá simplesmente desaparecer. Em vez disso, ela irá definhar no interior do detector, transformando-se em partículas observáveis que podem ser utilizadas para reconstruir a partícula KK da qual elas são originárias.

As parceiras KK do gráviton, embora sejam provenientes de um espaço com dimensão mais elevada, poderiam ser distinguíveis, tornando-se partículas visíveis que irão se deteriorar até se transformar em partículas conhecidas, que serão vistas dentro do detector do LHC.

Com isso, a receita convencional para descobrir novas partículas em experiências com o "collider" é a seguinte: estudar todos os produtos deteriorados pela colisão e deduzir as suas propriedades para determinar de onde eles vieram.

Se aquilo que você descobrir não for algo que você já conhece, deve ser então algo novo. Se a partículas KK se deteriorarem dentro do detector, o sinal da existência de outras dimensões deverá ser muito claro.

Se nós estivermos com sorte, além das partículas KK parceiras do gráviton, as experiências deveriam também produzir um elenco ainda mais rico de partículas KK. Nós poderíamos também ver partículas KK parceiras carregadas de quarks e de leptons e determinar o tamanho dos bósons. Em última instância, essas partículas poderiam nos fornecer uma quantidade ainda maior de informações sobre o mundo em outra dimensão.

Além das partículas KK, deveriam surgir outros sinais da existência de outras dimensões. Embora os efeitos da gravidade tetradimensional sejam minúsculos se comparados com as energias ordinárias, a gravidade tetradimensional se tornará significativa quando o acelerador criará partículas de alta energia.

De fato, nos níveis das energias que serão atingidos pelo LHC, os efeitos da gravidade tetradimensional poderiam ser enormes. Buracos negros tetradimensionais poderiam ser produzidos (não tenha medo - eles irão definhar imediatamente), assim como cordas tetradimensionais.

Além disso, em níveis energéticos muito elevados, as partículas irão interagir com muita força com outras partículas. Tais interações tão fortes entre todas as partículas conhecidas e a gravidade não ocorreriam num cenário quadridimensional (três dimensões espaciais mais o tempo): elas representariam um sinal definitivo da existência de algo novo. Finalmente, as cordas da teoria das cordas poderiam comprovar se o espaço-tempo está deformado da maneira que nós sugerimos.

Eu estou entusiasmada, sobretudo, com a possível existência de outras dimensões, mas isso não é tudo o que o LHC poderia descobrir. Se a teoria da super-simetria for correta, as experiências por meio do LHC devem permitir descobrir um monte de partículas dotadas de todas as cargas de energia e exercendo as mesmas interações que as partículas do Modelo Padrão que nós já conhecemos.

Essas partículas de carga pesada que não fazem parte do Modelo Padrão dificilmente deixarão de ser vistas e deverão constituir uma descoberta muito significativa.

Descobertas recentes evidenciaram muitas possibilidades notáveis. As outras dimensões poderiam ter muitas formas e muitos tamanhos diferentes. E outras dimensões poderiam abrigar fenômenos exóticos, tais como multi-universos contendo mundos paralelos, nos quais as forças e a química são totalmente diferentes do nosso.

Junto com os meus colaboradores, eu descobri que pode haver outras dimensões que possuem extensões infinitamente distantes, ainda que elas permaneçam invisíveis. E nós estabelecemos teorias que dão conta da existência de bolsões de gravidade quadridimensional, situados num universo que parece possuir outras dimensões em todas as suas outras regiões. Tais investigações teóricas nos permitirão repensar o nosso lugar dentro da ordem das coisas.

Nem todas essas idéias serão imediatamente testadas pelas experiências. Mas nós sabemos que algumas dentre elas o serão: independentemente do que existe por aí, as questões sobre a massa e a fraqueza da gravidade são indicações de que em breve aprenderemos mais sobre a natureza fundamental da matéria.

Dentro de poucos anos, um bom número de enigmas do universo terá sido desvendado e os segredos do cosmo começarão a se desfazer. Eu, por minha vez, mal posso esperar.

*Lisa Randall é professora de física da Universidade Harvard. O seu livro, "Warped Passages" (tradução possível: "Passagens deformadas") é publicado pela editora Allen Lane. Em 2007, um acelerador de partículas de alta energia poderá ajudar a desvendar alguns mistérios do universo. A procura pelo Modelo Padrão da física das partículas ainda desconhecidos pode provar a teoria das cordas e da existência de outras dimensões no universo Jean-Yves de Neufville

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