Supersimetria
SUPERSIMETRIA
Em física de partículas, supersimetria (comumente abreviada como SUSY) é uma simetria que relaciona uma partícula fundamental com um certo valor de spin com outras partículas com spins diferentes por meia unidade. Em uma teoria com essa simetria, para cada bóson existe um férmion correspondente com a mesma massa e mesmos números quânticos internos, e vice-versa.
Até agora, só existem evidências indiretas para a existência de supersimetria[1], uma vez que os parceiros supersimétricos das partículas do Modelo Padrão ainda não foram observados. A supersimetria, se ela existir, deve ser uma simetria quebrada, o que permite que as parceiras supersimétricas sejam mais pesadas que suas correspondentes no Modelo Padrão.
Se a supersimetria existir próxima a escala de TeV, ela permite a solução do problema de hierarquia do Modelo Padrão, isto é, o fato de que a massa do bóson de Higgs está sujeita a correções quânticas que fariam ela tão grande a ponto de indeterminar a consistência interna da teoria. Nas teorias supersimétricas, por outro lado, as contribuições para as correções quânticas vindo das partículas do Modelo Padrão são naturalmente canceladas pelas contribuições dos seus parceiros supersimétricos correspondentes. Outras características relevantes da supersimetria na escala de TeV é o fato de que ela permite uma unificaçãoem altas energias das interações fracas, interações fortes e eletromagnetismo, e o fato de que ela fornece um candidato para matéria escura e um mecanismo natural para a quebra da simetria eletrofraca.
Outra vantagem da supersimetria é que a teoria quântica de campos supersimétrica pode ser resolvida algumas vezes. A supersimetria também faz parte de várias das versões da teoria de cordas, embora ela possa existir mesmo se a teoria de cordas não estiver correta.
O Modelo Padrão minimamente supersimétrico é um dos candidatos mais estudados para física além do Modelo Padrão.
História
Um modelo de supersimetria relacionando mésons e bárions foi proposto inicialmente, no contexto de física hadrônica, por H. Miyazawa em 1966, mas seu trabalho foi ignorado nesta época.[2][3][4][5]
No início dos anos 70, J. L. Gervais e B. Sakita (1971), Yu. A. Golfand e E.P. Likhtman (também em 1971), D.V. Volkov e V.P. Akulov (1972) e J. Wess e B. Zumino (1974) redescobriram independentemente a supersimetria, um novo tipo de simetria do espaço-tempo e dos campos fundamentais, que estabelece a relação entre partículas elementares de natureza quântica diferentes, bósons e férmions, e unifica o espaço-tempo e as simetrias internas do mundo microscópico. Os primeiros modelos supersimétricos surgiram no contexto de uma versão preliminar da teoria de cordas por Pierre Ramond, John H. Schwarz e Andre Neveu, mas a estrutura matemática da supersimetria tem sido aplicada com sucesso em outras áreas da física.
A primeira versão supersimétrica do Modelo Padrão foi proposta em 1981 por Howard Georgi e Savas Dimopoulos e é chamada o Modelo Padrão minimamente supersimétrico(MSSM, sigla em inglês). Ele foi proposto para resolver o problema de hierarquia e previa massas para os parceiros supersimétricos entre 100 GeV e 1 TeV.
Até o presente momento, não existe nenhuma evidência experimental irrefutável de que a supersimetria é uma simetria da natureza. Porém, no ano de 2009, o grande colisor de hádrons no CERN está programado para colidir partículas com energia superior a qualquer outro acelerador atualmente em atividade e oferece a melhor chance de descoberta de partículas supersimétricas.
Físicos abandonam a Supersimetria
O Grande Colisor de Hádrons não foi capaz de detectar partículas previstas pela teoria
Quando ainda era um jovem teórico em Moscou, em 1982, Mikhail Shifman ficou encantado com uma elegante nova teoria chamada de supersimetria, que tentava incorporar as partículas elementares conhecidas a um inventário mais completo do Universo.
“Meus artigos daquela época realmente irradiam entusiasmo”, brincou Shifman, agora um professor de 63 anos da University of Minnesota. No passar das décadas, ele e milhares de outros físicos desenvolveram a hipótese da supersimetria, confiantes que experimentos iriam confirmá-la. “Mas parece que a natureza não quer a teoria”, lamentou ele. “Pelo menos não na forma simples original”
Com o maior supercolisor do mundo incapaz de encontrar qualquer uma das partículas que a teoria diz que devem existir, Shifman está se juntando a um coro cada vez maior de pesquisadores que instam seus colegas a mudarem de rumo.
Em um ensaio publicado no mês passado no website de física arXiv.org, Shifman pediu a seus colegas que abandonassem o caminho de “desenvolver modificações artificiais, barrocas, e sem apelo estético” para a supersimetria conseguir contornar o fato de que versões mais diretas da teoria falharam nos testes experimentais. Chegou a hora, escreveu ele, de “começar a pensar e a desenvolver novas ideias”.
Mas há pouco para aproveitar. Até agora, nenhuma dica da “nova física” além do Modelo Padrão – o conjunto aceito de equações que descrevem as partículas elementares conhecidas – apareceu nos experimentos do Grande Colisor de Hádrons, operado pelo laboratório europeu de pesquisa CERN, perto de Genebra, ou em qualquer outro lugar. (O bóson de Higgs recém-descoberto foi previsto pelo Modelo Padrão.) A última rodada de experimentos que esmagam prótons, apresentada em novembro na conferência Hadron Collider Physics, em Kyoto, no Japão, eliminou outra grande classe de modelos da supersimetria, além de outra teoria da “nova física”, quando não encontrou nada inesperado nas taxas de vários decaimentos de partículas.
“É claro que isso é decepcionante”, admitiu Shifman. “Não somos deuses. Não somos profetas. Sem a orientação de dados experimentais, como podemos adivinhar alguma coisa sobre a natureza?”.
Jovens físicos de partículas agora enfrentam uma escolha difícil: seguir a trilha que seus mentores percorreram durante décadas, adotando versões cada vez mais modificadas da supersimetria, ou saírem por conta própria, sem a orientação de nenhum dado novo.
“É uma questão difícil, que a maioria de nós ainda está tentando evitar”, declarou Adam Falkowski, físico teórico de partículas da University of Paris-South em Orsay, na França, que atualmente trabalha no CERN. Em um post sobre os resultados experimentais recentes, Falkowski brincou que já estava na hora de começar a procurar emprego em neurociência.
“Não tem como chamar isso de encorajador”, desabafou Stephen Martin, físico de partículas e altas energias da Northern Illinois University, que trabalha na supersimetria ou, para abreviar, SUSY. “Eu certamente não sou alguém que acredita que a SUSY tenha que estar certa; eu só não consigo pensar em nada melhor”.
A supersimetria dominou os cenários físicos durante décadas, à exceção de umas poucas teorias alternativas da física além do Modelo Padrão.
“É difícil exagerar o quanto os físicos de partículas dos últimos 20 ou 30 anos investiram na SUSY como hipótese. Então a falha da ideia terá grandes implicações para o campo”, observou Peter Woit, teórico de partículas e matemático da Columbia University.
A teoria é encantadora por três razões principais: ela prevê a existência de partículas que poderia constituir a “matéria escura”, uma substância invisível que permeia os arredores de galáxias. Ela unifica três das forças fundamentais em altas energias. E – de longe a maior motivação para estudar a supersimetria – ela resolve um enigma da física conhecido como problema da hierarquia.
O problema surge da disparidade entre a gravidade e a força nuclear fraca, que é cerca de 100 milhões de trilhões de trilhões (10³²) de vezes mais forte, e age em escalas muito menores para mediar interações dentro de núcleos atômicos. As partículas que carregam a força fraca, chamadas de bósons W e Z, derivam suas massas do campo de Higgs, um campo de energia que satura todo o espaço. Mas não está claro porquê a energia do campo de Higgs, e portanto as massas dos bósons W e Z, não é muito maior. Como outras partículas ficam entrelaçadas com o campo de Higgs, suas energias deveriam vazar para ele durante eventos conhecidos como flutuações quânticas. Isso deveria elevar rapidamente a energia do campo de Higgs, tornando os bósons W e Z muito mais massivos e deixando a força nuclear fraca tão fraca quanto a gravidade.
A supersimetria resolve o problema da hierarquia ao teorizar a existência de uma “superparceira” gêmea para cada partícula elementar. De acordo com a teoria, os férmions, que constituem a matéria, têm superparceiras que são bósons, que transmitem forças, e os bósons existentes têm superparceiros férmions. Como as partículas e suas superparceiras são de tipos opostos, suas contribuições energéticas para o campo de Higgs têm sinais opostos: uma eleva sua energia, a outra a reduz. As contribuições dos pares se cancelam, sem nenhum resultado catastrófico para o campo de Higgs. Como bônus, uma das superparceiras não descobertas poderia constituir a matéria escura.
“A supersimetria é uma estrutura tão linda... E na física nós permitimos que esse tipo de beleza e qualidade estética nos guie para onde achamos que a verdade pode estar”, poetizou Brian Greene, físico teórico da Columbia University.
Com o passar do tempo, conforme as superparceiras falharam em se materializar, a supersimetria ficou menos linda. De acordo com modelos populares, para evitar a detecção, as superpartículas teriam que ser muito mais pesadas que suas gêmeas, substituindo uma simetria exata com algo parecido com um espelho de carnaval. Físicos ofereceram uma vasta quantidade de ideias para como a simetria pode ter sido quebrada, produzindo uma miríade de versões da supersimetria.
Mas a quebra da supersimetria pode oferecer um novo problema. “Quanto mais pesadas se tornam algumas das superparceiras em comparação com as partículas existentes, mais os efeitos de cancelamento deixam de funcionar”, explicou Martin.
A maioria dos físicos de partículas da década de 1980 achou que detectaria superparceiros que seriam apenas levemente mais pesados que as partículas conhecidas. Mas o Tevatron, o acelerador de partículas aposentado do Fermilab em Batavia, no estado de Illinois, não encontrou evidências disso. Conforme o Grande Colisor de Hádrons investiga energias cada vez mais altas sem qualquer sinal de partículas supersimétricas, alguns físicos estão dizendo que teoria está morta. “Eu acho que o LHC foi o último suspiro”, lamentou Woit.
Atualmente, a maioria das versões viáveis restantes da supersimetria prevê superparceiros tão pesados que acabariam subjugando os efeitos de seus gêmeos muito mais leves, não fosse por cancelamentos finamente ajustados entre os vários superparceiros. Mas introduzir ajustes finos para poder reduzir os danos e resolver o problema da hierarquia deixa alguns físicos desconfortáveis. “Talvez isso mostre que devemos dar um passo atrás e começar a pensar novamente sobre os problemas para os quais a fenomenologia baseada na SUSY foi introduzida”, apontou Shifman.
Mas alguns teóricos estão seguindo adiante, argumentando que, em contraste com a beleza da teoria original, a natureza poderia ser simplesmente uma feia combinação de superpartículas com uma pitada de sintonia fina. “Eu acho que concentrar-se em versões populares da supersimetria é um erro”, declarou Matt Strassler, físico de partículas da Rutgers University. “Concursos de popularidade não são medidas confiáveis da verdade”.
Em alguns dos modelos menos populares da supersimetria, as supercompanheiras mais leves não são as que os experimentos do Grande Colisor de Hádrons procuraram. Em outros, as superparceiras não são mais pesadas que as partículas existentes, mas simplesmente menos estáveis, o que as torna mais difíceis de detectar. Essas teorias continuarão a ser testadas no Grande Colisor de Hádrons depois de ele ser aprimorado para funcionar a todo vapor, em aproximadamente dois anos.
Se não surgir nada novo – um resultado casualmente chamado de “cenário dos pesadelos” – os físicos serão deixados com os mesmos buracos que permeavam a imagem do Universo há três décadas, antes de a supersimetria preenchê-los lindamente. E, sem um colisor de energias ainda mais altas para testar ideias alternativas, observa Falkowski, o campo entrará em lento declínio: “O número de empregos da física de partículas diminuirá constantemente, e os físicos de partículas desaparecerão naturalmente”.
Greene oferece uma visão mais alegre. “A ciência é uma jornada maravilhosamente autocorretora”, lembrou ele. “As ideias erradas são eliminadas com o tempo porque não dão frutos, ou porque estão nos levando a becos sem saída. Isso acontece de uma maneira maravilhosamente interna. As pessoas continuam a trabalhar no que acham fascinante, e a ciência caminha em direção à verdade”.
De Simons Science News, Scientific american Brasil
https://www2.uol.com.br/sciam/noticias/fisicos_abandonam_a_supersimetria.html
A Supersimetria Está Morta?
O grande esquema, um trampolim para a teoria de cordas, ainda está no topo da lista de desejos dos físicos. Mas se nenhuma evidência sólida surgir em breve, essa área poderá se tornar um sério problema de relações públicas
Há décadas físicos postulam a ideia de um mundo inteiro de sombras de partículas elementares, chamado supersimetria. Ela resolveria de modo elegante os mistérios não explicados pelo atual Modelo Padrão da física de partículas, como a composição da matéria escura cósmica. Agora, alguns começam a se surpreender. O acelerador de partículas mais poderoso, o Large Hadron Collider (LHC), ainda não observou qualquer fenômeno novo que denuncie algum nível invisível da realidade. Embora a pesquisa esteja apenas começando, já levou alguns teóricos a se perguntar o que será da física se a supersimetria se mostrar não verdadeira.
“Onde quer que procuremos nada observamos, isto é, nenhum desvio do Modelo Padrão”, alega Giacomo Polesello do Instituto Nacional de Física Nuclear da Itália, em Pavia. Polesello é um dos líderes da influente equipe internacional de três mil cientistas que construiu e opera o ATLAS, um dos dois detectores genéricos gigantescos no anel do LHC. O CMS, o outro detector, tampouco observou algo, de acordo com uma atualização apresentada em uma conferência nos Alpes italianos, em março passado.
Teóricos apresentaram a supersimetria nos anos 60 para ligar os dois tipos básicos de partículas observados na Natureza, os férmions e os bósons. Basicamente, os férmions são os componentes da matéria (o elétron é um exemplo disso), enquanto os bósons são portadores das forças fundamentais (do fóton, no caso de eletromagnetismo). A supersimetria seria como atribuir a cada bóson conhecido um “superparceiro” pesado, o férmion e, a cada férmion conhecido, um parceiro pesado, um bóson. “É o próximo passo para a visão definitiva do mundo, onde fazemos tudo de forma simétrica e bonita”, descreve Michael Peskin, do National Accelerator Laboratory no SLAC.
O enorme acelerador no Cern, próximo a Genebra, deveria ter energia para produzir essas superpartículas. Atualmente, o LHC esmaga prótons com uma energia de 4 trilhões de elétronvolts (TeV) por vez, a partir das 3,5 TeV do ano passado. Essa energia é dividida entre quarks e glúons, que formam osprótons, para que a colisão possa gerar novas partículas equivalentes a cerca de 1 TeV de massa. Apesar das altas expectativas (e energia), no entanto, a Natureza não cooperou até agora. Físicos do LHC procuram sinais de partículas novas para a ciência e nada encontram. Se as superpartículas existem, deveriam ser ainda mais pesadas que o considerado. “Para ser franco”, desabafa Polesello, “a situação nos fez descartar muitos modelos ‘fáceis’, que deveriam ter aparecido de imediato.” Seu colega Ian Hinchliff e, do Lawrence Berkeley National Laboratory, concorda: “É impressionante observarmos a gama de massas e partículas excluídas”.
Mas muitos físicos mantêm suas esperanças: “Ainda há formas muito viáveis de construir modelos supersimétricos”, sustenta Peskin. Seria irreal esperar uma nova física após apenas um ano de coleta de dados, acrescenta Joseph Lykken, teórico da equipe do CMS.
O que os incomoda, porém, é que para que a supersimetria resolva os problemas para os quais foi desenvolvida, ao menos algumas das superpartículas não deveriam ser muito pesadas. Para compor a matéria escura, por exemplo, é preciso que não pesem pouco mais que décimos de 1 TeV.
Outra razão para a maioria dos físicos desejar que algumas superpartículas sejam leves é o bóson de Higgs, meta também importante do LHC. Supõe-se que todas as partículas elementares com massa têm essa condição assegurada pela interação com este bóson e, secundariamente, com um halo de fugazes “partículas virtuais”. Na maioria dos casos as simetrias do Modelo Padrão garantem que essas partículas virtuais se anulam mutuamente, para pouco contribuírem com a massa.
A exceção, ironicamente, é o próprio Higgs. Cálculos baseados no Modelo Padrão produzem o resultado paradoxal de que a massa do bóson deveria ser infinita. Superparceiros resolveriam esse mistério provendo maior razão para cancelamentos. Uma massa do Higgs de cerca de 0,125 TeV, sugerida pelos resultados preliminares anunciados em dezembro passado, estaria correta na faixa prevista pela supersimetria. Neste caso, porém, as superpartículas teriam de ter massa relativamente baixa.
Se não for assim, uma explicação seria que simetrias até então desvalorizadas do Modelo Padrão mantêm a massa do Higgs finita, como Bryan Lynn, da University College London, sugeriu no ano passado. Outros argumentam que, no máximo, a ideia de Lynn daria uma explicação parcial, deixando um papel vital para a física, além do Modelo Padrão — se não a supersimetria, então uma das outras estratégias concebidas por teóricos.
Um plano B popular é que o bóson de Higgs não seja uma partícula elementar, mas um composto de outras, a exemplo de prótons, que são formados por quarks. Cristophe Grojean, do Cern, lamenta que o LHC ainda não tenha dados suficientes para contribuir com essa ideia. Opções mais exóticas, como dimensões adicionais do espaço além das três habituais, podem ficar para sempre fora do alcance do LHC. “Neste momento”, compara Gian Francesco Giudice, outro teórico do Cern, “cada teoria tem seus próprios problemas”.
https://www2.uol.com.br/sciam/noticias/a_supersimetria_esta_morta_.html