Artigo traduzido de Nature. Autor: Edwin Cartlidge.
Físicos do Institute for Nuclear Research em Debrecen, Hungria, dizem que este aparelho – um espectrômetro de elétron-pósitron – encontrou evidências de uma nova partícula.
Um experimento de laboratório na Hungria detectou uma anomalia no decaimento radioativo que poderia ser a assinatura de uma quinta força fundamental da natureza até então desconhecida, dizem os físicos – se a constatação se sustentar.
Attila Krasznahorkay no Institute for Nuclear Research da Hungarian Academy of Sciences em Debrecen, Hungria, e seus colegas, relataram seu resultado surpreendente em 2015 no servidor arXiv, e em janeiro deste ano na revista Physical Review Letters. Mas o relatório – que postulou a existência de um novo bóson de luz apenas 34 vezes mais pesado que o elétron – foi largamente ignorado.
Então, em 25 de abril, um grupo de físicos teóricos norte-americanos trouxe uma maior atenção ao publicar a sua própria análise do resultado no arXiv. Os teóricos mostraram que os dados não entram em conflito com quaisquer experiências anteriores – e concluíram que poderia ser uma evidência da quinta força fundamental. “Nós a tiramos de uma relativa obscuridade”, diz Jonathan Feng, da University of California, Irvine, principal autor do relatório do arXiv.
Quatro dias mais tarde, dois dos colegas de Feng discutiram a descoberta num workshop no SLAC National Accelerator Laboratory em Menlo Park, Califórnia. Os pesquisadores estavam céticos mas animados com a ideia, diz Bogdan Wojtsekhowski, físico do Thomas Jefferson National Accelerator Facility em Newport News, Virginia. “Muitos participantes do workshop estão pensando em maneiras diferentes para verificar a possível descoberta”, diz ele. Grupos na Europa e nos Estados Unidos dizem que devem ser capazes de confirmar ou refutar os resultados experimentais dos húngaros dentro de cerca de um ano.
Buscando novas forças
Gravidade, eletromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca são as quatro forças fundamentais conhecidas da física – mas os pesquisadores têm feito muitas alegações infundadas de uma quinta. Durante a última década, a busca por novas forças cresceu devido à incapacidade do modelo padrão da física de partículas em explicar a matéria escura – uma substância invisível considerada constituir mais de 80% da massa do Universo. Os teóricos propuseram várias partículas exóticas de matéria e portadoras de força, incluindo “fótons escuros”, análogos aos fótons convencionais que carregam a força eletromagnética.
Krasznahorkay disse que seu grupo estava à procura de evidências de apenas um fóton escuro – mas a equipe de Feng acha que eles descobriram algo diferente. A equipe húngara disparou prótons em alvos finos de lítio-7, que criaram núcleos instáveis de berílio-8 que, em seguida, decaíram e lançaram pares de elétrons e pósitrons. De acordo com o modelo padrão, os físicos devem ver que o número de pares observados cai à medida que o ângulo que separa a trajetória do elétron e do pósitron aumenta. Mas a equipe informou que por volta de 140º, o número de tais emissões salta – criando uma “colisão” quando o número de pares são traçados contra o ângulo – antes de cair novamente em ângulos maiores.
Confiança na colisão
Krasznahorkay diz que a colisão é uma forte evidência de que uma fração diminuta dos núcleos instáveis de berílio-8 derramaram seu excesso de energia sob a forma de uma nova partícula, que então decai em um par elétron-pósitron. Ele e seus colegas calcularem que a massa da partícula deve ser de cerca de 17 megaeletronvolts (MeV).
“Estamos muito confiantes sobre nossos resultados experimentais”, diz Krasznahorkay. Ele diz que a equipe repetiu o teste várias vezes nos últimos três anos, e que eliminou todas as fontes possíveis de erro. Assumindo que ele tenha feito isso, então as chances de ver uma anomalia tão extrema se não houvesse nada de anormal acontecendo seriam de cerca de 1 em 200 bilhões, a equipe diz.
Feng e seus colegas dizem que a partícula de 17 MeV não é um fóton escuro. Depois de analisar a anomalia à procura de propriedades consistentes com os resultados experimentais anteriores, eles concluíram que a partícula poderia ser um “bóson protofóbico X”. Essa partícula carregaria uma força de curtíssimo alcance que age em distâncias de apenas várias vezes a largura de um núcleo atômico. E onde um fóton escuro (como um fóton convencional) produziria um par de elétrons e prótons, o novo bóson produziria um par de elétrons e nêutrons. Feng diz que seu grupo está atualmente investigando outros tipos de partículas que poderiam explicar a anomalia. Mas o bóson protofóbico é “a possibilidade mais simples”, diz ele.
Par não convencional
Jesse Thaler, físico teórico do Massachusetts Institute of Technology (MIT), em Cambridge, diz que o par não convencional proposto pela equipe de Feng o torna cético de que a nova partícula exista. “Certamente não é a primeira coisa que eu teria escrito se eu estivesse autorizado a aumentar o modelo padrão à vontade”, diz ele. Mas ele acrescenta que ele “prestou atenção” na proposta. “Talvez estamos vendo o primeiro vislumbre da física além do universo visível”, diz ele.
Os pesquisadores devem não ter que esperar muito tempo para descobrir se uma partícula de 17 MeV realmente existe. O experimento DarkLight no Jefferson Laboratory foi projetado para procurar fótons escuros com massas entre 10-100 MeV, disparando elétrons em um alvo de gás hidrogênio. Agora, diz o porta-voz Richard Milner, do MIT, ele terá como alvo a região de 17 MeV como uma prioridade, e dentro de cerca de um ano, poderia encontrar a partícula proposta ou estabelecer limites rigorosos sobre seu acoplamento com a matéria normal.
Quem também irá procurar pelo bóson proposto será o experimento LHCb no CERN, laboratório de partículas na física da Europa, perto de Genebra, que vai estudar o decaimento quark-antiquark, e dois experimentos que vão disparar pósitrons em um alvo fixo – um no INFN Frascati National Laboratory perto Roma, que deve entrar em operação em 2018, e outro no Budker Institute of Nuclear Physics, na cidade siberiana de Novosibirsk, na Rússia.
Rouven Essig, físico teórico da Stony Brook University, em Nova York e um dos organizadores do workshop do SLAC, pensa que as propriedades “um pouco inesperadas” do bóson tornam a confirmação improvável. Mas ele saúda os testes. “Seria loucura não fazer outro experimento para verificar este resultado”, diz ele. “A natureza já nos surpreendeu antes!”.
