O Modelo Standard é uma coisa de beleza. É a teoria mais rigorosa da física das partículas, incrivelmente precisa e precisa nas suas previsões. Expõe matematicamente os 17 blocos de construção da natureza: seis quarks, seis leptões, quatro partículas portadoras de força, e o bóson Higgs. Estes são governados pelas forças electromagnéticas, fracas e fortes.
“Quanto à pergunta ‘O que somos nós?’ o Modelo Padrão tem a resposta”, diz Saúl Ramos, investigador da Universidade Nacional Autónoma do México (UNAM). “Diz-nos que cada objecto no universo não é independente, e que cada partícula está lá por uma razão”
Nos últimos 50 anos, tal sistema tem permitido aos cientistas incorporar a física das partículas numa única equação que explica a maior parte do que podemos ver no mundo à nossa volta.
Apesar do seu grande poder de previsão, contudo, o Modelo Padrão não responde a cinco questões cruciais, razão pela qual os físicos de partículas sabem que o seu trabalho está longe de estar concluído.
Porquê os neutrinos têm massa?
Três das partículas do Modelo Standard são tipos diferentes de neutrinos. O Modelo Standard prevê que, tal como os fótons, os neutrinos não devem ter massa.
No entanto, os cientistas descobriram que os três neutrinos oscilam, ou se transformam uns nos outros, à medida que se movem. Este feito só é possível porque os neutrinos não são afinal sem massa.
“Se usarmos as teorias que temos hoje, obtemos a resposta errada”, diz André de Gouvêa, professor na Northwestern University.
O Modelo Standard enganou-se nos neutrinos, mas resta saber o quão errado está. Afinal de contas, os neutrinos em massa são bastante pequenos.
É que todo o Modelo Standard falhou, ou há mais que não saibamos acerca dos neutrinos? Alguns resultados experimentais sugeriram, por exemplo, que poderia haver um quarto tipo de neutrino chamado neutrino estéril que ainda temos de descobrir.
O que é matéria negra?
Os cientistas aperceberam-se de que lhes faltava algo quando repararam que as galáxias giravam muito mais depressa do que deviam, com base na atracção gravitacional da sua matéria visível. Estavam a girar tão depressa que deveriam ter-se despedaçado. Algo que não podemos ver, que os cientistas apelidaram de “matéria escura”, deve estar a dar massa adicional – e por conseguinte uma atracção gravitacional – a estas galáxias.
Matéria escura é pensada para constituir 27% do conteúdo do universo. Mas não está incluída no Modelo Padrão.
Os cientistas procuram formas de estudar esta misteriosa matéria e identificar os seus blocos de construção. Se os cientistas pudessem mostrar que a matéria escura interage de alguma forma com a matéria normal, “ainda precisaríamos de um novo modelo, mas isso significaria que o novo modelo e o Modelo Padrão estão ligados”, diz Andrea Albert, investigadora do Laboratório Nacional SLAC do Departamento de Energia dos EUA que estuda a matéria escura, entre outras coisas, no Observatório de Cherenkov de Água de Alta Altitude, no México. “Isso seria uma enorme mudança de jogo”.
Porquê tanta matéria no universo?
Quando uma partícula de matéria surge – por exemplo, numa colisão de partículas no Large Hadron Collider ou na decomposição de outra partícula – normalmente a sua contraparte antimatéria aparece para a viagem. Quando partículas iguais de matéria e antimatéria se encontram, aniquilam-se mutuamente.
p>Os cientistas supõem que quando o universo foi formado no Big Bang, matéria e antimatéria deveriam ter sido produzidas em partes iguais. No entanto, algum mecanismo manteve a matéria e a antimatéria longe do seu padrão habitual de destruição total, e o universo à nossa volta é dominado pela matéria.
O Modelo Padrão não pode explicar o desequilíbrio. Muitas experiências diferentes estão a estudar a matéria e a antimatéria em busca de pistas sobre o que fez tombar as escalas.
Porquê é que a expansão do universo está a acelerar?
Antes de os cientistas conseguirem medir a expansão do nosso universo, eles adivinharam que tinha começado rapidamente depois do Big Bang e depois, com o tempo, tinha começado a abrandar. Portanto, foi um choque que, não só a expansão do universo não estava a abrandar, como estava na realidade a acelerar.
As últimas medições do Telescópio Espacial Hubble e do Observatório da Agência Espacial Europeia Gaia indicam que as galáxias estão a afastar-se de nós a 45 milhas por segundo. Essa velocidade multiplica-se por cada megaparsec adicional, uma distância de 3,2 milhões de anos-luz, relativamente à nossa posição.
Acredita-se que esta velocidade vem de uma propriedade inexplicável do espaço-tempo chamada energia escura, que está a afastar o universo. Pensa-se que constitui cerca de 68 por cento da energia do universo. “Isso é algo muito fundamental que ninguém poderia ter antecipado só de olhar para o Modelo Padrão”, diz de Gouvêa.
Is there a particle associated with the force of gravity?
O Modelo Padrão não foi concebido para explicar a gravidade. Esta quarta e mais fraca força da natureza não parece ter qualquer impacto nas interacções subatómicas que o Modelo Standard explica.
Mas os físicos teóricos pensam que uma partícula subatómica chamada gravitão pode transmitir a gravidade da mesma forma que partículas chamadas fotões transportam a força electromagnética.
“Após a existência de ondas gravitacionais ter sido confirmada por LIGO, perguntamos agora: Qual é a menor onda gravitacional possível? Isto é quase como perguntar o que é um gravitão”, diz Alberto Güijosa, professor no Instituto de Ciências Nucleares da UNAM.
Mais para explorar
Estes cinco mistérios são as grandes questões da física no século XXI, diz Ramos. No entanto, existem enigmas ainda mais fundamentais, diz ele: Qual é a fonte da geometria do espaço-tempo? Onde é que as partículas obtêm o seu spin? Porque é que a força forte é tão forte enquanto a força fraca é tão fraca?
Ainda há muito para explorar, diz Güijosa. “Mesmo que acabássemos com uma teoria final e perfeita de tudo nas nossas mãos, continuaríamos a realizar experiências em diferentes situações, a fim de empurrar os seus limites”
“É um exemplo muito clássico do método científico em acção”, diz Albert. “Com cada resposta vêm mais perguntas; nunca se faz nada”