Físicos que vagaram pela "paisagem" da teoria das cordas - um espaço de bilhões e bilhões de soluções matemáticas para uma teoria em que cada solução fornece as equações com as quais os físicos tentam descrever a realidade - tropeçaram em um subconjunto dessas equações que incluem tantas partículas de matéria quantas existem em nosso universo. No entanto, esse subconjunto é enorme: há pelo menos um quatrilhão dessas soluções. Esta é a maior descoberta da história da teoria das cordas.
O universo na teoria das cordas
De acordo com a teoria das cordas, todas as partículas e forças fundamentais são geradas pela vibração de pequenas cordas. Para consistência matemática, essas cordas vibram em um espaço-tempo de 10 dimensões. E para consistência com nossa experiência cotidiana usual de existência no Universo, com três dimensões espaciais e uma de tempo, as seis dimensões adicionais são "compactadas" para que não possam ser detectadas.
Diferentes compactações levam a diferentes soluções. Na teoria das cordas, "solução" se refere ao vácuo do espaço-tempo, que é governado pela teoria da gravidade de Einstein combinada com a teoria quântica de campos. Cada solução descreve um universo único, com seu próprio conjunto de partículas, forças fundamentais e outras propriedades definidoras.
Alguns teóricos das cordas concentraram seus esforços na tentativa de encontrar maneiras de relacionar a teoria das cordas às propriedades de nosso universo observável conhecido - em particular, o modelo padrão da física de partículas, que descreve todas as partículas e forças conhecidas, exceto a gravidade.
Muito desse esforço vem de uma versão da teoria das cordas em que as cordas interagem fracamente. Nos últimos vinte anos, entretanto, um novo ramo da teoria das cordas, chamado teoria F, permitiu aos físicos trabalhar com cordas de forte interação - ou fortemente acopladas.
“Os resultados interessantes são que, quando a relação é grande, podemos começar a descrever a teoria de maneira muito geométrica”, diz Miriam Tsvetik, da Universidade da Pensilvânia, na Filadélfia.
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Isso significa que os teóricos das cordas podem usar a geometria algébrica - que usa técnicas algébricas para resolver problemas geométricos - para analisar diferentes maneiras de compactar dimensões extras na teoria F e encontrar soluções. Os matemáticos estudam independentemente algumas das formas geométricas que aparecem na teoria F. “Eles fornecem aos físicos uma grande variedade de ferramentas”, diz Ling Lin, também da Universidade da Pensilvânia. "A geometria é realmente muito importante, é a 'linguagem' que torna a teoria F uma estrutura poderosa."
Quatrilhões de universos
Assim, Tsvetik, Lin, James Halverson, da Northeastern University em Boston, usaram esses métodos para identificar uma classe de soluções com modos de cordas vibrantes que levam ao mesmo espectro de férmions (ou partículas de matéria) conforme descrito pelo Modelo Padrão - incluindo a propriedade, devido ao qual os férmions são de três gerações (por exemplo, elétron, múon e tau são três gerações do mesmo tipo de férmions).
As soluções da teoria F descobertas por Tsvetik e seus colegas também incluem partículas que exibem quiralidade (falta de simetria nos lados direito e esquerdo) do modelo padrão. Na terminologia da física de partículas, essas soluções reproduzem o "espectro quiral" exato das partículas no modelo padrão. Por exemplo, os quarks e léptons nessas soluções têm versões esquerda e direita, como em nosso universo.
O novo trabalho mostra que há pelo menos um quatrilhão de soluções nas quais as partículas têm o mesmo espectro quiral do modelo padrão, 10 ordens de magnitude a mais de soluções do que as encontradas na teoria das cordas até agora. “Esta é de longe a maior subclasse de soluções de Modelo Padrão”, diz Tsvetik. "O que é incrível e bom é que está tudo na teoria das cordas fortemente acoplada, onde a geometria nos ajuda."
Quadrilhão é um número extremamente grande, embora muito menos do que o número de soluções na teoria F (que na última contagem é de cerca de 10.272.000). E por ser um número extremamente grande, o que denuncia algo não trivial e verdadeiro na física de partículas do mundo real, será estudado com todo o rigor e seriedade, diz Halverson.
Uma exploração posterior incluirá a identificação de ligações mais fortes com a física de partículas no mundo real. Os pesquisadores devem identificar as conexões ou interações entre as partículas nas soluções da teoria F, que novamente dependem dos detalhes geométricos da compactação de dimensões extras.
É bem possível que no espaço de um quatrilhão de soluções haja algumas soluções que levem ao decaimento de um próton em escalas de tempo previsíveis. Isso contradizia claramente o mundo real, uma vez que os experimentos não revelaram nenhum sinal de decadência do próton. Ou os físicos podem procurar soluções que implementem o espectro de partículas do Modelo Padrão, preservando a simetria matemática (paridade R). Essa simetria proíbe certos processos de decaimento de prótons e seria muito atraente do ponto de vista da física de partículas, mas está ausente nos modelos modernos.
Além disso, este trabalho pressupõe a existência de supersimetria - ou seja, todas as partículas padrão têm partículas parceiras. A teoria das cordas precisa dessa simetria para garantir a consistência matemática das soluções.
Mas, para que qualquer teoria de supersimetria se ajuste ao universo observável, a simetria deve ser quebrada (assim como colocar talheres e um copo fora de sincronia no lado esquerdo ou direito quebraria a simetria da configuração da mesa). Caso contrário, as partículas parceiras terão a mesma massa que as partículas do Modelo Padrão - o que definitivamente não é o caso, uma vez que não vimos nenhuma dessas partículas parceiras em nossos experimentos.
Ilya Khel
