A física de partículas é um dos campos mais interessantes da física. Embora já existam muitas partículas diferentes, os investigadores continuam a postular partículas novas e excitantes. A maioria dessas novas partículas está ligada à pesquisa da matéria escura e da energia escura, e os físicos estão atualmente fazendo o possível para descobri-las.
10 Elétron do buraco negro
No início do século 20, Albert Einstein introduziu a física de ponta sobre buracos negros, apoiada por sua teoria da relatividade geral. Entre seus trabalhos mais interessantes estava a teoria do elétron de um buraco negro. Os buracos negros podem ter vários formatos e tamanhos, dependendo de como se formam. O elétron do buraco negro de Einstein era um buraco negro proposital que tinha o mesmo tamanho e massa de um elétron.
Nos artigos de Einstein, ele discutiu como seria esse minúsculo buraco negro. Curiosamente, ele experimentaria as mesmas propriedades magnéticas de um elétron normal. Se alguém alguma vez observasse um elétron de um buraco negro, ele se pareceria com um elétron normal. Além disso, o elétron do buraco negro seria relativamente estável e permaneceria do tamanho de um elétron durante toda a sua vida.
O trabalho de Einstein sobre o electrão do buraco negro não se tornou uma parte importante da física de partículas na sua época, mas as inovações recentes na teoria das cordas estão a devolvê-lo ao primeiro plano. Os teóricos modernos das cordas construíram modelos que consideram as partículas como buracos negros em miniatura. Esses modelos ajudam a resolver problemas computacionais que existem na física normal, então é possível que Einstein não estivesse muito errado.
9 Fóton Escuro
A pesquisa da matéria escura é um dos campos mais discutidos na física de partículas moderna. Ninguém sabe exatamente o que é a matéria escura, e os físicos propõem constantemente novos candidatos para esta substância indescritível. Em 2008, uma equipe de pesquisadores propôs um novo tipo de partícula subatômica chamada fóton escuro. Esta partícula pareceria um fóton normal, mas interagiria apenas com a matéria escura.
O fóton escuro é o portador de força proposto para a força eletromagnética entre a matéria escura. Em vez de confiar no fóton normal como portador da força , os pesquisadores propuseram que o fóton escuro é o que transporta a interação. Para explicar por que a matéria escura é invisível à observação, os físicos especularam que outra força fundamental está agindo sobre a matéria escura. Este “eletromagnetismo escuro” é uma força de longo alcance, mas é mediada apenas pelo fóton escuro.
Por mais estranho que isso possa parecer, os pesquisadores de partículas tinham motivos para acreditar que existiam fótons escuros. No início dos anos 2000, os pesquisadores realizaram um experimento denominado g-2. Este experimento tentou medir as “oscilações” de rotação do múon (outro tipo de partícula subatômica) à medida que passavam por um campo magnético.
Durante o experimento, as oscilações do múon não corresponderam ao que o modelo padrão previa. Outras experiências foram realizadas em aceleradores de partículas para ver se as leituras anômalas poderiam ser sinais de fótons escuros. Infelizmente, os resultados mostraram que os fótons escuros não são os culpados. Outra coisa é.
A anomalia g-2 ainda não foi resolvida, embora os pesquisadores tenham certeza de que os fótons escuros não são os culpados. Ainda assim, os fótons escuros não são impossíveis. Eles podem existir em nosso universo.
8 Partícula Camaleão
Embora a matéria escura seja um grande mistério na física, a energia escura é ainda maior. Todas as medições e modelos mostram que o Universo não está apenas a expandir-se, mas também a acelerar a um ritmo crescente. Os físicos não sabem o que está a causar a aceleração, e inúmeros investigadores propõem várias explicações para a “energia escura” que está a criar o nosso universo em expansão. Uma das ideias mais interessantes é a partícula camaleônica.
Em teoria, a partícula camaleônica mediaria um quinto campo em nosso universo chamado campo camaleônico. A partícula para este campo possui uma variedade de propriedades estranhas. Os pesquisadores propõem que ele tenha uma massa efetiva variável que muda com a densidade da região do espaço que habita.
Quanto maior a massa efetiva, mais força ela exerce . Por exemplo, no nosso sistema solar, a partícula camaleão seria indetectável porque a elevada densidade relativa do nosso sistema solar faria com que a partícula exercesse uma força extremamente fraca. Mas no espaço intergaláctico, que está quase vazio, a partícula camaleão seria extremamente forte porque a densidade é muito baixa.
Esta proposta explica por que os cientistas veem a expansão universal. No entanto, os cientistas querem detectar a partícula. Mas é difícil porque os cientistas estão na Terra, numa parte densa do universo, onde a força camaleónica seria extremamente fraca.
Uma equipe de Berkeley construiu um aparato experimental para detectar partículas camaleônicas . Embora o teste tenha sido inconclusivo, não descartou a existência de partículas camaleônicas. Assim, os cientistas estão a trabalhar em mais experiências e instrumentos para detectar estas partículas indescritíveis e descobrir a natureza da energia escura .
7 Neutrinos estéreis
Outro candidato à matéria escura é o neutrino estéril. Os neutrinos normais são partículas de interação extremamente fraca formadas em várias reações nucleares. Os três tipos de neutrinos no modelo padrão são bem compreendidos. Eles interagem tão fracamente que os cientistas se referem a eles como partículas fantasmas.
Os neutrinos estéreis são diferentes porque interagem apenas através da força gravitacional. Os neutrinos normais (também conhecidos como neutrinos ativos) recebem carga da força fraca, mas os neutrinos estéreis não são influenciados por nenhuma das forças subatômicas no modelo padrão. Eles são fantasmas da partícula fantasma .
Os neutrinos estéreis são possíveis candidatos à matéria escura. Eles são interessantes porque existem fora do modelo padrão da física de partículas, adicionando mais neutrinos aos três que os cientistas já conhecem. Se descobertos, os neutrinos estéreis forçariam os cientistas a reorganizar partes do modelo padrão. Quanto à matéria escura, os físicos ainda estão em dúvida sobre se essas partículas fantasmagóricas são boas candidatas para ela.
Mas descobertas recentes forneceram evidências de que podem existir neutrinos estéreis. O problema é que os neutrinos estéreis são extremamente difíceis de detectar porque quase não interagem com outras formas de matéria. Os cientistas têm dificuldade em detectar os seus primos activos, muito menos as versões estéreis.
Em 2014, os astrônomos detectaram estranhas linhas de emissão de raios X de uma galáxia próxima que se enquadravam na teoria do neutrino estéril. Usando estes dados, o astrofísico Kevork Abazajian mostrou que o modelo de neutrinos estéreis poderia explicar a estrutura de outras galáxias próximas. Esta descoberta é a melhor evidência actual de neutrinos estéreis porque os detectores subterrâneos de neutrinos activos não tiveram sorte em detectar assinaturas desta partícula fantasmagórica.
6 Áxion
De todos os candidatos que os cientistas propuseram para a matéria escura fria, o áxion é o que está a receber mais publicidade e interesse. O axion foi proposto pela primeira vez para resolver um problema complicado envolvendo a força nuclear forte.
Na matemática do modelo padrão, os físicos de partículas incluem certas variáveis de entrada para fazer a matemática funcionar. No entanto, uma variável tem um valor próximo de zero, tornando-a inobservável. Quando os físicos inseriram esse valor nas suas equações, mostraram que um dos quarks fundamentais não teria massa.
A observação dos quarks contradizia este modelo , então os cientistas criaram um novo campo e uma nova partícula para corrigir a situação. Esta partícula é o áxion. Tem uma massa extremamente baixa, próxima de um trilionésimo da massa de um elétron.
Além disso, os áxions interagem apenas fracamente com outras matérias, mas têm interações estranhas e especiais com a força nuclear forte . Em teoria, estas partículas são completamente transparentes à luz e não interagem com a matéria de acordo com o modelo padrão.
Tudo isso faz do áxion um candidato chave para a matéria escura. A outra teoria principal é o modelo WIMP (partícula massiva de interação fraca), que propõe novas partículas que são muito mais pesadas que o próton e o nêutron. Os modelos Axion têm uma vantagem sobre os WIMPs porque já fazem parte da teoria quântica.
As teorias cosmológicas afirmam que os áxions poderiam constituir 85% da matéria escura do nosso universo. O resto seriam outras partículas. Os cientistas estão realizando experimentos para encontrar essas partículas invisíveis, mas a busca não é fácil.
5 Dilatão
O dilataton é uma partícula estranha proposta pela teoria das cordas. Quando os teóricos das cordas trabalham com as teorias de compactação de Kaluza-Klein, o dilaton é uma partícula que tem que existir. Mas faz com que as constantes fundamentais da natureza flutuem.
Em vez de nosso universo ter constantes como a constante de Newton ou a constante de Planck, a dilatação teria permitido que esses números flutuassem durante o início do universo. Depois disso, o dilaton teria congelado em valor , o que também fez com que os valores das constantes fundamentais congelassem.
Dilatons podem parecer estranhos, mas são essenciais para a compreensão da cosmologia da teoria das cordas. A teoria das cordas baseia-se nas teorias Kaluza-Klein, e não há como ignorar a dilatação nessas teorias. Na verdade, os físicos acreditam que o dilaton é um escalar fundamental no nosso universo, o que significa que é impossível ignorá-lo se existir.
No entanto, experimentos para detectar a dilatação seriam extremamente difíceis de conduzir. Mas suas propriedades combinam perfeitamente com as propriedades da energia escura. Portanto, se a teoria das cordas estiver correta, o dilaton poderia resolver o persistente mistério da energia escura .
4 Inflaton
Um dos maiores mistérios da cosmologia do big bang é o período inflacionário do universo. Na fração de segundo após o início do big bang, o universo experimentou um crescimento exponencial. Eventualmente, esse rápido crescimento diminuiu para a taxa de expansão observada hoje.
Este período inflacionário permitiu aos cientistas observar a radiação cósmica de fundo em micro-ondas e outras características interessantes do universo. No entanto, ninguém sabe por que o universo experimentou uma expansão inflacionária ou por que parou.
O ínflaton é um campo proposto que explicaria por que o universo se expandiu daquela maneira. Como todo campo, o ínflaton tem uma partícula associada a ele (também chamada de ínflaton).
O ínflaton funcionou em algumas etapas básicas. No início do universo, ele estava em um estado de alta energia e experimentou flutuações quânticas aleatórias, conforme esperado do universo infantil superdenso. Eventualmente, o ínflaton estabeleceu-se num estado de baixa energia, o que desencadeou uma enorme força repulsiva que permitiu ao ínflaton regressar ao seu estado de alta energia. Estranhamente, o ínflaton não exerce esta força repulsiva quando tem alta energia.
As teorias do Inflaton podem parecer elegantes, mas ainda são calorosamente debatidas entre os físicos porque o modelo inflacionário não foi aceite por todos os cientistas. No entanto, novas teorias em torno do universo primitivo mostram que o campo do ínflaton é um bom candidato para descrever como o nosso universo se tornou. Alguns pesquisadores acreditam que o bóson de Higgs recentemente descoberto é a partícula do ínflaton que eles têm procurado. Possivelmente, essas duas partículas são a mesma coisa.
3 Partícula Bateman
Proposta por uma equipe liderada por James Bateman, esta partícula sem nome é outra candidata a partícula superleve de matéria escura. A partícula de Bateman é muito mais pesada que o áxion, mas ainda assim tem apenas uma fração da massa de um elétron. Tal como outros candidatos à matéria escura, a nova partícula seria completamente invisível porque não interagiria com a luz. No entanto, interagiria com a matéria normal, explicando algumas das anomalias em torno da matéria escura.
Uma característica interessante desta nova partícula é que a sua interação com a matéria normal só é eficaz em longas distâncias ou em campos gravitacionais fortes. Assim, a nova partícula não seria totalmente afetada pela Terra.
Bateman acredita que sua partícula seria capaz de viajar pela Terra e sua atmosfera sem colidir com outras partículas ou ser detectável porque tem uma massa muito pequena. Milhões de partículas de Bateman podem estar fluindo através de você neste momento. Se a partícula for real, isso mostraria que a matéria escura permeia o espaço muito mais do que se acreditava anteriormente.
No entanto, esta partícula sem nome interage tão fracamente que é extremamente difícil conceber uma experiência que a detecte. No momento, ainda não foi divulgado o veredicto sobre a existência da partícula Bateman. Até que haja experiências melhores, a partícula de Bateman simplesmente continuará a ser uma possibilidade interessante.
2 Partículas de Planck
Um valor chave na mecânica quântica, o comprimento de onda Compton é uma característica de uma partícula que depende de sua massa e mostra sua relação com a energização de fótons. Se o comprimento de onda Compton de uma partícula for igual ao seu raio de Schwarzschild, é uma partícula de Planck.
O raio de Schwarzschild mostra até que ponto um objeto pode ser comprimido antes que a gravidade supere as outras forças físicas do universo e crie um buraco negro. Nesse tamanho, a velocidade de escape da superfície do objeto seria maior que a velocidade da luz, que é a característica definidora de um buraco negro. Assim, as partículas de Planck são tão compactas que se se transformaram em buracos negros .
As partículas de Planck têm características iguais às constantes de Planck para massa e tamanho. Uma partícula desta natureza pesaria tanto quanto a massa de Planck (10 19 vezes a massa do próton) e seria extremamente pequena (10 -20 vezes o diâmetro do próton). Isso torna a partícula de Planck extremamente densa.
Essas partículas estranhas são interessantes para os físicos. No início, eles foram introduzidos apenas nas equações como forma de calcular as dimensões do resultado. Agora eles são interessantes porque podem ser a chave para fazer a mecânica quântica e a relatividade geral funcionarem juntas.
Os cosmólogos também estão interessados nas partículas de Planck porque elas podem ter existido em grande abundância no universo primitivo. Ao incluir a partícula de Planck em modelos cosmológicos, os investigadores foram capazes de determinar que o decadência precoce das partículas de Planck pode ter resultado nas propriedades observadas das partículas na nossa era do universo.
1 Massa Negativa
A maioria das pessoas está familiarizada com a ideia de uma antipartícula, que tem carga oposta à de sua companheira normal. Por exemplo, um elétron tem carga -1 e sua antipartícula, o pósitron, tem carga +1. Os físicos teóricos expandiram esta ideia para a massa e postularam um novo conjunto de partículas que têm a massa oposta às nossas partículas normais.
Este é um conceito bastante estranho. Se você tivesse uma massa de 1 quilograma, a mesma quantidade de matéria negativa seria -1 quilograma. As antipartículas têm massas positivas, mas cargas opostas. A matéria negativa está em uma categoria à parte. Se existir matéria negativa, ajudaria a resolver alguns dos problemas mais interessantes da física. Por exemplo, levaria à unindo relatividade geral e mecânica quântica .
Os físicos pesquisam a matéria negativa porque ela permitiria aos humanos descobrir maneiras de viajar pelo universo. A relatividade geral afirma que a matéria negativa repeliria todas as outras matérias, tanto negativas quanto positivas. Assim, se a matéria negativa pudesse ser aproveitada, isso permitiria aos humanos esticar o espaço-tempo e possivelmente abrir buracos de minhoca através dos quais as naves poderiam viajar.
Os pesquisadores também conduzem pesquisas negativas em massa porque podem nos ajudar a compreender a seta do tempo e alguns dos conceitos mais confusos sobre os buracos negros. A matéria negativa também poderia ser usada para criar um plasma que absorveria as ondas gravitacionais. Infelizmente, a criação de matéria negativa ainda está muito longe, mas é claro que estas novas partículas subatómicas poderão revolucionar a ciência e as viagens espaciais.
