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Titular do IFT fala sobre supercordas

Publicado: Quinta, 09 de Julho de 2020, 17h29 | Última atualização em Sexta, 10 de Julho de 2020, 11h42 | Acessos: 65

Em entrevista ao Núcleo de Comunicação Social do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro (RJ), o físico teórico Nathan Berkovits, professor titular do Instituto de Física Teórica da Universidade Estadual Paulista e diretor do ICTP-SAIFR (Centro Internacional de Física Teórica – Instituto Sul-americano para a Pesquisa Fundamental), fala sobre a teoria de supercordas, a caça a partículas supersimétricas no mais potente acelerador da atualidade, a competição entre modelos para se chegar a uma unificação da gravidade com a teoria quântica, entre outros tópicos.

Berkovits é reconhecido internacionalmente como especialista em teoria de supercordas, área para a qual tem dado contribuições importantes. Tem cerca de 130 artigos publicados e 10 mil citações (Google Scholar). Foi bolsista, entre 2000 e 2002, do Instituto Clay de Matemática e, em 2009, ganhou o Prêmio TWAS (Academia de Ciências para o Mundo em Desenvolvimento) na categoria física. A seguir, a íntegra da entrevista.

 

O físico Nathan Berkovits

(Crédito: ICTP-SAIFR)

 

O LHC, o mais potente acelerador de partículas do mundo, instalado no Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (CERN), com sede em Genebra (Suíça), está em manutenção e deve, em breve, voltar com colisões mais energéticas. O senhor acha que as partículas supersimétricas, previstas pelas teorias de supercordas, vão ser finalmente detectadas? Por quê?

Embora ainda haja a chance de se detectarem novas partículas no LHC – que podem ser ou não supersimétricas –, essa possibilidade parece-me pequena. Isso porque, até agora, esse acelerador só confirmou o Modelo Padrão [ferramental teórico com o qual os físicos estudam partículas elementares e forças da natureza] com precisão incrível.

Mas, mesmo nos novos níveis de energia prometidos para depois da reforma, será difícil produzir essas novas partículas sem que esses eventos sejam influenciados indiretamente por experimentos anteriores. Estes últimos, por sua vez, indicaram que, provavelmente, para a produção dessas novas partículas, será preciso alcançar energias, ao menos, dez vezes maiores do que aquelas atingidas pelo acelerador em sua versão reformada.

 

O problema é que medir a força gravitacional entre objetos separados por um milímetro é complicado, mas, recentemente, isso foi feito. Infelizmente, não foi detectada modificação alguma da lei de Newton nessa distância

 

Além de grande variedade de novas partículas – as chamadas supersimétricas –, as teorias das supercordas preveem também mais dimensões do que as quatro (altura, largura, comprimento e tempo) do espaço-tempo. Há algum modo de provar experimentalmente que essas dimensões extras realmente existem?

 Sim, há várias maneiras. A mais direta seria medir modificações da lei gravitacional quando as distâncias são pequenas. Se o espaço-tempo tem apenas quatro dimensões, a lei de Newton – também válida, em certas situações, no âmbito da relatividade geral de Einstein – diz que a força gravitacional depende do inverso do quadrado da distância [F ~ 1/d2]. Mas, se o espaço-tempo, tiver N dimensões, a força gravitacional variaria de modo diferente com a distância, na forma N - 2 [F ~ 1/d(N - 2)].

Agora, se algumas dessas N dimensões estiverem compactadas – ou seja, forem muito pequenas –, a lei de Newton seria modificada para distâncias igualmente pequenas, da mesma ordem de grandeza. Por exemplo, se o grau de compactação de uma possível quinta dimensão for da ordem de um milímetro, a lei de Newton seria modificada para objetos separados por menos que um milímetro.

O problema é que medir a força gravitacional entre objetos separados por um milímetro é complicado, mas, recentemente, isso foi feito. Infelizmente, não foi detectada modificação alguma da lei de Newton nessa distância. Existe a possibilidade de serem feitos experimentos com distâncias ainda menores, e neles reside a esperança de que seja detectada alguma modificação dessa lei. Seria uma evidência importante, mas não a prova cabal de que haja dimensões adicionais.

Outro modo, ainda que indireto, de buscar essas evidências seria observar uma violação da lei de conservação de energia em algum processo. Isso poderia indicar que parte da energia tenha sido transferida para partículas que se propagariam em dimensões extras. Há experimentos no LHC procurando por esse tipo de violação, mas, até agora, não foi detectado processo que violasse essa lei.

 

Outro modo, ainda que indireto, de buscar essas evidências seria observar uma violação da lei de conservação de energia em algum processo. Isso poderia indicar que parte da energia tenha sido transferida para partículas que se propagariam em dimensões extras

 

 

Basicamente, duas grandes teorias competem pela unificação da mecânica quântica, que lida com os fenômenos do diminuto universo atômico e subatômico, e a relatividade geral, cujo escopo são fenômenos que envolvem a gravitação. As supercordas propõem um sem-número de novas partículas e dimensões extras, enquanto a chamada gravidade quântica em laço alega que nada disso é preciso, bastando apenas, de modo simples, que espaço e tempo não tenham realidade física. Qual desses programas tem mais chance de chegar àquela unificação? Por quê?

Discordo de que só haja ‘duas grandes teorias’ que tentam unificar mecânica quântica e relatividade geral. Há inúmeras tentativas para fazer isso. Por exemplo, o modelo de segurança assintótica, o qual sugere que relatividade geral, quando inclui certos efeitos [tecnicamente, denominados não perturbativos, ou seja, que não podem ser calculados por aproximações sucessivas], é consistente com mecânica quântica. Outro modelo popular é a ‘triangulação dinâmica causal’, que trata o espaço-tempo como formado por entidades discretas – no caso, triângulos.

Uma maneira de entender o problema da unificação de relatividade geral com mecânica quântica é calcular, no âmbito da relatividade geral, o fenômeno do espalhamento [‘colisões’] de ‘grávitons’.

Assim como uma onda de luz é composta por fótons [partículas de luz indivisíveis], uma onda de gravitação – como aquela detectada recentemente pelo experimento LIGO – é composta de grávitons [partículas indivisíveis de gravidade ainda não detectadas].

Mas, quando se usa a relatividade geral para calcular o espalhamento dos grávitons, chega-se a infinitos que levam a inconsistências para a construção de uma teoria quântica da gravidade. Essas inconsistências não estão presentes, por exemplo, no espalhamento de fótons na eletrodinâmica quântica [teoria que lida com os fenômenos relacionados à força eletromagnética] ou no espalhamento de glúons na cromodinâmica quântica [que trata dos fenômenos ligados à força forte nuclear, que, dito de modo simples, mantém o núcleo atômico coeso].

A presença de partículas previstas pela teoria de supercordas modifica o espalhamento de grávitons. Embora haja [nessas ‘colisões’] um número infinito delas, incrivelmente, é possível calcular seu efeito e mostrar que elas eliminam os infinitos no espalhamento dos grávitons. Então, ao menos nos cenários em que grávitons são as partículas fundamentais, a teoria de supercordas é consistente com mecânica quântica. Até agora, a teoria de supercordas é a única que conseguiu eliminar os infinitos do espalhamento de grávitons.

Outras teorias, como gravitação quântica de laços ou triangulação dinâmica causal, começam com a ideia de que o espaço-tempo contínuo não existe, sendo este substituído por outros conceitos, como ‘espuma de spin’ ou ‘triângulos’. O grande problema com essas teorias é mostrar que elas coincidem com a relatividade geral quando as energias são baixas, cenário em que o espaço-tempo contínuo tem que necessariamente emergir. Até que elas possam demostrar isso, não acho que sejam teorias promissoras para a unificação.

A teoria de segurança assintótica que mencionei é mais conservadora. Supõe que o espaço-tempo é contínuo, mas que os grávitons não são os objetos fundamentais, devendo ser substituídos por objetos ainda mais fundamentais – por exemplo, estados ligados de grávitons.

O desafio para esse modelo é fazer cálculos sem que se entenda bem a natureza desses objetos. No entanto, há tentativas nesse sentido, e elas usam uma técnica chamada ‘grupo de renormalização’ para extrair previsões desse modelo. Há vários físicos famosos trabalhando nessa área, como o norte-americano Steven Weinberg, prêmio Nobel de 1979.

 

Até agora, a teoria de supercordas é a única que conseguiu eliminar os infinitos do espalhamento de grávitons

 

Pesquisadores da área de supercordas acreditavam que alguma partícula supersimétrica iria aparecer no LHC – um dos candidatos mais cotados era o neutralino, um neutrino supersimétrico. Porém, nem este e nem outras partículas foram detectados. Com isso, mudou algo no programa das supercordas? Alguma vertente dessa teoria foi descartada com o não aparecimento de supersimétricas no LHC?

Um dos problemas mais importantes na teoria de supercordas é entender como as dimensões adicionais são compactadas. Sem entender isso, não será possível extrair previsões da teoria para baixas energias, como aquelas acessíveis no LHC.

Algumas possíveis formas de compactação foram eliminadas, por causa do não aparecimento de partículas supersimétricas no LHC, mas ainda sobra um número quase infinito de compactações possíveis.

 

Os matemáticos são atraídos por teorias ‘elegantes’, e muitos resultados novos em geometria algébrica foram descobertos por físicos trabalhando com supercordas

 

No início das teorias de supercordas, parecia haver uma tensão entre matemáticos e físicos. Os primeiros alegavam que estes últimos trabalhavam com resultados ainda sem comprovação, enquanto os físicos alegavam que os matemáticos não entendiam muito de física. Isso ainda persiste na área?

Não concordo com essa impressão e acho que nunca existiu essa tensão entre matemáticos e físicos em relação à teoria de supercordas. Pelo contrário. Os matemáticos sempre gostaram muito da teoria e até deram uma medalha Fields – o ‘prêmio Nobel’ de matemática – para um físico que trabalha com cordas [o norte-americano Edward Witten, do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, EUA, com o qual Berkovits tem artigos publicados].

Os matemáticos são atraídos por teorias ‘elegantes’, e muitos resultados novos em geometria algébrica foram descobertos por físicos trabalhando com supercordas. Por sinal, muitos físicos que trabalham na teoria de supercordas fazem pesquisa em conjunto com matemáticos, e até tem um congresso anual chamado StringMath, que reúne essas duas comunidades [O Strings 2021, congresso anual da área, está previsto para ocorrer em São Paulo (SP), de 21 a 26 de junho, no ICTP-SAIFR, e o StringMath 2021, no Instituto de Matemática Pura e Aplicada (IMPA),  no Rio de Janeiro (RJ), entre 14 e18 de junho].

 

Mais informações:

CV Lattes: http://lattes.cnpq.br/7565192274317470

ICTP-SAIFR: https://www.ictp-saifr.org/

IFT-Unesp: https://www.ift.unesp.br/

LHC: https://home.cern/science/accelerators/large-hadron-collider

 

 

 

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