Físicos mais próximos da Quinta Força Fundamental da natureza

Quinta Força Fundamental da natureza

As interações spin-spin de longo alcance (linhas azuis) permitem que os elétrons na superfície “sintam” seus parentes no interior da Terra, a milhares de quilômetros de profundidade.[Imagem: Marc Airhart (UTexas-Austin)/Steve Jacobsen (Northwestern University)]

Quinta Força da natureza

Cientistas estão usando a própria Terra como laboratório para detectar partículas elusivas que podem comprovar a existência de uma quinta força fundamental no Universo.

O Modelo Padrão da Física é baseado em quatro forças fundamentais – gravidade, eletromagnetismo, força fraca e força forte, estas duas últimas atuando em escala atômica.

Mas teorias sugerem que pode haver uma quinta força, que permitiria que partículas subatômicas “sintam” umas às outras em distâncias extremamente grandes.

São as chamadas interações spin-spin de longo alcance, que seriam uma propriedade fundamental dessas partículas – partículas virtuais que seriam tão estranhas que os próprios físicos costumam chamá-las de “não-partículas” (unparticles).

Se elas de fato existirem, essa exótica quinta força da natureza conectaria a matéria na superfície da Terra com a matéria a centenas, ou mesmo milhares, de quilômetros abaixo da superfície.

Isso significaria que as partículas fundamentais constituintes dos átomos – elétrons, prótons e nêutrons – poderiam “sentir” umas às outras mesmo separadas por distâncias muito grandes.

Além de uma nova peça no quebra-cabeças da física, essa nova partícula traria uma ferramenta totalmente nova para estudar o inacessível interior da Terra, dando informações sobre as características e a composição do manto.

Não-partícula

O momento angular intrínseco, ou spin, uma propriedade dos elétrons, é normalmente explicada por uma analogia com a interação magnética entre dois ímãs.

Dependendo de como você posiciona os pólos magnéticos de um ímã, as interações dipolo podem criar uma atração ou uma repulsão entre os ímãs.

Os físicos interpretam a interação magnética entre os spins de duas partículas como sendo uma consequência da troca de “fótons virtuais”.

Alguns deles têm sugerido que pode haver outros tipos de partículas, além dos fótons, que podem ser trocadas virtualmente entre dois spins.

Embora um pico detectado no acelerador Tevratron, nos EUA, em 2010, tenha deixado os pesquisadores entusiasmados com a identificação dessa não-partícula, os resultados até agora não têm sido conclusivos.

Quinta Força Fundamental da natureza

O estudo resultou em um mapa da magnitude e direção dos spins dos elétrons através da Terra, criado a partir de um modelo do interior da Terra e de medições precisas das linhas do campo geomagnético. [Imagem: Daniel Ang/Larry Hunter (Amherst College)]

Interações spin-spin de longo alcance

Larry Hunter e seus colegas, da Universidade Amherst, deram um impulso totalmente novo à busca pela não-partícula.

Eles projetaram um equipamento para tentar detectar interações entre os “geoelétrons” no manto e partículas subatômicas na superfície da Terra.

Eles essencialmente estudaram se os spins de elétrons, nêutrons e prótons medidos em vários laboratórios ao redor da Terra podem ter uma energia diferente dependendo de sua orientação em relação à Terra – com uma analogia muito próxima ao mecanismo de funcionamento de uma bússola.

Os spins polarizados se originam principalmente de elétrons de minerais ricos em ferro no manto da Terra, que se alinham com o campo magnético do planeta.

“Nossos experimentos eliminaram [a possibilidade] dessa interação magnética, então procuramos por alguma outra interação em nossos spins experimentais. Uma das interpretações dessa ‘outra interação’ é que pode ser uma interação de longo alcance entre os spins em nosso equipamento e os spins dos elétrons no interior da Terra, que estão alinhados pelo campo geomagnético,” disse Hunter.

Encantoando a quinta força

Embora os dados não tenham sido conclusivos, eles serviram para estipular limites muito mais precisos para a faixa de valores que a quinta força pode ter.

Graças ao grande número de elétrons polarizados, a equipe foi capaz de limitar a magnitude da interação spin-spin entre dois elétrons muito distantes um do outro para um valor cerca de um milhão de vezes menor do que a sua atração gravitacional.

O estudo resultou em um mapa da magnitude e direção dos spins dos elétrons através da Terra, criado a partir de um modelo do interior da Terra e de medições precisas das linhas do campo geomagnético.

Os resultados deverão ajudar na elaboração de novos experimentos mais precisos, que possam finalmente detectar a quinta força fundamental – se ela de fato existir.

Segundo os físicos, os resultados poderão ser positivos mudando a posição geográfica e a orientação de dois aparelhos de medição, que possam detectar diferenças entre os valores dos spins com maior precisão.

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