Um fenômeno entre dimensões ocultas pode explicar a origem da massa.

As massas de partículas fundamentais, como os bósons W e Z, podem ter surgido da geometria torcida de dimensões ocultas - é o que sustenta um novo trabalho teórico.

O estudo descreve um caminho para contornar o campo de Higgs como origem direta das massas das partículas. Ao mesmo tempo, a proposta oferece uma ferramenta para investigar como o próprio campo de Higgs poderia ter emergido e sugere uma rota para enfrentar algumas lacunas persistentes do Modelo Padrão da física de partículas.

“Na nossa visão”, afirma o físico teórico Richard Pinčák, da Academia Eslovaca de Ciências, “a matéria emerge da resistência da própria geometria, e não de um campo externo”.

Por que o campo de Higgs se tornou central no Modelo Padrão

O campo de Higgs foi proposto pela primeira vez na década de 1960 para explicar por que partículas fundamentais têm massa - um obstáculo enorme que vinha impedindo a construção de um modelo coerente da física de partículas. Em parte graças a esse conceito, tornou-se possível montar o Modelo Padrão usado hoje.

A intuição mais comum funciona assim: imagine que o Universo esteja preenchido por uma espécie de “substância” invisível e pegajosa. Qualquer partícula que se mova pelo Universo também atravessaria essa substância, e cada tipo de partícula interagiria com ela de maneira um pouco diferente.

• Partículas que interagem fortemente com essa “substância”, como se estivessem atravessando lama, se comportam como “pesadas”, caso dos bósons W e Z.
• Partículas que quase não interagem tendem a ser “leves”, como os elétrons.
• Fótons não interagem com ela.

Essa interação é chamada de mecanismo de Higgs, e ela explica de forma elegante a origem das massas.

Sabemos que o campo de Higgs é real porque sua ondulação quântica - o bóson de Higgs - foi finalmente detectada com grande confiança no Grande Colisor de Hádrons em 2012. Ainda assim, isso não implica que o mecanismo de Higgs seja a explicação completa.

Continuamos sem entender, por exemplo, por que o campo de Higgs tem exatamente as propriedades que tem. Além disso, a solução via Higgs não explica a matéria escura, nem a energia escura, nem por que o próprio campo de Higgs existiria em primeiro lugar.

A aposta em geometria escondida: a variedade G2 e o fluxo de Ricci G2

Em algum ponto falta informação - e Pinčák e colegas defendem que pistas podem estar em uma geometria oculta, a partir do estudo de um espaço de sete dimensões chamado variedade G2.

Uma variedade é um tipo de espaço matemático - um termo geral para qualquer “forma” que possa ter curvas, dobras ou torções. Físicos frequentemente usam variedades para descrever a geometria do espaço-tempo ou dimensões extras escondidas, como as propostas em teorias como a teoria das cordas.

Esses espaços podem conter mais direções do que as três do cotidiano (cima–baixo, esquerda–direita e frente–trás). Algumas variedades exigem sete direções independentes. Quando essa estrutura de sete dimensões obedece a restrições bem específicas, ela é chamada de variedade G2.

Para investigar como uma variedade G2 poderia evoluir, os pesquisadores desenvolveram uma nova equação, batizada de fluxo de Ricci G2, que permite modelar como uma variedade G2 muda ao longo do tempo.

Torção, sólitons e quebra espontânea de simetria

“Assim como em sistemas orgânicos - por exemplo, a torção do DNA ou a ‘mão’ (quiralidade) de aminoácidos - essas estruturas em dimensões extras podem possuir torção, um tipo de torção intrínseca”, explica Pinčák.

Segundo ele, ao permitir que essas estruturas evoluam no tempo, elas podem se acomodar em configurações estáveis chamadas sólitons. E esses sólitons poderiam oferecer uma explicação puramente geométrica para fenómenos como a quebra espontânea de simetria.

Um sóliton é como uma onda única e autossustentada, capaz de manter sua forma indefinidamente. Os autores relatam que a variedade G2 do modelo deles relaxa justamente para uma configuração estável desse tipo - e, crucialmente, essa configuração apresenta uma torção que seria “impressa” nos bósons W e Z, produzindo o mesmo efeito de geração de massa atribuído ao mecanismo de Higgs.

Pistas cosmológicas e a hipótese do Torstone

Os resultados também sugerem, de forma preliminar, que a expansão acelerada do Universo pode estar ligada à curvatura associada ao tipo de torção que uma variedade G2 poderia transmitir. E, se essa torção se comportar como um campo, ela deveria manifestar partículas - de maneira análoga a como o campo de Higgs dá origem ao bóson de Higgs.

Os pesquisadores deram a esse candidato hipotético o nome de Torstone e descrevem como tal partícula deveria se comportar.

Se existir, o Torstone pode ser detectável em: - anomalias em colisores de partículas, - falhas ou padrões inesperados na radiação cósmica de fundo em micro-ondas, - e até “glitches” em ondas gravitacionais.

A existência do Torstone está longe de ser comprovada; porém, se o campo de torção realmente existir, a proposta ajuda a definir onde e como começar a procurá-lo.

Um caminho de testes e limitações (contexto adicional)

Mesmo que a ideia seja sedutora, transformar torção geométrica em previsões observáveis é um desafio. Em modelos com dimensões extras, é preciso especificar como essas dimensões estariam “compactadas” e como essa estrutura se acopla ao que medimos em quatro dimensões. Pequenas diferenças nesse encaixe podem alterar assinaturas esperadas em dados experimentais.

Do ponto de vista prático, uma estratégia é procurar efeitos que não se confundam com ajustes comuns do Modelo Padrão: padrões consistentes de desvios em múltiplos canais envolvendo os bósons W e Z, assinaturas correlacionadas em observações cosmológicas (como a radiação cósmica de fundo em micro-ondas) e, idealmente, indícios compatíveis também em ondas gravitacionais. Quanto mais convergentes forem essas pistas, mais forte fica o caso para uma origem geométrica.

Uma ideia ousada - como já foi o campo de Higgs

Tudo isso pode soar ousado e abstrato - mas o próprio campo de Higgs também foi, em seu tempo. E foram necessários quase 50 anos para que o bóson de Higgs fosse confirmado experimentalmente. Tomara que não seja preciso esperar tanto por respostas sobre possíveis variedades G2; ainda assim, a abordagem já aparece como uma promessa de avanço rumo a soluções para perguntas difíceis.

“A natureza muitas vezes prefere soluções simples”, diz Pinčák.
“Talvez as massas dos bósons W e Z não venham do famoso campo de Higgs, mas diretamente da geometria de um espaço de sete dimensões.”

A pesquisa foi publicada na revista Nuclear Physics B.