Quinta força - Fifth force

Na física, existem quatro interações fundamentais observadas (também conhecidas como forças fundamentais) que formam a base de todas as interações conhecidas na natureza: gravitacional , eletromagnética , nuclear forte e nuclear fraca . Algumas teorias especulativas propuseram uma quinta força para explicar várias observações anômalas que não se encaixam nas teorias existentes. As características desta quinta força dependem da hipótese que está sendo apresentada. Muitos postulam uma força mais ou menos a força da gravidade ( ou seja , é muito mais fraca do que o eletromagnetismo ou as forças nucleares ) com um alcance de menos de um milímetro a escalas cosmológicas. Outra proposta é uma nova força fraca mediada pelos bósons W ′ e Z ′ .

A busca por uma quinta força tem aumentado nas últimas décadas devido a duas descobertas na cosmologia que não são explicadas pelas teorias atuais. Foi descoberto que a maior parte da massa do universo é responsável por uma forma desconhecida de matéria chamada matéria escura . A maioria dos físicos acredita que a matéria escura consiste em partículas subatômicas novas e não descobertas, mas alguns acreditam que ela pode estar relacionada a uma força fundamental desconhecida. Em segundo lugar, também foi descoberto recentemente que a expansão do universo está se acelerando, o que foi atribuído a uma forma de energia chamada energia escura . Alguns físicos especulam que uma forma de energia escura chamada quintessência poderia ser uma quinta força.

Abordagens experimentais

Uma nova força fundamental pode ser difícil de testar. A gravidade, por exemplo, é uma força tão fraca que a interação gravitacional entre dois objetos só é significativa quando um deles tem grande massa. Portanto, é necessário um equipamento muito sensível para medir as interações gravitacionais entre objetos que são pequenos em comparação com a Terra. Uma nova (ou "quinta") força fundamental pode ser igualmente fraca e, portanto, difícil de detectar. No entanto, no final da década de 1980, uma quinta força, operando em escalas municipais (ou seja, com um alcance de cerca de 100 metros), foi relatada por pesquisadores (Fischbach et al. ) Que estavam reanalisando os resultados de Loránd Eötvös do início do século. Acreditava-se que a força estava ligada à hipercarga . Ao longo de vários anos, outras experiências não conseguiram duplicar este resultado.

Existem pelo menos três tipos de buscas que podem ser realizadas, que dependem do tipo de força que está sendo considerada e de seu alcance.

Princípio de equivalência

Uma maneira de procurar uma quinta força é com testes do princípio de equivalência forte : este é um dos testes mais poderosos da teoria da gravidade de Einstein, a relatividade geral . Teorias alternativas da gravidade, como a teoria de Brans-Dicke , têm uma quinta força - possivelmente com alcance infinito. Isso ocorre porque as interações gravitacionais, em teorias diferentes da relatividade geral, têm graus de liberdade diferentes da "métrica" , que dita a curvatura do espaço, e diferentes tipos de graus de liberdade produzem diferentes efeitos. Por exemplo, um campo escalar não pode produzir a curvatura dos raios de luz .

A quinta força se manifestaria em um efeito nas órbitas do sistema solar, chamado de efeito Nordtvedt . Isso é testado com o experimento Lunar Laser Ranging e interferometria de linha de base muito longa .

Dimensões extras

Outro tipo de quinta força, que surge na teoria de Kaluza-Klein , onde o universo tem dimensões extras , ou na supergravidade ou teoria das cordas, é a força Yukawa , que é transmitida por um campo escalar de luz (ou seja, um campo escalar com um comprimento de onda Compton longo , que determina o intervalo). Isso despertou muito interesse recente, já que uma teoria das grandes dimensões extras supersimétricas - dimensões com tamanho ligeiramente menor que um milímetro - gerou um esforço experimental para testar a gravidade nessas escalas muito pequenas. Isso requer experimentos extremamente sensíveis que buscam um desvio da lei da gravidade do inverso do quadrado em uma faixa de distâncias. Essencialmente, eles estão procurando por sinais de que a interação com Yukawa está começando a ocorrer em um determinado período.

Pesquisadores australianos, tentando medir a constante gravitacional nas profundezas de um poço de mina, encontraram uma discrepância entre o valor predito e medido, com o valor medido sendo dois por cento menor. Eles concluíram que os resultados podem ser explicados por uma quinta força repulsiva com variação de alguns centímetros a um quilômetro. Experimentos semelhantes foram realizados a bordo de um submarino, USS Dolphin (AGSS-555) , enquanto estava profundamente submerso. Um outro experimento medindo a constante gravitacional em um poço profundo na camada de gelo da Groenlândia encontrou discrepâncias de alguns por cento, mas não foi possível eliminar uma fonte geológica para o sinal observado.

Manto da terra

Outro experimento usa o manto da Terra como um detector de partículas gigante, com foco em geoelétrons .

Variáveis ​​cefeidas

Jain et al. (2012) examinaram dados existentes sobre a taxa de pulsação de mais de mil estrelas variáveis ​​cefeidas em 25 galáxias. A teoria sugere que a taxa de pulsação das cefeidas em galáxias selecionadas a partir de uma hipotética quinta força por aglomerados vizinhos, seguiria um padrão diferente das cefeidas que não são selecionadas. Eles não conseguiram encontrar nenhuma variação da teoria da gravidade de Einstein.

Outras abordagens

Alguns experimentos usaram um lago e uma torre que é 320 m de altura. Uma revisão abrangente feita por Ephraim Fischbach e Carrick Talmadge sugeriu que não há evidências convincentes para a quinta força, embora os cientistas ainda a pesquisem. O artigo de Fischbach-Talmadge foi escrito em 1992 e, desde então, surgiram outras evidências que podem indicar uma quinta força.

Os experimentos acima buscam uma quinta força que é, como a gravidade, independente da composição de um objeto, de modo que todos os objetos experimentam a força em proporção às suas massas. As forças que dependem da composição de um objeto podem ser testadas com muita sensibilidade por experimentos de equilíbrio de torção de um tipo inventado por Loránd Eötvös . Tais forças podem depender, por exemplo, da proporção de prótons para nêutrons em um núcleo atômico, spin nuclear ou a quantidade relativa de diferentes tipos de energia de ligação em um núcleo (veja a fórmula semi-empírica da massa ). Pesquisas foram feitas desde alcances muito curtos, a escalas municipais, à escala da Terra , do Sol e matéria escura no centro da galáxia.

Reivindicações de novas partículas

Em 2015, Attila Krasznahorkay da ATOMKI , o Instituto de Pesquisa Nuclear da Academia de Ciências da Hungria em Debrecen , Hungria, e seus colegas postularam a existência de um novo bóson leve apenas 34 vezes mais pesado que o elétron (17 MeV). Em um esforço para encontrar um fóton escuro , a equipe húngara disparou prótons contra alvos finos de lítio-7 , que criaram núcleos instáveis ​​de berílio-8 que decaíram e cuspiram pares de elétrons e pósitrons. O excesso de decaimentos foi observado em um ângulo de abertura de 140 ° entre o e ⁺ e e ^- , e uma energia combinada de 17 MeV, o que indicou que uma pequena fração de berílio-8 irá liberar o excesso de energia na forma de uma nova partícula.

O grupo ATOMKI afirmou ter encontrado várias outras novas partículas no início de 2016, mas abandonou essas reivindicações mais tarde, sem uma explicação do que causou os sinais espúrios. O grupo também foi acusado de escolher resultados seletivos que suportam novas partículas e, ao mesmo tempo, descartam resultados nulos .

Em novembro de 2019, Krasznahorkay anunciou que ele e sua equipe da ATOMKI observaram com sucesso as mesmas anomalias no decaimento de átomos de hélio estáveis ​​que foram observadas no berílio-8, reforçando o caso da existência da partícula X17 .

Feng et al . (2016) propôs que um bóson-X protofóbico (ou seja, "ignorando próton") com uma massa de 16,7 MeV com acoplamentos suprimidos para prótons em relação a nêutrons e elétrons e alcance do femtômetro poderia explicar os dados. A força pode explicar a anomalia do múon g -2 e fornecer um candidato à matéria escura. Vários experimentos de pesquisa estão em andamento para tentar validar ou refutar esses resultados.

Gravidade modificada

Também conhecido como gravidade não local . Alguns físicos acreditam que a teoria da gravidade de Einstein terá que ser modificada - não em pequenas escalas, mas em grandes distâncias, ou equivalentemente, em pequenas acelerações. Isso mudaria a gravitação para uma força não local. Eles apontam que a matéria escura e a energia escura são inexplicadas pelo Modelo Padrão da física de partículas e sugerem que alguma modificação da gravidade é necessária, possivelmente decorrente da dinâmica newtoniana modificada ou do princípio holográfico . Isso é fundamentalmente diferente das idéias convencionais de uma quinta força, pois ela se torna mais forte em relação à gravidade em distâncias maiores. A maioria dos físicos, entretanto, pensa que a matéria escura e a energia escura não são ad hoc , mas são apoiadas por um grande número de observações complementares e descritas por um modelo muito simples.

Em abril de 2021, um grupo do Fermilab relatou "fortes evidências da existência de uma partícula subatômica não descoberta ou nova força" que interage com múons .

Veja também

Referências