Naturalidade, Constante Cosmológica e Higgs

Os físicos começam a suspeitar que algo não vai bem quando os parâmetros de uma teoria possuem valores relativos muito diferentes de 1. Isso não é natural. É claro que não há um meio de quantificar a naturalidade e é apenas uma maneira de expressar a nossa insatisfação com algo que desconhecemos. Um exemplo típico é a constante cosmológica. A expansão acelerada do Universo é causada por um mecanismo ainda desconhecido e que é chamado de energia escura. Uma possível causa para a energia escura seria a presença da constante cosmológica nas equações de Einstein da relatividade geral. Essa constante dá origem a uma expansão acelerada para o Universo. O valor da constante cosmológica determinada pelas experiências é muito pequeno e se o expressarmos em termos de unidades de Planck (onde a velocidade da luz é 1, a constante de Planck é 1, e a constante da gravitação universal de Newton também é 1) o seu valor é 1/10¹²². Esse valor é muito pequeno, muito próximo de zero, e não é natural. Além disso, se calcularmos o valor da constante cosmológica na teoria quântica de campos, levando em conta as flutuações quânticas do vácuo, encontraríamos o valor 1, que é natural. A discrepância entre o valor teórico e o valor experimental é  enorme: 10¹²², talvez a maior discrepância entre teoria e experimento já encontrado na física. Este é o problema da constante cosmológica e que ainda não foi solucionado.

A massa do bóson de Higgs, determinada pelo LHC, é de cerca de 125 GeV, que em unidades de Planck resulta em 1/10¹⁷ que é um número muito pequeno, mas não tão pequeno quanto a constante cosmológica. Porém, se levarmos em conta as flutuações quânticas do vácuo na teoria quântica de campos, o valor que encontramos é 1. Novamente temos um problema de naturalidade. Diferentemente do que acontece com a constante cosmológica, há uma maneira de explicar esse valor pequeno da massa do Higgs: a supersimetria. Nas teorias supersimétricas, que contém tanto bósons (partículas de spin inteiro) quanto férmions (partículas com spin semi-inteiro), ocorre um cancelamento das flutuações quânticas entre bósons e férmions. Isso significa que a massa do Higgs não deve ser 1 mas pode ter qualquer valor. Entretanto, a supersimetria prevê a existência de uma quantidade enorme de outras partículas, que foram procuradas no LHC, e até agora ainda não foram encontradas. Por um lado necessitamos da supersimetria para garantir que a massa do Higgs seja pequena, mas por outro lado, não encontramos partículas supersimétricas! Mais um problema a procura de solução na física. Um artigo publicado hoje no The Guardian comenta o assunto.

O Prêmio Nobel de Física de 2011

A teoria da relatividade geral, proposta por Einstein em 1915, pode ser usada para descrever a história do universo. Naquela época acreditava-se que o movimento relativo dos objetos celestes era pequeno de forma que uma boa aproximação seria assumir que o universo fosse estático. Entretanto, Einstein não consegue obter das equações da relatividade geral um universo estático. Ele então as modifica em 1917 introduzindo um novo termo chamado de constante cosmológica. Dessa forma, a teoria da relatividade geral modificada fornece soluções em que o universo é estático. A partir de 1922 A. Friedmann mostra de forma bastante geral que as equações da relatividade geral admitem universos em expansão ou em contração, mas não universos estáticos. Dois anos depois, em 1924, E. Hubble descobre que as nebulosas vistas pelos telescópios eram na verdades galáxias como a via Láctea, e que se encontram à distâncias enormes de nossa galáxia, mostrando a vastidão do universo visível. Ele tenta então determinar a velocidade dessas galáxias e descobre, em 1929, que as galáxias mais distantes estão se afastando de nós, e quanto mais distantes elas estão, maior é a velocidade de afastamento. Esse relação ficou conhecida como a Lei de Hubble. Ele havia descoberto, de fato, que o universo está em expansão! Isso criou um embaraço muito grande para Einstein. Afinal, a relatividade geral previa que o universo poderia estar em expansão mas ele a havia modificado para que gerasse um universo estático. Einstein então afirma que havia cometido o maior erro da vida ao modificar a teoria da relatividade original que estava de acordo com a descoberta da expansão do universo.