Quinta força fundamental pode ser descoberta com ajuda dos nêutrons

Há algum tempo, cientistas suspeitam que exista uma força fundamental da natureza ainda desconhecida, capaz de explicar algumas anomalias observadas em alguns experimentos, ou até mesmo de revelar a natureza da matéria escura, ou da gravitação quântica. Agora, um novo estudo conseguiu medições precisas de escalas subatômicas, fornecendo novas ferramentas para a busca pela quinta força.

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Para o experimento, os cientistas usaram um disparo de feixes de nêutrons em amostras de silício. Os nêutrons são partículas que, ao lado dos prótons, formam o núcleo dos átomos, e recebem este nome porque não possuem cargas elétricas. Entretanto, as partículas que formam os nêutrons — os quarks — possuem cargas, conforme veremos mais adiante.

Usando uma técnica chamada interferometria pendellösung, a equipe de físicos liderada por Benjamin Heacock usou os feixes de nêutrons porque, sem carga elétrica para interagir com as amostras de silício, é possível alcançar maior precisão do que técnicas de raios-X. Os nêutrons são liberados de seus átomos durante o processo de fissão nuclear e focados em feixes capazes de penetrar com maior profundidade na matéria que se deseja estudar.

Desde modo, os cientistas descobriram informações até então desconhecidas sobre o silício — material crucial para a tecnologia, porém não muito bem compreendido —, importantes para caracterizar as propriedades eletrônicas, mecânicas e magnéticas de componentes de microchip e nanomateriais. Além disso, a interferometria revelou novas informações sobre as propriedades do próprio nêutron, como as forças que eles experimentam dentro do cristal.

Como resultado, os cientistas conseguiram o “raio de carga” elétrica do nêutron de uma maneira inédita, com uma incerteza equivalente à dos experimentos mais precisos que usaram outros métodos. Mas o que é esse raio de carga? Bem, lembra que, dentro dos nêutrons, os quarks possuem cargas? São três deles em cada nêutrons: um quark up, com uma carga de +⅔, e dois quarks down, com carga de -⅓. Isso significa que eles se cancelam.

Contudo, esses quarks não são uniformemente distribuídos, por isso a carga predominantemente negativa de um tipo de quark tende a se localizar na parte externa do nêutron, enquanto a carga positiva fica no centro. A distância entre essas duas partes é o "raio de carga". Essa medida já foi obtida por outros experimentos, com resultados diferentes entre si.

A vantagem do método utilizado é que seus resultados não são afetados pelos fatores que podem levar às diferenças encontradas antes. “Ao contrário das medições pendellösung anteriores, nossa técnica fornece as propriedades e as forças dentro do cristal com extrema precisão — incluindo o raio de carga dos nêutrons e as forças de curto alcance — que aumentam nossa compreensão não apenas do silício, mas dos próprios nêutrons”, disseram os autores. As forças de curto alcance referem-se a forças ainda não descobertas, como a hipotética quinta força fundamental.

O Modelo Padrão de partículas descreve três forças fundamentais: eletromagnética, forte e fraca (ele não inclui a gravidade, normalmente considerada a quarta força, porque ainda não foi encontrada sua partícula intermediadora). Cada força opera por meio da ação de uma partícula, como é o caso do fóton, que é o portador da força eletromagnética. Se existir uma quinta força, ela deverá ser observada em escalas muito pequenas, como as distâncias entre os quarks dentro de um nêutron.

De acordo com o novo estudo publicado na Science, os cientistas melhoram as restrições à força de uma quinta força potencial em dez vezes, em uma escala de comprimento entre 0,02 nanômetros (1 nanômetro é um bilionésimo de metro) e 10 nanômetros, fornecendo à comunidade científica uma faixa bem específica onde devem procurar pela quinta força fundamental.

Fonte: EurekAlert, ScienceAlert, NIST