A Conexão Entre a Supergravidade N=8 e o Modelo Padrão

Em 1981, Murray Gell-Mann, laureado com o Prêmio Nobel pela introdução dos quarks como constituintes fundamentais da matéria, notou o intrigante fato de que as partículas do Modelo Padrão, quarks e léptons, estão contidas em uma teoria formulada puramente matematicamente dois anos antes, a supergravidade N=8, caracterizada por sua simetria máxima. A supergravidade N=8 contém, além das partículas do Modelo Padrão de spin 1/2, também uma parte gravitacional: o gráviton (de spin 2) e 8 gravitinos de spin 3/2. Se o Modelo Padrão está, de fato, relacionado à supergravidade N=8, essa relação pode apontar para um caminho para resolver o mais difícil problema da física teórica fundamental: a unificação da gravidade com a física de partículas. No setor de spin 1/2 da supergravidade N=8, estão exatamente 6 quarks (u,d,c,s,t,b) e 6 léptons (elétron, múon, tau e neutrinos) e proíbe a presença de quaisquer outras partículas materiais. Após 40 anos de intensa pesquisa em aceleradores sem descobrir novas partículas, o conteúdo da matéria da supergravidade N=8 não apenas é consistente com nosso conhecimento, mas permanece a única explicação teórica conhecida para o número de quarks e léptons no Modelo Padrão! No entanto, a conexão direta da supergravidade N=8 com o Modelo Padrão tinha várias desvantagens, a principal delas sendo que as cargas elétricas de quarks e léptons foram deslocadas em ±1/6 em relação aos valores conhecidos, por exemplo, o elétron tinha carga -5/6 em vez de -1. Vários anos atrás, Krzysztof Meissner, da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia, Polônia, e Hermann Nicolai, do Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein/AEI), Potsdam, Alemanha, retornaram à ideia de Gell-Mann e conseguiram ir além da supergravidade N=8, modificando a proposta original para obter as cargas elétricas corretas das partículas materiais do Modelo Padrão. A modificação é muito abrangente, apontando para uma simetria infinita K(E10), pouco conhecida matematicamente, e substituindo as simetrias usuais do Modelo Padrão.

Gravitinos Como Candidatos à Matéria Escura

Um dos resultados surpreendentes da modificação, descritos em artigos na Physical Review Letters e Physical Review, é o fato de que os gravitinos, presumivelmente de massa extremamente alta próxima da escala de Planck, ou seja, bilhões de bilhões de massas de prótons, são eletricamente carregados: 6 deles têm carga ±1/3 e 2 têm ±2/3. Os gravitinos, embora sejam extremamente massivos, não podem decair, uma vez que não existem partículas nas quais poderiam decair. Portanto, Meissner e Nicolai propuseram que 2 gravitinos de carga ±2/3 (os outros 6 têm abundância muito menor) poderiam ser partículas de Matéria Escura de um tipo muito diferente do que foi proposto até agora. Ou seja, os candidatos usuais, amplamente divulgados, são ou extremamente leves como os axiones, ou de massa intermediária (prótons) como os WIMPs (partículas massivas fracamente interagentes), que eram eletricamente neutros, em compatibilidade com o nome ‘Matéria Escura’. No entanto, após mais de 40 anos de intensas buscas por muitos métodos e dispositivos diferentes, nenhuma nova partícula além do Modelo Padrão foi detectada.

Novas Perspectivas de Detecção

Entretanto, os gravitinos apresentam uma nova alternativa. Mesmo sendo carregados eletricamente, eles podem ser candidatos à Matéria Escura porque, sendo tão massivos, são extremamente raros e, portanto, ‘não brilham no céu’, evitando as restrições muito rigorosas sobre a carga dos constituintes da Matéria Escura. Além disso, a carga elétrica dos gravitinos sugere uma maneira totalmente diferente de tentar provar sua existência. O artigo original em 2024 no Eur. Phys. J. de Meissner e Nicolai apontou que detectores de neutrinos, baseados em scintiladores diferentes da água, poderiam ser adequados para a detecção de gravitinos de Matéria Escura. No entanto, a busca é enormemente dificultada por sua extrema raridade (presumivelmente apenas um gravitino por 10.000 km³ no Sistema Solar), razão pela qual não há perspectiva de detecção com os detectores atualmente disponíveis. No entanto, novos detectores subterrâneos gigantes, de óleo ou argônio líquido, estão sendo construídos ou planejados, e possibilidades realistas para a busca por essas partículas estão agora se abrindo.

O Papel do Detector JUNO

Entre todos os detectores, o Observatório de Neutrinos Subterrâneos de Jiangmen da China (JUNO), atualmente em construção, parece predestinado para tal busca. Seu objetivo é determinar as propriedades dos neutrinos (na verdade, antineutrinos), mas como os neutrinos interagem extremamente fracamente com a matéria, os detectores devem ter volumes muito grandes. No caso do detector JUNO, isso significa 20.000 toneladas de um líquido sintético semelhante ao óleo, com adições especiais, em um vaso esférico com diâmetro de aproximadamente 40 metros, contendo mais de 17 mil fotomultiplicadores ao redor da esfera. O JUNO está previsto para começar as medições no segundo semestre de 2025.

Assinaturas de Gravitinos no JUNO

O artigo recentemente publicado na Physical Review Research por Meissner e Nicolai, com colaboradores Adrianna Kruk e Michal Lesiuk da Faculdade de Química da Universidade de Varsóvia, apresenta uma análise detalhada das assinaturas específicas que eventos causados por gravitinos poderiam produzir no JUNO e em futuros detectores de argônio líquido, como o Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) nos Estados Unidos. O artigo descreve não apenas a fundamentação teórica dos lados da física e da química, mas também simulações muito detalhadas das possíveis assinaturas em função da velocidade e trajetória de um gravitino passando pelo recipiente de óleo. Isso exigiu um conhecimento avançado de química quântica e cálculos intensivos em CPU. As simulações tiveram que levar em conta muitos possíveis fundos – decaimento do C14 radioativo presente no óleo, taxa de contagem escura e eficiência dos fotomultiplicadores, absorção de fótons no óleo, etc. As simulações mostram que, com o software apropriado, a passagem de um gravitino pelo detector deixará um sinal único impossível de ser confundido com a passagem de qualquer uma das partículas atualmente conhecidas. A análise estabelece novos padrões em termos de interdisciplinaridade, combinando duas áreas de pesquisa diferentes: a física de partículas elementares teórica e experimental, por um lado, e os métodos muito avançados da química quântica moderna, por outro.

A Importância da Detecção de Gravitinos

A detecção dos gravitinos superpesados representaria um grande avanço na busca por uma teoria unificada da gravidade e das partículas. Como os gravitinos são previstos para terem massas na ordem da massa de Planck, sua detecção seria a primeira indicação direta da física próxima da escala de Planck e poderia, assim, fornecer evidências experimentais valiosas para a unificação de todas as forças da natureza.