**Física Além do Modelo Padrão (BSM): Problemas Fundamentais em Aberto**
O Modelo Padrão (MP) da física de partículas descreve com sucesso as partículas fundamentais e suas interações, mas deixa questões críticas sem resposta. Abaixo estão os principais problemas em aberto, suas causas, impactos e possíveis soluções:
---
### 1. **Gravidade Quântica**
- **Causa**: O MP exclui a gravidade, descrita classicamente pela Relatividade Geral. A quantização da gravidade gera infinitos não-renormalizáveis.
- **Impacto**: Incompatibilidade entre mecânica quântica e gravidade dificulta a compreensão de buracos negros, universo primordial e estrutura do espaço-tempo.
- **Soluções**:
- **Teoria das Cordas**: Partículas como vibrações de cordas; unifica gravidade com outras forças.
- **Gravidade Quântica de Laços**: Quantiza a geometria do espaço-tempo em laços discretos.
- **Triangulações Causais Dinâmicas**: Modela o espaço-tempo como geometrias em evolução.
---
### 2. **Matéria Escura**
- **Causa**: Curvas de rotação galáctica e lentes gravitacionais indicam massa invisível (~27% do universo). Partículas do MP não explicam isso.
- **Impacto**: Afeta formação de galáxias e estrutura em larga escala; desafia cosmologia e física de partículas.
- **Soluções**:
- **WIMPs**: Partículas massivas fracamente interagentes (e.g., neutralinos em supersimetria).
- **Axions**: Partículas pseudoscalares leves que resolvem o problema CP forte.
- **Neutrinos Estéreis**: Neutrinos destros que interagem apenas via gravidade.
- **Gravidade Modificada (MOND)**: Altera a dinâmica newtoniana em baixas acelerações.
---
### 3. **Energia Escura**
- **Causa**: Expansão acelerada do universo implica densidade de energia (~68%) não explicada pelo MP.
- **Impacto**: Determina o destino do universo; desafia previsões da teoria quântica de campos (QFT).
- **Soluções**:
- **Constante Cosmológica**: Energia do vácuo, mas com discrepância de 120 ordens de magnitude.
- **Quintessência**: Campo escalar dinâmico que evolui no tempo.
- **Gravidade Modificada (e.g., teorias \( f(R) \))**: Altera as equações de Einstein.
---
### 4. **Assimetria Matéria-Antimatéria**
- **Causa**: A violação de CP no MP (via matriz CKM) é insuficiente para explicar o domínio da matéria.
- **Impacto**: Questiona a composição do universo e condições iniciais.
- **Soluções**:
- **Leptogênese**: Decaimentos de neutrinos pesados geram leptons, convertidos em bárions.
- **Bariogênese Eletrofraca**: Transições de fase no campo de Higgs.
- **Mecanismo Affleck-Dine**: Dinâmica de campos escalares em supersimetria.
---
### 5. **Massas dos Neutrinos**
- **Causa**: O MP assume neutrinos sem massa, mas oscilações confirmam massas pequenas.
- **Impacto**: Desafia o conteúdo de partículas do MP e teorias de unificação.
- **Soluções**:
- **Mecanismos de Seesaw**: Neutrinos destros massivos geram massas pequenas (Tipos I/II/III).
- **Neutrinos Estéreis**: Partículas além dos três sabores do MP.
- **Massas de Majorana**: Neutrinos são suas próprias antipartículas (testado via decaimento beta duplo sem neutrinos).
---
### 6. **Problema da Hierarquia**
- **Causa**: A massa do bóson de Higgs é sensível a escalas de alta energia (e.g., escala de Planck).
- **Impacto**: Questiona a "naturalidade" e ajustes finos no MP.
- **Soluções**:
- **Supersimetria (SUSY)**: Partículas parceiras cancelam correções quânticas.
- **Dimensões Extras (e.g., modelos ADD/RS)**: Diluem a massa do Higgs via modos de Kaluza-Klein.
- **Higgs Composto**: Higgs como estado ligado de nova dinâmica forte.
---
### 7. **Unificação das Forças**
- **Causa**: Constantes de acoplamento do MP não convergem para uma única escala de energia.
- **Impacto**: Desafia a busca por uma Teoria da Grande Unificação (GUT).
- **Soluções**:
- **GUTs (e.g., SU(5), SO(10))**: Unificam forças eletrofraca e forte; prevêem decaimento do próton.
- **Teoria das Cordas**: Incorpora GUTs em dimensões extras.
---
### 8. **Problema CP Forte**
- **Causa**: O termo theta da QCD deveria induzir um momento de dipolo elétrico do nêutron, mas experimentos limitam \( |\theta| < 10^{-10} \).
- **Impacto**: Questiona a preservação da simetria CP nas interações fortes.
- **Soluções**:
- **Axions**: Campos dinâmicos cancelam theta via simetria de Peccei-Quinn.
- **Modelos Nelson-Barr**: Violação de CP surge espontaneamente.
---
### 9. **Problema da Constante Cosmológica**
- **Causa**: A QFT prediz energia do vácuo \( \sim 10^{120} \) vezes maior que a observada.
- **Impacto**: Desafia a compreensão da energia do vácuo e sua relação com a gravidade.
- **Soluções**:
- **Princípio Antrópico**: Seleção de regiões com baixa energia em um multiverso.
- **Degravitação**: Gravidade enfraquece em comprimentos de onda longos.
- **Quintessência/Energia Fantasma**: Modelos dinâmicos de energia escura.
---
### **Esforços Experimentais**
- **Matéria Escura**: Detecção direta (e.g., LZ, XENON), buscas indiretas (Fermi-LAT), colisores (LHC).
- **Neutrinos**: DUNE, Hyper-Kamiokande (ordenação de massas, violação de CP).
- **Axions**: ADMX, IAXO.
- **Supersimetria**: Busca por partículas SUSY no LHC.
- **Ondas Gravitacionais**: LIGO/Virgo (física do universo primordial).
Esses problemas destacam lacunas no MP e impulsionam a pesquisa BSM. Resolver essas questões pode revolucionar nossa compreensão do universo.