Há quatro forças fundamentais no Universo. Estas forças governam todas as maneiras pelas quais a matéria pode interagir, desde o som da risada de uma criança até o aglomerado de galáxias a um bilhão de anos-luz de distância. Pelo menos é o que pensávamos até recentemente. Coisas como a matéria escura e a energia escura, bem como algumas interações estranhas na física de partículas, levaram alguns pesquisadores a propor uma quinta força fundamental. Dependendo do modelo que você considera, esta nova força poderia explicar a matéria escura e a expansão cósmica, ou poderia interagir com partículas elementares que ainda não detectamos. Existem muitas teorias sobre essa força hipotética. O que não há muitas são evidências. Portanto, um novo estudo procura evidências nas órbitas dos asteróides.
Muitos dos modelos de quinta força concentram-se no que é conhecido como interações do tipo Yukawa. Nos primórdios da física nuclear, Hideki Yukawa propôs uma interação potencial para descrever como os prótons e os nêutrons poderiam se unir nos núcleos dos átomos. A força resultante era semelhante às forças do inverso do quadrado da gravidade e do eletromagnetismo, mas tinha um aspecto de decaimento exponencial, afetando apenas os núcleons. Com o tempo, à medida que começamos a compreender melhor as interações nucleares, o modelo potencial de Yukawa foi substituído pela força nuclear forte, embora continue a ser uma boa aproximação para núcleons de baixa energia. Semelhante à forma como a gravidade newtoniana é uma boa aproximação para a relatividade geral.
À medida que os cientistas começaram a desenvolver modelos de quinta força, a interação Yukawa ganhou atenção mais uma vez. Por exemplo, o bóson de Higgs gera massa em partículas através de uma interação Yukawa. A energia escura é frequentemente descrita como parte dos aspectos fundamentais do espaço-tempo, mas também pode ser descrita como uma força fundamental do tipo Yukawa. Se existir tal quinta força, então ela teria um efeito sobre coisas como o movimento planetário. Mas o efeito seria tão pequeno que não tivemos oportunidade de o detectar até recentemente, e é aí que entra este novo estudo.
A equipe considerou os efeitos de uma força fundamental do tipo Yukawa mediada por um campo escalar massivo. Por outras palavras, tal como o campo electromagnético é mediado pelos bósons sem massa conhecidos como fotões, a quinta força é mediada por um bóson semelhante, mas com massa. A massa destes novos bósons determinaria quão fortemente a força afetaria os movimentos orbitais. Dado o quão bem os movimentos orbitais concordam com a gravidade newtoniana, qualquer bóson de Yukawa precisaria ter uma massa extremamente pequena. Com observações ópticas padrão e observações de radar de planetas, sabemos que a massa desses bósons não poderia ser superior a cerca de 10-16 eV. Isso é realmente pequeno, mas ainda grande o suficiente para ser medido com uma espaçonave que visita asteróides.
Neste trabalho, a equipe analisou dados da missão OSIRIS-REx, que coletou amostras de material do asteroide 101955 Bennu. Como recebemos sinais de rádio diretamente do OSIRIS-REx, conhecemos seu movimento com extrema precisão. E como ele orbitou e pousou em Bennu, conhecemos extremamente bem o movimento orbital do asteroide. Com base nestes dados, a equipa não encontrou nenhuma evidência de uma quinta força, mas colocou ainda mais restrições à massa de qualquer partícula de quinta força. Sabemos agora que estes hipotéticos bósons escuros não podem ter uma massa superior a 10-18 eV, aproximadamente um fator de 100 mais forte que os limites anteriores.
Então, tanto quanto podemos dizer, quando se trata de forças fundamentais, cinco está certo.
Referência: Tsai, Yu-Dai, et al.Restrições na quinta força e na matéria escura ultraleve do OSIRIS-REx têm como alvo o asteroide Bennu.” Física das Comunicações 7.1 (2024): 311.
