A invariância de Lorentz é um dos alicerces da física moderna. Estabelecida por Albert Einstein na teoria da relatividade especial, ela garante que as leis da física são as mesmas para qualquer observador — e que a velocidade da luz no vácuo é sempre constante, independentemente da energia do fóton. É um princípio que funciona com precisão extraordinária para praticamente tudo o que a ciência já mediu. Há, porém, um grande desafio não resolvido na física teórica: teorias promissoras, que tentam unificar a relatividade geral com a mecânica quântica, preveem que essa simetria pode se quebrar em escalas de energia extremamente altas, próximas à chamada escala de Planck.
Se isso for verdade, fótons de energias diferentes emitidos pelo mesmo evento cósmico poderiam viajar em velocidades ligeiramente distintas e chegar à Terra com um atraso mensurável após bilhões de anos de viagem. Uma diferença minúscula, mas que se acumula ao longo de distâncias inimagináveis.
É nessa fronteira entre o que se sabe e o que ainda não se pode confirmar que trabalha Matheus Duarte Francisco, doutorando do grupo APOEMA no Instituto de Física de São Carlos (IFSC) da USP. “Ainda não sabemos se a quebra de invariância de Lorentz é verdadeira, mas é um dos possíveis efeitos que viriam da gravidade quântica”, explica o doutorando, que se dedica ao tema desde a iniciação científica.
Da sala de aula ao cosmos
A trajetória de Matheus até a astrofísica de partículas começa em Campinas, onde cresceu. O interesse pela física foi despertado por vídeos de divulgação científica sobre o cosmos, e consolidado quando um professor do ensino médio decidiu mostrar aos alunos de onde realmente vinham as equações da cinemática. “Ele mostrou pra gente como funcionava o cálculo, derivada, integral… E mostrou essas equações surgindo diretamente da matemática”, recorda.
Para um estudante que achava a matemática abstrata demais, ver a teoria ganhar vida foi decisivo.
Na graduação em Física pela USP, Matheus começou a trajetória de orientando do professor Luiz Vitor de Souza Filho. Sua dissertação de mestrado, defendida em 2025, foi premiada como a melhor na 14ª edição do simpósio do IFSC.
Modelar o invisível
O trabalho de Matheus é essencialmente teórico e computacional. O conceito central é o de modelagem: a criação de funções matemáticas que descrevem como as partículas se comportam em cada etapa de sua jornada, desde o momento em que são emitidas por uma fonte astrofísica até o instante em que interagem com a atmosfera terrestre e geram os sinais detectáveis pelos telescópios do CTAO. “Posso modelar a fonte para dizer, por exemplo, que as partículas que vão sair dela obedecem tal função matemática. Ou dizer que vão percorrer o meio galáctico, só que serão desviadas por campos magnéticos. E quais são esses campos? Aí a gente cria uma outra função”, descreve.
A busca por sinais de quebra de invariância de Lorentz (LIV, na sigla em inglês) percorre três etapas: a fonte, onde a partícula é emitida; a propagação, durante a qual ela atravessa o espaço; e o chamado chuveiro atmosférico, quando ela colide com a atmosfera e desencadeia a cascata de partículas secundárias que produz a luz Cherenkov captada pelos telescópios. A quebra poderia manifestar-se em qualquer um desses pontos — e a modelagem precisa contemplar todos eles.
Uma contribuição específica do doutorando tem sido investigar o que acontece com a LIV não durante a propagação das partículas — caminho mais trilhado pela literatura científica —, mas durante a própria aceleração delas nas fontes astrofísicas. Trata-se de um ângulo menos explorado, que vem ganhando espaço com seus artigos publicados no Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, em parceria com seu orientador.
Primeiros dados do CTAO
O observatório, ainda em construção, já começa a produzir dados por meio do LST-1, o primeiro dos telescópios de grande porte instalado em La Palma, nas Ilhas Canárias. E Matheus já está analisando esses dados em busca de indícios de LIV. “No CTAO, estamos tendo os primeiros dados a partir do telescópio que já está em funcionamento, e eu tenho uma forte análise desses dados”, conta
A vantagem do CTAO sobre os instrumentos existentes é precisamente sua sensibilidade sem precedentes, capaz de detectar fótons de altíssima energia provenientes de fontes distantes, como explosões de raios gama e núcleos ativos de galáxias. Assim, para partículas de altíssima energia que percorrem grandes distâncias, a diferença nos tempos de chegada pode se tornar suficientemente grande para ser detectável. Quanto mais fontes, quanto mais energia e quanto mais estatística, maior a chance de identificar um sinal — ou de estabelecer limites mais precisos sobre onde e como essa quebra poderia ocorrer. “Conforme a gente adquire mais estatísticas, mais fontes, com energias diferentes, maior é a chance de a gente detectar esses efeitos.”
A pesquisa em LIV está presente em praticamente todos os grandes observatórios de raios gama do mundo, mas ainda reúne poucos pesquisadores dedicados. Para Matheus, isso é tanto um desafio quanto uma oportunidade. Ser um dos poucos no Brasil a trabalhar de forma sistemática com esse tema, em colaboração com um consórcio internacional que está na vanguarda da astronomia de altas energias, é a chance de contribuir para uma das perguntas mais fundamentais que a física se faz hoje: os pilares sobre os quais construímos nossa compreensão do universo são, de fato, absolutos?