Cientistas detectam pela primeira vez um indício experimental que pode representar a tão procurada partícula do Universo, o gráviton.
O sinal, identificado como uma excitação coletiva com spin, foi gerado por estruturas conhecidas como modos grávitons quirais. Estes modos grávitons quirais apresentam semelhanças com o gráviton, uma partícula elementar ainda não descoberta, teorizada por algumas teorias como a origem da gravidade, uma das forças fundamentais do Universo cuja causa ainda permanece misteriosa.
Embora tudo pareça incerto – e de fato seja -, a perspectiva de estudar partículas similares ao gráviton em laboratório pode ajudar a preencher lacunas cruciais entre a mecânica quântica e as teorias da relatividade de Einstein, resolvendo assim um grande dilema na física e ampliando nossa compreensão do Universo.
A equipe de pesquisa identificou a excitação – um pico nos dados – em um tipo de matéria condensada chamada líquido de efeito Hall quântico fracionário (FQHE). Estes líquidos FQHE são sistemas nos quais os elétrons interagem fortemente, embora o nome possa ser enganoso, já que o material é um semicondutor bidimensional sujeito a altos campos magnéticos e baixas temperaturas. Estes líquidos podem ser descritos utilizando geometria quântica, originando conceitos matemáticos que se aplicam às minúsculas distâncias físicas nas quais a mecânica quântica influencia os fenômenos físicos.
Teorias anteriores já indicavam que os modos grávitons quirais poderiam surgir nos FQHEs quando estes fossem impactados pela luz, porém até então não havia sido elaborado um experimento capaz de demonstrar isto empiricamente.
“Nosso experimento representa a primeira confirmação experimental deste conceito de grávitons, postulado por trabalhos pioneiros em gravidade quântica desde a década de 1930, em um sistema de matéria condensada,” disse Lingjie Du, da Universidade de Colúmbia, nos EUA.
[Crédito da imagem: Jiehui Liang]
Uma das técnicas mais empregadas para investigar fases quânticas em sistemas de estado sólido é o espalhamento inelástico ressonante de baixa temperatura, que avalia como os fótons, ou partículas de luz, se dispersam ao atingir um material. A maneira como essa dispersão ocorre revela as propriedades essenciais do material em questão.
A equipe adaptou essa técnica para usar luz polarizada circularmente, na qual os fótons possuem um spin específico. Quando os fótons polarizados interagem com uma partícula, como um modo gráviton quiral, que também possui rotação, a mudança no sinal de spin dos fótons é mais pronunciada do que se estivessem interagindo com outros tipos de modos.
Após três anos dedicados à construção de um laboratório para viabilizar esse experimento sem precedentes, a equipe observou propriedades físicas consistentes com aquelas previstas pela geometria quântica para os modos grávitons quirais. Isso inclui sua natureza de spin-2, lacunas de energia características entre seus estados fundamental e excitado, e dependência dos chamados fatores de preenchimento, que relacionam o número de elétrons no sistema ao seu campo magnético.
Conforme a teoria prevê, todas essas características também são típicas dos grávitons, partículas ainda não descobertas que se presume serem as portadoras da força da gravidade. Dada a semelhança, os modos grávitons quirais podem funcionar como um análogo dos grávitons – estes últimos seriam o resultado de flutuações métricas quantizadas, nas quais a estrutura do espaço-tempo é aleatoriamente puxada e esticada em diferentes direções.
[Crédito da imagem: Kahan Dare]
Embora a “partícula” em questão seja apenas um análogo do gráviton, a teoria subjacente aos resultados da equipe tem o potencial de unir dois subcampos fundamentais da física: a física de altas energias, que lida com os processos nas maiores escalas do Universo, e a física da matéria condensada, que se concentra no estudo dos materiais e das interações atômicas e eletrônicas.
A equipe agora planeja expandir suas pesquisas para explorar energias mais elevadas e empregar outros materiais quânticos nos quais a geometria quântica prevê a emergência de propriedades devido a excitações coletivas, como ocorre nos supercondutores, por exemplo.
“Durante muito tempo, houve um mistério em torno de como os modos coletivos de comprimento de onda longo, como os modos grávitons quirais, poderiam ser investigados experimentalmente. Nossas descobertas fornecem evidências experimentais que corroboram as previsões da geometria quântica,” afirmou Liu.
Com informações de Nature.
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