Detectado sinal similar ao gráviton, a tão procurada partícula da gravidade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/04/2024

O análogo do gráviton não foi encontrado no espaço, mas em um sistema quântico de estado sólido.
[Imagem: Jiehui Liang et al. - 10.1038/s41586-024-07201-w]

Gráviton

Físicos obtiveram o primeiro indício experimental que pode ser interpretado como a mais procurada de todas as partículas do Universo, o gráviton.

O sinal, que os físicos chamam de excitação coletiva com spin, foi gerado por "entidades" chamadas modos grávitons quirais. E um modo gráviton quiral parece ser semelhante a um gráviton, uma partícula elementar ainda a ser descoberta e que, segundo algumas teorias, dá origem à gravidade, uma das forças fundamentais do Universo, cuja causa permanece misteriosa.

Parece tudo incerto demais - e é - mas a possibilidade de estudar partículas semelhantes ao gráviton em laboratório pode ajudar a preencher lacunas críticas entre a mecânica quântica e as teorias da relatividade de Einstein, resolvendo um grande dilema na física e expandindo a nossa compreensão do Universo.

A equipe descobriu a excitação - um pico nos dados - em um tipo de matéria condensada chamada líquido de efeito Hall quântico fracionário (FQHE). Os líquidos FQHE são um sistema no qual os elétrons interagem fortemente; apesar do seu nome, o material é um semicondutor bidimensional sujeito a altos campos magnéticos e baixas temperaturas. Esses líquidos podem ser descritos usando a geometria quântica, dando origem a conceitos matemáticos que se aplicam às minúsculas distâncias físicas nas quais a mecânica quântica influencia os fenômenos físicos.

As teorias já indicavam que os modos grávitons quirais poderiam emergir nos FQHEs quando esses são atingidos pela luz, mas até agora ninguém havia conseguido bolar um experimento capaz de demonstrar isto experimentalmente.

"Nosso experimento marca a primeira comprovação 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.

Descrição do experimento.
[Imagem: Jiehui Liang et al. - 10.1038/s41586-024-07201-w]

Análogo de gráviton

Uma das técnicas mais usadas para estudar fases quânticas em sistemas de estado sólido é chamada de espalhamento inelástico ressonante de baixa temperatura, que mede como as partículas de luz, ou fótons, se espalham quando atingem um material - o modo como se dá esse espalhamento revela as propriedades subjacentes do material.

A equipe adaptou essa técnica para usar luz polarizada circularmente, na qual os fótons têm um spin específico. Quando os fótons polarizados interagem com uma partícula como um modo gráviton quiral, que também gira, o sinal do spin dos fótons muda de uma forma mais forte do que se eles estivessem interagindo com outros tipos de modos.

Depois de gastar três anos construindo um laboratório para permitir a realização desse experimento inédito, a equipe observou propriedades físicas consistentes com aquelas previstas pela geometria quântica para os modos grávitons quirais, incluindo 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.

E, prevê a teoria, todas essas características são também típicas dos grávitons, partículas ainda não descobertas que se prevê serem as portadoras da força da gravidade. E, como são tão parecidos, os modos grávitons quirais podem funcionar como um análogo dos grávitons - os grávitons propriamente ditos seriam o resultado de flutuações métricas quantizadas, nas quais a estrutura do espaço-tempo é puxada e esticada aleatoriamente em diferentes direções.

O experimento conecta a física das maiores escalas do Universo com a mecânica quântica.
[Imagem: Kahan Dare]

Estudar outros fenômenos

Embora a "partícula" seja apenas um análogo do gráviton, a teoria por trás dos resultados da equipe pode conectar dois subcampos da física: A física de altas energias, que opera nas maiores escalas do Universo, e a física da matéria condensada, que estuda os materiais e as interações atômicas e eletrônicas.

A equipe agora pretende trabalhar com energias mais altas e usar outros materiais quânticos onde a geometria quântica prevê a emergência de propriedades devido a excitações coletivas, como acontece nos supercondutores, por exemplo.

"Por muito tempo, houve esse mistério sobre como os modos coletivos de comprimento de onda longo, como os modos grávitons quirais, poderiam ser investigados em experimentos. Fornecemos evidências experimentais que apoiam as previsões da geometria quântica," disse Liu.

Mais tópicos