A descoberta de partículas estranhas que se comportam como grávitons, hipotéticas "partículas gravitacionais"

Os pesquisadores apresentaram as primeiras evidências experimentais da existência de partículas semelhantes a grávitons – partículas hipotéticas que supostamente "carregam" gravidade. Chamados de "modos de gráviton quiral (HGMs)", eles são (no caso deste experimento) excitações coletivas em um material semicondutor que se comportam como partículas e exibem características características de grávitons. Esta descoberta poderia ajudar a melhorar a nossa compreensão do universo, em particular facilitando a potencial "unificação" da relatividade geral e da mecânica quântica.

Um gráviton é uma partícula elementar hipotética que carrega a gravidade. Proposto na década de 1930, é principalmente teorizado em sistemas gravitacionais quânticos. Por analogia, ele pode ser comparado ao elástico em um estilingue que segura a pedra e lhe dá a força necessária para empurrá-la na direção certa. Assim, quanto mais grávitons há em um campo gravitacional, mais poderoso ele é.

No entanto, apesar de décadas de pesquisa, essas famosas partículas nunca foram detectadas. Publicado em 1993, o trabalho do físico Aron Pinchuk (que morreu em 2022) levou à descoberta das partículas que mais se aproximaram. Continuando seu trabalho, sua equipe e ex-alunos estão fornecendo as primeiras evidências experimentais que podem finalmente levar à descoberta dessas partículas evasivas.

"Nosso experimento é a primeira comprovação experimental do conceito de gráviton, postulado pelos pioneiros da gravidade quântica desde a década de 1930, em um sistema de matéria condensada", explica Linjie Du, ex-pós-doutoranda na Universidade de Columbia e agora na Universidade de Nanjing, na China, em um comunicado à imprensa. Os resultados do estudo foram publicados na revista Nature.

Características específicas dos grávitons

O trabalho de Pinchuk aponta para a possibilidade de detectar um tipo especial de partícula em um tipo específico de matéria condensada chamada líquido de efeito Hall quântico fracionado (FQHE). "Aron foi pioneiro no estudo de fases exóticas da matéria, incluindo fases quânticas emergentes em nanossistemas de estado sólido, usando espectros de excitações coletivas de baixa altitude", explica a coautora do estudo, Ursula Wurstbauer, da Universidade de Münster (Alemanha).

O fluido FQHE é um sistema de elétrons que interagem fortemente entre si a temperaturas muito baixas e campos magnéticos muito altos. Em outras palavras, esse fluido não é homogêneo, mas exibe movimentos coletivos de elétrons que podem dar origem a estranhas excitações semelhantes a partículas (HGMs mencionadas no início do artigo) em resposta à luz.

Este tipo de fluido também tem sido descrito teoricamente usando geometria quântica e conceitos matemáticos aplicáveis a escalas subatômicas. No entanto, até o momento, não existem métodos experimentais para sustentar essas hipóteses. "Teoricamente, a história era bastante completa, mas no que diz respeito aos experimentos, não tínhamos certeza", disse Tzuyu Liu, da Universidade de Columbia, que também esteve envolvido no estudo, à New Scientist.

Em seu experimento, Liu e seus colegas adaptaram uma técnica proposta por Pinchuk há 30 anos chamada "difusão inelástica ressonante a baixa temperatura". Essa técnica mede o movimento dos fótons ao interagir com um material, o que possibilita analisar suas propriedades. No entanto, o novo estudo usa um laser polarizado circularmente, no qual os fótons têm um spin específico. Quando esses fótons polarizados interagem com a partícula CGM (que também tem spin), seu spin muda significativamente. Para obter o líquido FQHE e observar esses efeitos, os pesquisadores usaram uma superfície de arseneto de gálio semicondutor bidimensional.

Apresentação artística do protocolo de pesquisa experimental: sensoriamento luminoso de HGM no líquido FQHE.

Eles observaram excitações cujas características coincidem com aquelas previstas pela geometria quântica para CGM, como spin-2. Essas propriedades só foram teoricamente previstas para grávitons. Como os grávitons, os CGMs são o resultado de flutuações métricas quantizadas, nas quais o espaço-tempo é esticado aleatoriamente em diferentes direções. Isso sugere que a teoria por trás desses resultados poderia potencialmente ligar a física de altas energias (que opera nas maiores escalas do universo) e a física da matéria condensada (que lida com o estudo de materiais e interações atômicas). Também propõe uma potencial unificação de dois princípios fundamentalmente incompatíveis: a relatividade geral e a mecânica quântica.

HGM e espalhamento inelástico de luz. a, Representação da dinâmica da métrica interna. b, Representação das características quirais do spin-2 do HGM. c, Em v = 1/3, os férmions compostos são excitados do nível fermiônico composto Landau mais movimentado para o próximo nível vazio. Quando a distância 'd' entre cada férmion composto (amarelo) e seu quase-buraco (cinza) se aproxima de zero, as CGMs são acionadas por flutuações métricas. d, Instalação experimental em refrigerador para diluição.

No entanto, é importante notar que esse sistema experimental não reflete o espaço-tempo per se. De fato, neste sistema, os elétrons estão confinados ao espaço bidimensional e se movem muito mais lentamente do que os elétrons governados pela teoria da relatividade. Portanto, este protocolo experimental pode ser usado para algumas teorias da gravidade quântica, mas não para o estudo de todos os fenômenos quânticos que ocorrem no espaço-tempo em escalas cósmicas. No entanto, os pesquisadores dizem que o método da luz polarizada pode ser usado com líquidos FQHE em níveis de energia mais altos do que os estudados neste estudo, o que estende seu escopo para outros sistemas quânticos.