Resumo:
Cientistas do Instituto Federal Suíço de Tecnologia em Zurique e do Instituto Paul Scherrer fizeram recentemente um progresso importante. Eles usaram hélio superfluido próximo do zero absoluto para criar um feixe altamente controlável de átomos de múon. Eles planejam usar este átomo especial para testar diretamente se a gravidade tem exatamente o mesmo efeito nas partículas elementares de segunda geração que a matéria comum.
A chave desta pesquisa não é provar que há problemas com a teoria de Einstein, mas tentar pela primeira vez estender o objetivo de testar o princípio da equivalência gravitacional à segunda geração de partículas elementares. Se a experiência finalmente descobrir que o movimento dos murinos no campo gravitacional da Terra é inexplicavelmente diferente daquele da matéria comum, os resultados poderão fornecer pistas para uma nova física além do modelo padrão atual, e até mesmo envolver uma hipótese de “quinta força fundamental”.
A matéria no mundo cotidiano é composta principalmente de prótons, nêutrons e elétrons. Estas partículas pertencem às chamadas partículas elementares de primeira geração. Existem também partículas de segunda e terceira geração com maior massa na natureza, entre as quais os múons são os “parentes” de segunda geração dos elétrons. A massa de um múon é cerca de 207 vezes a de um elétron, mas não é um componente estável dos átomos comuns, mas uma partícula elementar com uma vida útil extremamente curta.
O Modelo Padrão pode descrever essas diferentes gerações de partículas, mas não pode explicar uma questão fundamental de longa data: por que a natureza requer três gerações de partículas elementares e por que, além da primeira geração, existem também partículas de segunda e terceira gerações com massas significativamente maiores.
Portanto, os cientistas esperam aprender mais sobre as propriedades fundamentais destas partículas estudando o comportamento gravitacional dos múons. Uma questão fundamental é se o princípio da equivalência de Einstein se aplica não apenas à matéria comum, mas também à matéria constituída por partículas elementares de segunda geração.
O chamado princípio de equivalência está relacionado a um fenômeno muito familiar: quando fatores externos como a resistência do ar são ignorados, objetos de diferentes massas e composições cairão livremente da mesma maneira no mesmo campo gravitacional. A física moderna vincula esse fenômeno à equivalência entre massa gravitacional e inercial, que também é um dos fundamentos importantes da relatividade geral.
No passado, os humanos conduziram um grande número de experimentos de alta precisão usando matéria comum e também realizaram testes de gravidade na primeira geração de antimatéria, mas a situação é completamente diferente para a segunda geração de partículas elementares. Estudar a gravidade dos múons é difícil porque os múons vivem apenas cerca de 2,2 microssegundos, em média, antes de decaírem.
Os pesquisadores escolheram um tipo especial de átomo chamado “musin” para resolver parte do problema. Os múons são compostos de um antimúon com carga positiva e um elétron com carga negativa. Quando combinados, os dois são eletricamente neutros. Embora sua estrutura seja semelhante à de um átomo de hidrogênio, a maior parte de sua massa vem de antimúons, que são muito mais pesados que os elétrons.
A neutralidade elétrica é uma condição importante para a realização de experimentos. A própria gravidade é muito fraca. Se partículas carregadas estiverem diretamente envolvidas em experimentos, o campo eletromagnético extremamente fraco ao seu redor poderá ter um impacto muito maior do que o efeito gravitacional, abafando completamente o sinal que os cientistas realmente desejam medir.
No entanto, ainda existe um problema sério com os métodos anteriores de produção de mucina: a velocidade e a direção do movimento da mucina produzida variam muito. Isto torna difícil para os cientistas medir com precisão a sua trajetória quando tem uma vida útil de apenas 2,2 microssegundos, e muito menos procurar desvios extremamente pequenos causados pela gravidade da Terra.
O maior avanço nesta pesquisa é resolver o problema de controle do feixe de múons.
A equipe de pesquisa disparou antimuons do acelerador de partículas do Instituto Paul Scherrer em uma camada de hélio superfluido a uma temperatura próxima do zero absoluto. O hélio superfluido é um fluido quântico especial que exibe propriedades muito especiais em temperaturas extremamente baixas.
Depois de entrar no hélio superfluido, os antimúons desaceleram rapidamente e podem combinar-se com elétrons livres para formar múons. O murino é então submetido ao potencial químico especial do hélio superfluido. Ao atingir a superfície do líquido, a energia armazenada neste potencial químico é convertida em energia cinética, fazendo com que o murino voe verticalmente para cima a partir da superfície do líquido.
Os pesquisadores, portanto, chamam esse processo de "canhão atômico".
Em comparação com os múons confusos produzidos no passado, o novo método pode criar feixes de mucina "frios" com velocidades mais consistentes e direções de movimento mais paralelas. "Frio" aqui não significa simplesmente baixa temperatura, mas significa que a distribuição da velocidade de movimento desses átomos é mais concentrada e pode se propagar em direções quase paralelas a uma velocidade relativamente consistente.
Isso é crucial para o próximo experimento gravitacional. Como os múons só podem existir por alguns microssegundos, os pesquisadores devem permitir que eles concluam todo o processo, desde a produção, o voo até a medição, em um tempo muito curto. O hélio superfluido não apenas ajuda a produzir um feixe de múons mais regular, mas também permite que os múons evitem numerosas colisões e dispersões antes de deixarem o líquido.
O próximo passo dos pesquisadores é usar um interferômetro atômico para fazer medições reais da gravidade. Os átomos têm dualidade onda-partícula e, portanto, podem interferir como ondas de luz. Os cientistas passarão um feixe de átomos murinos através de um dispositivo de interferência projetado com precisão e então observarão se a gravidade da Terra causa mudanças extremamente pequenas no padrão de interferência resultante.
Se esta deflexão puder ser medida com precisão, o movimento dos múons no campo gravitacional da Terra poderá ser calculado, testando assim diretamente se as partículas de segunda geração seguem as mesmas leis de queda livre que a matéria comum.
A equipe de pesquisa espera testar primeiro toda a abordagem experimental este ano usando o recém-criado feixe atômico. Se tudo correr bem, espera-se que um experimento real de gravidade do múon seja realizado nos próximos dois a três anos.
Essa tecnologia também tem outros usos. Como um feixe de múons mais regular e de maior intensidade está agora disponível, os pesquisadores também podem usá-lo para conduzir experimentos de espectroscopia a laser mais precisos. Espera-se que estas medições ajudem os cientistas a determinar melhor a massa do múon e outras constantes físicas fundamentais.
O que é realmente emocionante são os possíveis “resultados inesperados” do experimento.
Se o murino se comportar de maneira diferente da matéria comum num campo gravitacional, isso significaria que há algum fator não descoberto na teoria física existente. Os investigadores acreditam que a anomalia pode até apontar para uma “quinta força fundamental” ainda não descoberta, entre outras possíveis explicações teóricas.
Atualmente, a física confirmou quatro interações básicas, nomeadamente gravidade, interação eletromagnética, interação forte e interação fraca. Os físicos propuseram vários modelos teóricos para a possível existência de uma quinta força fundamental no passado, mas até agora não houve nenhuma evidência experimental direta aceita.
No entanto, a equipe de pesquisa não planejou este experimento para “encontrar a quinta força”. Os pesquisadores enfatizaram que o objetivo mais direto e importante do experimento é na verdade mais fundamental: medir pela primeira vez se os múons compostos por partículas elementares de segunda geração também seguem a relação equivalente entre massa gravitacional e massa inercial.
Portanto, esta pesquisa não derruba atualmente a teoria de Einstein, nem descobre uma quinta força. Os cientistas acabaram de construir uma técnica experimental que pode realmente medir este problema.
Se o resultado final estiver em conformidade com as previsões da relatividade geral, provará ainda que o princípio da equivalência se aplica não apenas à matéria de primeira geração com a qual estamos familiarizados, mas também às partículas elementares de segunda geração; se os resultados se desviarem de uma forma fiável que não possa ser explicada por erros conhecidos, então os físicos terão de reexaminar a teoria existente e procurar novos mecanismos físicos que possam explicar esta anomalia.
Em outras palavras, o que esse chamado "canhão atômico" realmente visa não é o próprio Einstein, mas uma questão fundamental que já dura centenas de anos: se diferentes tipos de matéria no universo realmente sentem a gravidade exatamente da mesma maneira.
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