Durante décadas, os físicos tentaram criar um modelo de gravidade quântica que unificasse a gravidade quântica.
Mas alguns dos modelos prevêem o efeitoque pode ser investigado em laboratório: uma leve violação de um princípio quântico fundamental conhecido como princípio de exclusão de Pauli. Ele determina, por exemplo, como os elétrons são arranjados nos átomos. É exatamente nisso que os funcionários do projeto de laboratório subterrâneo INFN sob as montanhas Gran Sasso, na Itália, estão trabalhando. O objetivo deles é procurar sinais de radiação causados por tal violação, na forma de transições atômicas proibidas pelo princípio de Pauli.
Em dois artigos publicados nas revistas Physical Review Letters e Physical Review D, os cientistas descreveram se tiveram sucesso.
Como funciona o princípio de Pauli?
Nas aulas de química da escola, eles ensinam que os elétronsdispostos em átomos apenas de uma certa maneira. Acontece que isso se deve ao princípio de exclusão de Pauli. No centro de um átomo está o núcleo atômico, rodeado por orbitais com elétrons. O primeiro orbital, por exemplo, contém apenas dois elétrons.
O princípio de exclusão de Pauli, formuladoO físico austríaco Wolfang Pauli em 1925 afirma que dois elétrons não podem ter o mesmo estado quântico. Assim, no primeiro orbital de um átomo, dois elétrons podem ter spins com direções opostas. Essa propriedade intrínseca quântica é geralmente descrita como um eixo de rotação para cima ou para baixo, embora o elétron não tenha um eixo no sentido literal.
Corrida quântica de fótons gravitacionais. Foto: NASA
Essencialmente, isso significa que a matéria sozinha não podepassar por outro. Como explicam os cientistas, isso funciona em qualquer lugar - "você, eu, somos baseados no princípio de exclusão de Pauli". O exemplo mais simples dessa lei é o fato de que as pessoas não podem atravessar paredes.
Este princípio se aplica a todos ospartículas que pertencem à mesma família dos elétrons e são conhecidas como férmions. Foi derivada matematicamente de um teorema fundamental conhecido como teorema das estatísticas de spin. Além disso, o princípio de exclusão de Pauli foi confirmado experimentalmente. Até agora, isso era considerado verdadeiro para todos os férmions. O princípio de exclusão de Pauli é um dos princípios básicos do Modelo Padrão da física de partículas.
Violação do princípio
Mas de acordo com algumas teorias especulativas,que vão além do Modelo Padrão, esse princípio pode ser violado. Por décadas, os físicos têm procurado por uma teoria fundamental da realidade. O Modelo Padrão é excelente para explicar o comportamento das partículas, interações e processos quânticos no nível micro. No entanto, não inclui a gravidade.
Assim, os físicos estão tentando desenvolver um unificadora teoria da gravidade quântica, algumas versões da qual prevêem que várias propriedades subjacentes ao Modelo Padrão, como o princípio de exclusão de Pauli, podem ser violadas em circunstâncias extremas.
Por exemplo, muitos desses distúrbios são naturalmenteocorrem nas chamadas teorias e modelos não comutativos da gravidade quântica. Uma das mais populares é a teoria das cordas. Ela descreve as partículas fundamentais como minúsculos filamentos vibrantes de energia em espaços multidimensionais. Alguns modelos da teoria das cordas também prevêem tal violação.
Dificuldade de verificação
Tradicionalmente, acredita-se que tais previsõesdifícil de verificar. A gravidade quântica só é “orgânica” para locais onde uma enorme quantidade de gravidade está concentrada em um espaço minúsculo. O exemplo mais simples é o centro de um buraco negro, o ponto de origem do Universo.
No entanto, os autores de um novo estudo encontraram uma alternativa. O efeito da violação do princípio de exclusão e do teorema da estatística de spin pode ser detectado em experimentos de laboratório na Terra.
Nas profundezas das montanhas Gran Sasso, nos arredores da cidadeL'Aquila, na Itália, os físicos estão trabalhando no experimento VIP-2 para violar o princípio de Pauli. O aparato especial é baseado em um grosso bloco de chumbo romano, próximo ao qual está um detector de germânio. Ele capta pequenos sinais de radiação provenientes do metal.
Laboratório subterrâneo de baixa radioatividade em Gran Sasso.
Foto: Massimiliano De Deo, LNGS-INFN
A ideia é que se o princípio da proibiçãoPauli será violado, uma transição atômica “proibida” ocorrerá dentro do chumbo, gerando radiação de raios X com sinal de energia distinto. Será captado por um detector de germânio.
Silêncio cósmico
O laboratório foi especialmente colocado no subsolo,porque a radiação de tal processo seria tão fraca que, de outra forma, seria abafada pela radiação de fundo geral dos raios cósmicos na Terra. Como explicam os cientistas italianos, seu laboratório garante o chamado silêncio cósmico - o Monte Gran Sasso reduz o fluxo de raios cósmicos um milhão de vezes. Contudo, só isto não foi suficiente.
A frequência do sinal que os físicos procuram éapenas um ou dois eventos por dia ou menos. Isto significa que os próprios materiais utilizados na experiência devem ser “limpos em termos de rádio” - não devem emitir nada. E os equipamentos devem ser protegidos da radiação das rochas. Isso é impossível com aceleradores modernos, escrevem os cientistas.
O que os cientistas fizeram?
Depois de realizar um experimento em um laboratório subterrâneo,os cientistas não encontraram nenhuma evidência de violação do princípio de Pauli. Isso exclui alguns modelos de gravidade quântica. Em outras palavras, os físicos não captaram o sinal “proibido”. Pelo menos por enquanto.
Além disso, como parte do projeto, os físicos analisaramprevisões do modelo teta de Poincaré e excluiu algumas versões do modelo na escala de Planck (a escala na qual as leis clássicas da gravidade conhecidas se quebram). Além disso, a sua análise contradiz algumas implementações específicas da gravidade quântica.
O que vem a seguir?
Os cientistas estão agora planejando expandir a pesquisa paraoutros modelos de gravidade quântica em colaboração com físicos chineses. Eles usarão novos materiais e métodos de análise para procurar sinais fracos para “revelar a estrutura do espaço-tempo”, explicam os autores dos experimentos.
"O que é interessante é que podemos explorar algunsmodelos de gravidade quântica com uma precisão tão alta que é impossível fazer isso com aceleradores modernos”, concluem os cientistas. “Este é um grande salto do ponto de vista teórico e experimental.”
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Foto da capa: Wikipédia