Por décadas, os físicos têm caçado um modelo de gravidade quântica que unificaria a física quântica, as leis que governam o muito pequeno e a gravidade. Um grande obstáculo tem sido a dificuldade em testar experimentalmente as previsões dos modelos candidatos. Mas alguns dos modelos prevêem um efeito que pode ser investigado em laboratório: uma violação muito pequena de um princípio quântico fundamental chamado princípio de exclusão de Pauli, que determina, por exemplo, como os elétrons são arranjados nos átomos.
Um projeto realizado nos laboratórios subterrâneos do INFN sob as montanhas de Gran Sasso, na Itália, busca indícios de radiação produzida por tal violação na forma de transições atômicas proibidas pelo princípio de exclusão de Pauli.
Em dois artigos publicados nas revistas Physical Review Letters (publicado em 19 de setembro de 2022) e Physical Review D (aceito para publicação em 7 de dezembro de 2022), a equipe relata que nenhuma evidência de violação foi encontrada, até agora, descartando alguns modelos de gravidade quântica.
Nas aulas de química da escola, aprendemos que os elétrons só podem se organizar de certas maneiras específicas nos átomos, o que se deve ao princípio de exclusão de Pauli. No centro do átomo está o núcleo atômico, circundado por orbitais, com elétrons. O primeiro orbital, por exemplo, só pode abrigar dois elétrons. O princípio de exclusão de Pauli, formulado pelo físico austríaco Wolfang Pauli em 1925, diz que dois elétrons não podem ter o mesmo estado quântico; assim, no primeiro orbital de um átomo, os dois elétrons têm “spins” opostos (uma propriedade interna quântica geralmente descrita como um eixo de rotação, apontando para cima ou para baixo, embora nenhum eixo literal exista no elétron).
O feliz resultado disso para os humanos é que significa que a matéria não pode passar por outra matéria. “É onipresente – você, eu, somos baseados no princípio de exclusão de Pauli”, diz Catalina Curceanu, membro do think-tank de física, o Foundational Questions Institute, FQXi, e o físico principal nos experimentos do INFN, Itália. “O fato de não podermos atravessar paredes é outra consequência prática.”
O princípio se estende a todas as partículas elementares pertencentes à mesma família dos elétrons, chamadas férmions, e foi derivado matematicamente de um teorema fundamental conhecido como teorema da estatística do spin. Também foi confirmado experimentalmente – até agora – parecendo válido para todos os férmions em testes. O princípio de exclusão de Pauli forma um dos princípios centrais do modelo padrão da física de partículas.
Violando o princípio
Mas alguns modelos especulativos da física, além do modelo padrão, sugerem que o princípio pode ser violado. Por décadas, os físicos têm procurado por uma teoria fundamental da realidade. O modelo padrão é ótimo para explicar o comportamento de partículas, interações e processos quânticos na microescala. No entanto, não abrange a gravidade.
Assim, os físicos têm tentado desenvolver uma teoria unificadora da gravidade quântica, algumas versões da qual prevêem que várias propriedades que sustentam o modelo padrão, como o princípio de exclusão de Pauli, podem ser violadas em circunstâncias extremas.
“Muitas dessas violações ocorrem naturalmente nas chamadas teorias e modelos de gravidade quântica ‘não comutativos’, como os que exploramos em nossos artigos”, diz Curceanu. Uma das estruturas de gravidade quântica candidatas mais populares é a teoria das cordas, que descreve as partículas fundamentais como minúsculos fios vibrantes de energia em espaços multidimensionais. Alguns modelos da teoria das cordas também prevêem tal violação.
“A análise que relatamos desfavorece algumas realizações concretas da gravidade quântica”, diz Curceanu.
Tradicionalmente, acredita-se ser difícil testar tais previsões porque a gravidade quântica geralmente só se torna relevante em arenas onde há uma grande quantidade de gravidade concentrada em um espaço minúsculo – pense no centro de um buraco negro ou no começo do universo.
No entanto, Curceanu e seus colegas perceberam que pode haver um efeito sutil – uma assinatura de que o princípio de exclusão e o teorema da estatística de spin foram violados – que pode ser detectado em experimentos de laboratório na Terra.
Nas profundezas das montanhas Gran Sasso, perto da cidade de L’Aquila, na Itália, a equipe de Curceanu está trabalhando no experimento de chumbo VIP-2 (Violação do Princípio de Pauli). No coração do aparelho está um bloco grosso feito de chumbo romano, com um detector de germânio próximo que pode captar pequenos sinais de radiação que emanam do chumbo.
A ideia é que, se o princípio de exclusão de Pauli for violado, ocorrerá uma transição atômica proibida dentro do chumbo romano, gerando um raio-X com um sinal de energia distinto. Este raio-X pode ser captado pelo detector de germânio.
Silêncio cósmico
O laboratório deve ser alojado no subsolo porque a assinatura de radiação de tal processo será tão fraca que, de outra forma, seria abafada pela radiação geral de fundo na Terra dos raios cósmicos. “Nosso laboratório garante o que é chamado de ‘silêncio cósmico’, no sentido de que a montanha Gran Sasso reduz o fluxo de raios cósmicos em um milhão de vezes”, diz Curceanu. Isso por si só não é suficiente, no entanto.
“Nosso sinal tem uma taxa possível de apenas um ou dois eventos por dia, ou menos”, diz Curceanu. Isso significa que os materiais usados no experimento devem ser “radio-puros” – isto é, eles próprios não devem emitir nenhuma radiação – e o aparelho deve ser protegido da radiação das rochas da montanha e da radiação vinda do subsolo.
“O que é extremamente empolgante é que podemos sondar alguns modelos de gravidade quântica com uma precisão tão alta, o que é impossível de fazer nos aceleradores atuais”, diz Curceanu.
Em seus artigos recentes, a equipe relata não ter encontrado nenhuma evidência de violação do princípio de Pauli. “O financiamento do FQXi foi fundamental para o desenvolvimento das técnicas de análise de dados”, diz Curceanu. Isso permitiu que a equipe estabelecesse limites para o tamanho de qualquer violação possível e os ajudou a restringir alguns modelos de gravidade quântica propostos.
Em particular, a equipe analisou as previsões do chamado modelo “theta-Poincaré” e conseguiu descartar algumas versões do modelo para a escala de Planck (a escala na qual as conhecidas leis clássicas da gravidade se quebram). Além disso, “a análise que relatamos desfavorece algumas realizações concretas da gravidade quântica”, diz Curceanu.
A equipe agora planeja estender sua pesquisa a outros modelos de gravidade quântica, com seus colegas teóricos Antonino Marcianò, da Universidade de Fudan, e Andrea Addazi, da Universidade de Sichuan, ambos na China. “No lado experimental, usaremos novos materiais-alvo e novos métodos de análise para procurar sinais fracos para desvendar o tecido do espaço-tempo”, diz Curceanu.
“O que é extremamente empolgante é que podemos sondar alguns modelos de gravidade quântica com uma precisão tão alta, o que é impossível de fazer nos aceleradores atuais”, acrescenta Curceanu. “Este é um grande salto, tanto do ponto de vista teórico quanto experimental.”
Publicado em 24/12/2022 09h03
Artigo original:
Estudo original: