Os físicos da JILA fazem medições recordes de uma propriedade eletrônica chave.
Nos primeiros momentos do nosso universo, incontáveis números de prótons, nêutrons e elétrons se formaram ao lado de suas contrapartes de antimatéria. À medida que o universo se expandia e esfriava, quase todas essas partículas de matéria e antimatéria se encontraram e se aniquilaram, deixando apenas fótons, ou flashes de luz, em seu rastro.
E se o universo fosse perfeitamente simétrico, com quantidades iguais de matéria e antimatéria, isso seria o fim da história – e nunca teríamos existido. Mas deve ter havido um desequilíbrio – alguns prótons, nêutrons e elétrons restantes – que formaram átomos, moléculas, estrelas, planetas, galáxias e, eventualmente, pessoas.
“Se o universo fosse perfeitamente simétrico, não restaria nada além de luz. Este é um momento extremamente importante na história. De repente, há coisas no universo, e a pergunta é: por quê?” disse Eric Cornell, membro do NIST/JILA. “Por que temos essa assimetria?”
As teorias e equações matemáticas que explicam nosso universo exigem simetria. Os teóricos de partículas refinaram essas teorias para lidar com a presença de assimetria. Mas, sem evidências, essas teorias são apenas matemática, explica Cornell, então físicos experimentais, incluindo seu grupo na JILA, têm observado partículas fundamentais, como elétrons, em busca de sinais de assimetria.
Agora, o grupo JILA fez uma medição recorde de elétrons, estreitando a busca de onde veio essa assimetria. Suas descobertas foram publicadas na Science. A JILA é operada em conjunto pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e pela Universidade de Colorado Boulder.
“Este é um momento extremamente importante na história. De repente, há coisas no universo, e a pergunta é: por quê?”
– Companheiro do NIST/JILA, Eric Cornell
Um lugar para procurar evidências de assimetria é no momento de dipolo elétrico do elétron (eEDM). Os elétrons são compostos de carga elétrica negativa, e o eEDM indica quão uniformemente essa carga é distribuída entre o pólo norte e sul do elétron. Qualquer medição de eEDM acima de zero confirmaria uma assimetria; o elétron seria mais em forma de ovo do que circular. Mas ninguém sabe quão pequeno pode ser esse desvio.
“Precisamos consertar nossa matemática para ficar mais próxima da realidade”, disse Tanya Roussy, estudante de pós-graduação do grupo de pesquisa de Cornell na JILA. “Estamos procurando lugares onde essa assimetria possa estar, para entendermos de onde ela veio. Os elétrons são partículas fundamentais e sua simetria nos fala sobre a simetria do universo.”
Cornell, Roussy e sua equipe no NIST e JILA recentemente estabeleceram um recorde de medição de precisão de eEDM, melhorando as medições anteriores por um fator de 2,4.
Quão preciso é isso? Se um elétron fosse do tamanho da Terra, seu estudo descobriu que qualquer assimetria existente seria menor que o raio de um átomo, explicou Roussy.
Fazer uma medição tão precisa é incrivelmente difícil, acrescenta ela, então o grupo precisava ser inteligente. Os pesquisadores analisaram moléculas de fluoreto de háfnio. Se eles aplicassem um forte campo elétrico às moléculas, os elétrons não redondos iriam querer se alinhar com o campo, deslocando-se dentro da molécula. Se fossem redondos, os elétrons não se moveriam.
Usando um laser ultravioleta, eles retiraram os elétrons das moléculas, formando um conjunto de íons carregados positivamente, e os prenderam. Alternando o campo eletromagnético ao redor da armadilha, as moléculas foram forçadas a se alinhar ou não com o campo. Em seguida, os pesquisadores usaram lasers para medir os níveis de energia dos dois grupos. Se os níveis fossem diferentes entre eles, isso indicaria que os elétrons eram assimétricos.
O experimento permitiu que eles tivessem tempos de medição mais longos do que as tentativas anteriores, o que lhes deu maior sensibilidade. No entanto, as medições do grupo mostraram que os elétrons não moveram os níveis de energia, indicando que, da melhor forma que podemos medir atualmente, os elétrons são redondos.
Não há garantia de que alguém encontrará uma medição diferente de zero de eEDM, aponta Cornell, mas esse nível de precisão de um experimento de mesa é uma conquista. Isso mostra que os caros aceleradores de partículas não são o único meio de explorar essas questões fundamentais sobre o Universo e que há muitos caminhos a serem tentados. E embora o grupo não tenha encontrado assimetria, seu resultado ajudará o campo a continuar procurando respostas para a assimetria do início do universo.
“Descobrimos até nossa medição que o elétron é simétrico. Se tivéssemos encontrado diferente de zero, seria um grande problema”, acrescentou Roussy. “A melhor aposta é ter equipes de cientistas em todo o mundo procurando diferentes opções. Enquanto todos continuarmos medindo a verdade, eventualmente, alguém a encontrará.”
Publicado em 09/07/2023 14h08
Artigo original:
Estudo original: