doi.org/10.1038/s41586-024-07561-3
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#Energia Escura
Experimento captura átomos em queda livre para procurar anomalias gravitacionais causadas pela falta de energia do Universo.
Pesquisadores da UC Berkeley melhoraram a precisão dos experimentos de gravidade usando um interferômetro atômico combinado com uma rede óptica, estendendo significativamente o tempo que os átomos podem ser mantidos em queda livre.
Apesar de ainda não terem sido encontrados desvios da gravidade de Newton, estes avanços poderão potencialmente revelar novos aspectos quânticos da gravidade e testar teorias sobre partículas exóticas como camaleões ou simetrons.
Há vinte e seis anos, os físicos descobriram a energia escura – uma força misteriosa que separa o universo a um ritmo cada vez maior.
Desde então, os cientistas têm procurado uma partícula nova e exótica que cause a expansão.
Ultrapassando os limites desta pesquisa, os físicos da Universidade da Califórnia, em Berkeley, construíram agora a experiência mais precisa até agora para procurar pequenos desvios da teoria aceite da gravidade que possam ser evidência de tal partícula, que os teóricos apelidaram de camaleão ou simetron.
O experimento, que combina um interferômetro atômico para medições precisas da gravidade com uma rede óptica para manter os átomos no lugar, permitiu aos pesquisadores imobilizar átomos em queda livre por segundos, em vez de milissegundos, para procurar efeitos gravitacionais, superando a medição mais precisa atual por um fator de cinco.
Explorando a natureza quântica da gravidade
Embora os pesquisadores não tenham encontrado nenhum desvio do que foi previsto pela teoria enunciada por Isaac Newton há 400 anos, as melhorias esperadas na precisão do experimento poderiam eventualmente revelar evidências que apoiam ou refutam as teorias de uma hipótese hipotética.
quinta força mediada por camaleões ou simetrons.
A capacidade do interferômetro de átomos de rede de reter átomos por até 70 segundos – e potencialmente 10 vezes mais – também abre a possibilidade de sondar a gravidade no nível quântico, disse Holger Müller, professor de física da UC Berkeley.
Embora os físicos tenham teorias bem testadas que descrevem a natureza quântica de três das quatro forças da natureza – o eletromagnetismo e as forças forte e fraca – a natureza quântica da gravidade nunca foi demonstrada.
“A maioria dos teóricos provavelmente concorda que a gravidade é quântica.
Mas ninguém jamais viu uma assinatura experimental disso”, disse Müller.
“É muito difícil até saber se a gravidade é quântica, mas se pudéssemos reter os nossos átomos 20 ou 30 vezes mais tempo do que qualquer outra pessoa, porque a nossa sensibilidade aumenta com a segunda ou quarta potência do tempo de retenção, poderíamos ter 400 a 800.000 vezes mais chance de encontrar provas experimentais de que a gravidade é de fato mecânica quântica.”
Aplicações e direções futuras em detecção quântica Além de medições precisas de gravidade, outras aplicações do interferômetro de átomo de rede incluem detecção quântica.
“A interferometria atômica é particularmente sensível à gravidade ou aos efeitos inerciais.
Você pode construir giroscópios e acelerômetros”, disse Cristian Panda, pós-doutorando da UC Berkeley, que é o primeiro autor de um artigo sobre as medições de gravidade que será publicado esta semana na revista Nature e é coautor de Müller.
“Mas isso dá uma nova direção na interferometria atômica, onde a detecção quântica de gravidade, aceleração e rotação poderia ser feita com átomos mantidos em redes ópticas em um pacote compacto que é resiliente a imperfeições ambientais ou ruído.” Como a rede óptica mantém os átomos rigidamente no lugar, o interferômetro de átomos da rede pode até operar no mar, onde medições sensíveis da gravidade são empregadas para mapear a geologia do fundo do oceano.
Insights sobre a energia escura e a partícula camaleão A energia escura foi descoberta em 1998 por duas equipes de cientistas: um grupo de físicos baseado no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, liderado por Saul Perlmutter, agora professor de física da UC Berkeley, e um grupo de astrônomos que incluiu Adam Riess, pós-doutorado da UC Berkeley.
Os dois dividiram o Prêmio Nobel de Física de 2011 pela descoberta.
A constatação de que o universo estava se expandindo mais rapidamente do que deveria veio do rastreamento de supernovas distantes e do uso delas para medir distâncias cósmicas.
Apesar de muita especulação dos teóricos sobre o que está realmente a separar o espaço, a energia escura continua sendo um enigma – um grande enigma, uma vez que cerca de 70% de toda a matéria e energia do Universo está na forma de energia escura.
Uma teoria é que a energia escura é apenas a energia do vácuo do espaço.
Outra é que se trata de um campo de energia denominado quintessência, que varia no tempo e no espaço.
Outra proposta é que a energia escura é uma quinta força muito mais fraca que a gravidade e mediada por uma partícula que exerce uma força repulsiva que varia com a densidade da matéria circundante.
No vazio do espaço, exerceria uma força repulsiva por longas distâncias, capaz de separar o espaço.
Num laboratório na Terra, com matéria por toda parte para protegê-la, a partícula teria um alcance extremamente pequeno.
Esta partícula foi apelidada de camaleão, como se estivesse escondida à vista de todos.
Avanços nas técnicas de interferometria atômica
Em 2015, Müller adaptou um interferômetro atômico para procurar evidências de camaleões usando átomos de césio lançados em uma câmara de vácuo, que imita o vazio do espaço.
Durante os 10 a 20 milissegundos que os átomos levaram para subir e descer acima de uma pesada esfera de alumínio, ele e sua equipe não detectaram nenhum desvio do que seria esperado da atração gravitacional normal da esfera e da Terra.
A chave para usar átomos em queda livre para testar a gravidade é a capacidade de excitar cada átomo em uma superposição quântica de dois estados, cada um com um momento ligeiramente diferente que os transporta a distâncias diferentes de um peso pesado de tungstênio pendurado acima.
Quanto maior o momento, o estado de maior elevação experimenta mais atração gravitacional pelo tungstênio, mudando sua fase.
Quando a função de onda do átomo entra em colapso, a diferença de fase entre as duas partes da onda de matéria revela a diferença na atração gravitacional entre elas.
“A interferometria atômica é a arte e a ciência de utilizar as propriedades quânticas de uma partícula, ou seja, o fato de ela ser ao mesmo tempo uma partícula e uma onda.
Dividimos a onda para que a partícula siga dois caminhos ao mesmo tempo e depois interfiramos neles no final”, disse Müller.
“As ondas podem estar em fase e se somar, ou as ondas podem estar fora de fase e se anularem.
O truque é que se eles estão em fase ou fora de fase depende muito sensivelmente de algumas quantidades que você pode querer medir, como aceleração, gravidade, rotação ou constantes fundamentais.”
Ampliando os limites da física experimental
Em 2019, Müller e seus colegas adicionaram uma rede óptica para manter os átomos próximos ao peso do tungstênio por um tempo muito mais longo – surpreendentes 20 segundos – para aumentar o efeito da gravidade na fase.
A rede óptica emprega dois feixes de laser cruzados que criam um conjunto semelhante a uma rede de locais estáveis para os átomos se reunirem, levitando no vácuo.
Mas será que 20 segundos é o limite, ele se perguntou? Durante o auge da pandemia de COVID-19, a Panda trabalhou incansavelmente para prolongar o tempo de espera, corrigindo sistematicamente uma lista de 40 possíveis obstáculos até estabelecer que a inclinação oscilante do feixe de laser, causada por vibrações, era uma limitação importante.
Ao estabilizar o feixe dentro de uma câmara ressonante e ajustar a temperatura para ser um pouco mais fria – neste caso, menos de um milionésimo de Kelvin acima do zero absoluto, ou um bilhão de vezes mais fria que a temperatura ambiente – ele foi capaz de estender o tempo de espera para 70 segundos.
Ele e Müller publicaram esses resultados na edição de 11 de junho de 2024 da Nature Physics.
Publicado em 30/06/2024 02h22
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