Uma partícula hipotética que poderia resolver um dos maiores quebra-cabeças da cosmologia ficou um pouco menos misteriosa. Um físico RIKEN e dois colegas revelaram os fundamentos matemáticos que podem explicar como os chamados axions podem gerar entidades semelhantes a cordas que criam uma tensão estranha em materiais de laboratório.

Os axions foram propostos pela primeira vez na década de 1970 por físicos que estudavam a teoria da cromodinâmica quântica, que descreve como algumas partículas elementares são mantidas juntas dentro do núcleo atômico. O problema era que essa teoria previa algumas propriedades bizarras para partículas conhecidas que não são observadas. Para consertar isso, os físicos postularam uma nova partícula - mais tarde apelidada de axion, depois de uma marca de sabão em pó, porque ajudou a limpar uma bagunça na teoria.

Os físicos logo perceberam que os axions também podiam resolver um enigma cósmico. Acredita-se que mais de 80% da matéria do Universo seja composta de uma misteriosa substância invisível, apelidado de matéria escura. "Axions são candidatos à matéria escura, mas não os encontramos ainda, "diz Yoshimasa Hidaka, do Programa Interdisciplinar de Ciências Teóricas e Matemáticas da RIKEN. Axions podem ter as propriedades certas, portanto, os físicos têm procurado sinais de sua existência em vários experimentos. Em junho de 2020, o experimento XENON1T no Laboratório Gran Sasso, na Itália, relatou indícios de que eles podem ter detectado o áxion - mas esse resultado ainda não foi confirmado.

Mas há outra arena onde as propriedades dos axiões podem ser estudadas. Os físicos podem preparar materiais exóticos - chamados de isolantes topológicos - no laboratório, que exibem propriedades estranhas, como conduzir eletricidade em suas superfícies enquanto permanecem isoladores elétricos dentro. Esses materiais exibem outro comportamento estranho. As vezes, seus elétrons se agrupam e se movem de tal forma que o material parece ser feito de "quasipartículas" com propriedades incomuns. Isso pode criar uma tensão inesperada em todo o material, chamado de efeito Hall anômalo.

O axion também está previsto para surgir desta forma, em isoladores topológicos, onde deve interagir com partículas de luz, ou fótons, de uma maneira diferente das partículas regulares.

Hidaka e seus dois colegas examinaram agora a teoria que rege a interação entre axions e fótons. Mesmo que os axions sejam partículas pontuais, a equipe calculou que dentro dos materiais, a luz realmente interage com configurações semelhantes a rosca estendidas feitas de eixos, chamadas de cordas axiônicas. Isso levaria ao efeito Hall anômalo, que é observado em experimentos.

"Encontramos a estrutura matemática subjacente ao fenômeno, "diz Hidaka.