Vários milhares de sensores distribuídos por um quilómetro quadrado perto do Pólo Sul têm a tarefa de responder a uma das grandes questões pendentes da física:a gravidade quântica existe? Os sensores monitoram neutrinos – partículas sem carga elétrica e quase sem massa – que chegam à Terra vindos do espaço sideral. Uma equipe do Instituto Niels Bohr (NBI), da Universidade de Copenhague, contribuiu para o desenvolvimento do método que explora dados de neutrinos para revelar se existe gravidade quântica.



"Se, como acreditamos, a gravidade quântica realmente existe, isso contribuirá para unir os dois mundos atuais da física. Hoje, a física clássica descreve os fenômenos em nosso ambiente normal, como a gravidade, enquanto o mundo atômico só pode ser descrito usando a mecânica quântica. .

"A unificação da teoria quântica e da gravitação continua a ser um dos desafios mais marcantes da física fundamental. Seria muito satisfatório se pudéssemos contribuir para esse fim, "diz Tom Stuttard, professor assistente do NBI.

Stuttard é coautor de artigo publicado pela revista Nature Physics . O artigo apresenta resultados de um grande estudo realizado pela equipe do NBI e colegas americanos. Mais de 300.000 neutrinos foram estudados.

No entanto, estes não são neutrinos do tipo mais interessante originados de fontes no espaço profundo. Os neutrinos neste estudo foram criados na atmosfera da Terra, quando partículas de alta energia do espaço colidiram com nitrogênio ou outras moléculas.

"Observar os neutrinos originários da atmosfera da Terra tem a vantagem prática de que eles são muito mais comuns do que seus irmãos do espaço sideral. Precisávamos de dados de muitos neutrinos para validar nossa metodologia. Isso foi conseguido agora. Assim, estamos prontos para entraremos na próxima fase em que estudaremos neutrinos do espaço profundo", diz Stuttard.

Viajando pela Terra sem ser perturbado

O Observatório de Neutrinos IceCube está situado próximo à Estação Pólo Sul Amundsen-Scott, na Antártida. Em contraste com a maioria das outras instalações astronômicas e astrofísicas, o IceCube funciona melhor para observar o espaço no lado oposto da Terra, ou seja, no hemisfério norte. Isto porque, embora o neutrino seja perfeitamente capaz de penetrar no nosso planeta – e até no seu núcleo quente e denso – outras partículas serão detidas, e o sinal é, portanto, muito mais limpo para os neutrinos vindos do hemisfério Norte.

A instalação IceCube é operada pela Universidade de Wisconsin-Madison, EUA. Mais de 300 cientistas de países ao redor do mundo estiveram envolvidos na colaboração IceCube. A Universidade de Copenhague é uma das mais de 50 universidades com um centro IceCube para estudos de neutrinos.

Como o neutrino não tem carga elétrica e quase não tem massa, ele não é perturbado por forças eletromagnéticas e nucleares fortes, o que lhe permite viajar bilhões de anos-luz através do universo em seu estado original.

A questão principal é se as propriedades do neutrino permanecem de facto completamente inalteradas à medida que ele viaja por grandes distâncias ou se, afinal, pequenas alterações são notáveis.

“Se o neutrino sofrer as mudanças sutis que suspeitamos, esta seria a primeira forte evidência da gravidade quântica”, diz Stuttard.

O neutrino vem em três sabores

Para entender quais mudanças nas propriedades dos neutrinos a equipe está procurando, são necessárias algumas informações básicas. Embora nos referamos a ele como partícula, o que observamos como neutrino são, na verdade, três partículas produzidas juntas, conhecidas na mecânica quântica como superposição.

O neutrino pode ter três configurações fundamentais – sabores, como são chamados pelos físicos – que são elétron, múon e tau. Quais dessas configurações observamos muda à medida que o neutrino viaja, um fenômeno verdadeiramente estranho conhecido como oscilações de neutrinos. Esse comportamento quântico é mantido ao longo de milhares de quilômetros ou mais, o que é conhecido como coerência quântica.

"Na maioria dos experimentos, a coerência é logo quebrada. Mas não se acredita que isso seja causado pela gravidade quântica. É apenas muito difícil criar condições perfeitas em um laboratório. Você quer um vácuo perfeito, mas de alguma forma algumas moléculas conseguem entrar furtivamente. etc.

“Em contraste, os neutrinos são especiais porque simplesmente não são afetados pela matéria que os rodeia, por isso sabemos que se a coerência for quebrada, não será devido a deficiências na configuração experimental feita pelo homem”, explica Stuttard.

Muitos colegas estavam céticos

Questionado se os resultados do estudo publicado na Nature Physics foram como esperado, o investigador responde:"Encontramo-nos numa categoria rara de projetos científicos, nomeadamente experiências para as quais não existe um quadro teórico estabelecido. Assim, simplesmente não sabíamos o que esperar. No entanto, sabíamos que poderíamos procurar por algumas das propriedades gerais que poderíamos esperar que uma teoria quântica da gravidade tivesse."

"Embora tivéssemos esperança de ver mudanças relacionadas à gravidade quântica, o fato de não as termos visto não exclui de forma alguma que sejam reais. Quando um neutrino atmosférico é detectado nas instalações da Antártica, ele normalmente terá viajado através a Terra, o que significa aproximadamente 12.700 km – uma distância muito curta em comparação com os neutrinos originados no universo distante. Aparentemente, é necessária uma distância muito maior para que a gravidade quântica tenha um impacto, se existir", diz Stuttard, observando que o objetivo principal. do estudo foi estabelecer a metodologia.

"Durante anos, muitos físicos duvidaram que os experimentos pudessem testar a gravidade quântica. Nossa análise mostra que isso é realmente possível, e com medições futuras com neutrinos astrofísicos, bem como detectores mais precisos sendo construídos na próxima década, esperamos finalmente responder a esta questão fundamental."

Mais informações: Pesquisa de decoerência da gravidade quântica com neutrinos atmosféricos, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02436-w
Informações do diário: Física da Natureza

Fornecido pela Universidade de Copenhague