Nova pesquisa lança luz sobre um fenômeno conhecido como falso decaimento do vácuo
Energia de campo médio e formação de bolhas. A nuvem é inicialmente preparada no FV com todos os átomos em |↑⟩ (A). Embora o estado de spin único |↓⟩ seja energeticamente mais baixo (E↓E↑ ) no centro da nuvem, a situação é oposta nas caudas de baixa densidade. A interface (parede de domínio) entre regiões ferromagnéticas com magnetização oposta possui energia positiva (cinética), o que se soma à paisagem de energia mínima dupla emergente da interação ferromagnética. O tunelamento macroscópico pode ocorrer de forma ressonante ao estado de bolha (B), que possui uma bolha |↓⟩ no centro. O ganho de energia do núcleo compensa o custo de energia da parede do domínio. A passagem da barreira pode ser desencadeada por flutuações quânticas no caso de temperatura zero (seta cheia) ou por flutuações térmicas em temperatura finita (seta vazia). Após o processo de tunelamento, a bolha aumenta de tamanho na presença de dissipação para atingir o estado de vácuo verdadeiro (TV) (C), sem retornar a (A). Crédito:Física da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02345-4 Uma experiência realizada em Itália, com apoio teórico da Universidade de Newcastle, produziu a primeira evidência experimental de decaimento do vácuo.
Na teoria quântica de campos, quando um estado não tão estável se transforma no verdadeiro estado estável, isso é chamado de “falso decaimento do vácuo”. Isto acontece através da criação de pequenas bolhas localizadas. Embora o trabalho teórico existente possa prever com que frequência ocorre esta formação de bolhas, não há muitas evidências experimentais.
O laboratório de átomos ultrafrios do Centro Pitaevskii de Condensação Bose-Einstein em Trento relata pela primeira vez a observação de fenômenos relacionados à estabilidade do nosso universo. Os resultados surgem da colaboração entre a Universidade de Newcastle, o Instituto Nacional de Óptica do CNR, o Departamento de Física da Universidade de Trento e a Tifpa-Infn, e foram publicados na Nature Physics .
Os resultados são apoiados por simulações teóricas e modelos numéricos, confirmando a origem do decaimento no campo quântico e sua ativação térmica, abrindo caminho para a emulação de fenômenos de campo quântico fora de equilíbrio em sistemas atômicos.
O experimento usa um gás super-resfriado a uma temperatura inferior a um microKelvin do zero absoluto. A esta temperatura, bolhas emergem à medida que o vácuo decai e o professor Ian Moss e o Dr. Tom Billam da Universidade de Newcastle foram capazes de mostrar conclusivamente que essas bolhas são resultado do decaimento do vácuo ativado termicamente.
Ian Moss, professor de Cosmologia Teórica na Escola de Matemática, Estatística e Física da Universidade de Newcastle, disse:"Acredita-se que o decaimento do vácuo desempenha um papel central na criação de espaço, tempo e matéria no Big Bang, mas até agora tem havido nenhum teste experimental. Na física de partículas, o decaimento do vácuo do bóson de Higgs alteraria as leis da física, produzindo o que foi descrito como a 'catástrofe ecológica final'".
Tom Billam, professor sênior de matemática aplicada/quântica, acrescentou:"Usar o poder dos experimentos com átomos ultrafrios para simular análogos da física quântica em outros sistemas - neste caso, o próprio universo primitivo - é uma área de pesquisa muito interessante no momento."
A pesquisa abre novos caminhos na compreensão do universo primitivo, bem como nas transições de fase quântica ferromagnética.
Este experimento inovador é apenas o primeiro passo na exploração do decaimento do vácuo. O objetivo final é encontrar o decaimento do vácuo na temperatura do zero absoluto, onde o processo é conduzido puramente por flutuações quânticas do vácuo. Uma experiência em Cambridge, apoiada por Newcastle como parte de uma colaboração nacional QSimFP, visa fazer exatamente isso.
Mais informações: A. Zenesini et al, Falso decaimento de vácuo via formação de bolhas em superfluidos ferromagnéticos, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02345-4 Informações do diário: Física da Natureza
