Na busca por novas partículas e forças na natureza, os físicos estão em busca de comportamentos dentro de átomos e moléculas que são proibidos pelo testado e comprovado Modelo Padrão da física de partículas. Quaisquer desvios deste modelo poderiam indicar o que os físicos carinhosamente chamam de “nova física”.



O professor assistente de física do Caltech, Nick Hutzler, e seu grupo estão em busca de tipos específicos de desvios que ajudariam a resolver o mistério de por que há tanta matéria em nosso universo. Quando o nosso universo nasceu, há cerca de 14 mil milhões de anos, acredita-se que a matéria e a sua parceira, a antimatéria, existiam em igual medida.

Normalmente, matéria e antimatéria se cancelam, mas existia algum tipo de assimetria entre os diferentes tipos de partículas para fazer com que a matéria vencesse a antimatéria. O grupo de Hutzler utiliza experimentos de mesa para procurar violações de simetria – os comportamentos desviantes das partículas que levaram ao nosso universo desequilibrado dominado pela matéria.

Agora, reportando em Cartas de Revisão Física , a equipe, liderada por Chi Zhang, pesquisador associado de pós-doutorado em física da David e Ellen Lee em física na Caltech, descobriu uma maneira de melhorar seus estudos usando o emaranhamento, um fenômeno na física quântica pelo qual duas partículas remotas podem permanecer conectadas mesmo sem estar em contato direto. O estudo é intitulado "Metrologia quântica aprimorada para violação de simetria molecular usando subespaços livres de decoerência".

Nesse caso, os pesquisadores desenvolveram um novo método para emaranhar conjuntos de moléculas, que servem como sondas para medir as violações de simetria. Ao emaranhar as moléculas, as matrizes tornam-se menos sensíveis ao ruído de fundo que pode interferir no experimento e mais sensíveis ao sinal desejado.

“É como ancorar um monte de patinhos de borracha”, diz Hutzler. "Se você quisesse medir o movimento dos patinhos em uma banheira, eles seriam menos sensíveis ao ruído de fundo dos respingos de água se você os conectasse completamente. E eles seriam mais sensíveis a algo que você pode querer medir, como o fluxo de uma corrente, já que todos responderiam a ela coletivamente."

“Queremos ser sensíveis à estrutura das moléculas”, diz Zhang. "Campos elétricos e magnéticos descontrolados da configuração experimental atrapalham nossas medições, mas agora temos um novo protocolo para emaranhar as moléculas de forma a torná-las menos sensíveis ao ruído."

Mais especificamente, este novo método pode ser usado para procurar pequenas inclinações nos elétrons que podem ocorrer em resposta a campos elétricos dentro das moléculas. “As leves rotações indicariam que os elétrons ou os spins nucleares estão interagindo com campos elétricos, e isso é proibido de acordo com o Modelo Padrão”, diz Hutzler.

“Outras abordagens que usam emaranhamento normalmente aumentariam a sensibilidade ao ruído”, acrescenta. "Chi descobriu uma maneira de reduzir o ruído e ao mesmo tempo nos proporcionar um ganho de sensibilidade devido ao emaranhamento."

Um estudo experimental recente diferente publicado na Science , liderado por Hutzler e John M. Doyle, da Universidade de Harvard, mostrou que as moléculas poliatômicas usadas nesses tipos de estudos têm outras habilidades únicas para se protegerem do ruído eletromagnético, embora sem o aumento de sensibilidade do emaranhamento.

Nesse estudo, os investigadores mostraram que podem sintonizar a sensibilidade da molécula a campos externos e, de facto, fazer com que a sensibilidade desapareça, tornando assim as moléculas amplamente imunes ao ruído.

“Com as vantagens do emaranhamento, os investigadores podem levar estas experiências a investigar sectores cada vez mais exóticos da nova física”, diz Hutzler.

Mais informações: Chi Zhang et al, Metrologia quântica aprimorada para violação de simetria molecular usando subespaços livres de decoerência, Cartas de revisão física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.193602
Loïc Anderegg et al, Controle quântico de moléculas poliatômicas aprisionadas para pesquisas de eEDM, Science (2023). DOI:10.1126/science.adg8155

Informações do diário: Cartas de revisão física , Ciência

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia da Califórnia