Laboratório IceCube sob as estrelas

Laboratório IceCube sob as estrelas na Antártica. Crédito: Martin Wolf, IceCube/NSF

A pesquisa no Pólo Sul estudou a misteriosa estrutura quântica do espaço e do tempo.

A teoria da relatividade geral de Einstein explica que a gravidade é causada por uma curvatura das direções do espaço e do tempo. A manifestação mais familiar disso é a gravidade da Terra, que nos mantém no chão e explica por que as bolas caem no chão e os indivíduos ganham peso ao subir na balança.

No campo da física de altas energias, por outro lado, os cientistas estudam pequenos objetos invisíveis que obedecem às leis da mecânica quântica – caracterizados por flutuações aleatórias que criam incerteza nas posições e energias de partículas como eletrões, protões e neutrões. Compreender a aleatoriedade da mecânica quântica é necessário para explicar o comportamento da matéria e da luz em escala subatômica.

Busca da Gravidade Quântica

Durante décadas, os cientistas têm tentado unir esses dois campos de estudo para alcançar uma descrição quântica da gravidade. Isto combinaria a física da curvatura associada à relatividade geral com as misteriosas flutuações aleatórias associadas à mecânica quântica.

Um novo estudo em Física da Natureza de físicos da Universidade do Texas em Arlington relata uma nova sonda profunda na interface entre essas duas teorias, usando partículas de neutrinos de energia ultra-alta detectadas por um detector de partículas instalado nas profundezas da geleira Antártica, no pólo sul.

IceCube DOM desce

Finalmente, o DOM desce para o array onde pode começar a coletar dados. Crédito: Mark Krasberg, IceCube/NSF

Esforços Experimentais na Antártida

“O desafio de unificar a mecânica quântica com a teoria da gravitação continua sendo um dos problemas não resolvidos mais urgentes da física”, disse o coautor Benjamin Jones, professor associado de física. “Se o campo gravitacional se comportar de maneira semelhante aos outros campos da natureza, sua curvatura deverá apresentar flutuações quânticas aleatórias.”

Os alunos de pós-graduação de Jones e UTA, Akshima Negi e Grant Parker, faziam parte de uma equipe internacional de colaboração IceCube que incluía mais de 300 cientistas de todos os EUA, bem como da Austrália, Bélgica, Canadá, Dinamarca, Alemanha, Itália, Japão, Nova Zelândia, Coréia , Suécia, Suíça, Taiwan e Reino Unido.

Benjamim Jones

Benjamin Jones, professor associado de física na Universidade do Texas em Arlington. Crédito: UT Arlington

Para procurar assinaturas de gravidade quântica, a equipa colocou milhares de sensores ao longo de um quilómetro quadrado perto do pólo sul na Antártida que monitorizavam neutrinos, partículas subatómicas invulgares mas abundantes que têm carga neutra e não têm massa. A equipe conseguiu estudar mais de 300.000 neutrinos. Eles estavam procurando ver se essas partículas de energia ultra-alta eram incomodadas por flutuações quânticas aleatórias no espaço-tempo que seriam esperadas se a gravidade fosse mecânica quântica, à medida que viajam longas distâncias pela Terra.

Resultados das observações de neutrinos

“Procuramos essas flutuações estudando os sabores dos neutrinos detectados pelo Observatório IceCube”, disse Negi. “Nosso trabalho resultou em uma medição muito mais sensível do que as anteriores (mais de um milhão de vezes mais, para alguns dos modelos), mas não encontrou evidências dos efeitos gravitacionais quânticos esperados.”

Esta não observação de uma geometria quântica do espaço-tempo é uma afirmação poderosa sobre a física ainda desconhecida que opera na interface da física quântica e da relatividade geral.

“Esta análise representa o capítulo final da contribuição de quase uma década da UTA para o Observatório IceCube”, disse Jones. “Meu grupo agora busca novos experimentos que visam compreender a origem e o valor da massa dos neutrinos por meio de técnicas de física atômica, molecular e óptica.”

Para obter mais informações sobre esta pesquisa, consulte Neutrinos Whisper Quantum Gravity Secrets From the South Pole.

Referência: “Busca por decoerência da gravidade quântica com neutrinos atmosféricos” por The IceCube Collaboration, 26 de março de 2024, Física da Natureza.
DOI: 10.1038/s41567-024-02436-w



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