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Em um laboratório no centro da Universidade da Califórnia, Berkeley, perto da Oppenheimer Way, a rua que leva o nome do “pai da bomba atômica”, uma equipe de físicos ajusta meticulosamente um aparelho sofisticado na busca pela elusiva “partícula camaleônica”.
Um zumbido de antecipação enche o ar enquanto eles se preparam para embarcar em um experimento que poderá desvendar um dos mistérios mais profundos do Universo: energia escura.
Supondo que Modelo Lambda-CDM de cosmologia está correto, a energia escura representa quase 70% da energia total do Universo observável e é o ímpeto por trás de sua expansão acelerada. No entanto, apesar de sua vasta influência, essa força misteriosa permanece envolta em mistério.
A primeira evidência direta de energia escura foi descoberta em 1998 por duas equipes de cientistas lideradas pelo Dr. Saul Perlmutter do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, Dr. Brian P. Schmidt da Universidade Nacional Australiana e Dr. Adam G. Riess da Universidade John Hopkins.
Por meio de observações de supernovas distantes, os pesquisadores perceberam que o Universo estava se expandindo a uma taxa cada vez mais acelerada. Essa revelação rendeu aos três cientistas o Prêmio Nobel de Física de 2011.
“Acredita-se que a aceleração seja impulsionada pela energia escura, mas o que é essa energia escura continua sendo um enigma – talvez o maior da física hoje”, disse o Prêmio Nobel. anúncio pela Real Academia Sueca de Ciências lê. “O que se sabe é que a energia escura constitui cerca de três quartos do Universo. Portanto, as descobertas dos laureados com o Nobel de Física de 2011 ajudaram a desvendar um Universo que, em grande medida, é desconhecido pela ciência. E tudo é possível novamente.”
Observações independentes, incluindo experiências cósmicas de fundo em micro-ondas e pesquisas de redshift de galáxias, confirmaram a existência de energia escura. No entanto, vinte e seis anos após a sua descoberta inicial, a natureza exacta da energia escura continua a ser “talvez o maior” enigma da física.
Várias teorias foram propostas para explicar sua existência, incluindo a possibilidade de que a energia escura possa ser a energia do vácuo do espaço ou um campo de energia dinâmico chamado quintessência.
Outra proposta intrigante é que a energia escura é mediada por uma partícula escalar exótica ainda a ser descoberta, que exerce uma força repulsiva dependendo da densidade da matéria circundante. Esta partícula hipotética, conhecida como “partícula camaleônica” ou “símetron”, representaria uma quinta força fundamental da natureza, muito mais fraca que a gravidade.
No vazio do espaço, uma partícula camaleônica exerceria uma força repulsiva em longas distâncias, impulsionando a expansão acelerada do Universo. No entanto, o alcance da partícula seria extremamente limitado na Terra, cercada por matéria. Isso explicaria o impacto anômalo da energia escura na expansão acelerada do espaço.
Agora, no laboratório Holger Müller na UC Berkeley, físicos estão abrindo novos caminhos para resolver o mistério da energia escura. Eles projetaram os instrumentos mais precisos até hoje, capazes de medir até as menores anomalias gravitacionais.
Detectar até mesmo pequenos desvios na teoria aceita da gravidade seria um grande avanço, oferecendo evidências da existência da hipotética partícula camaleônica.
Em experimentos recentes, os físicos projetaram um novo instrumento que combina um interferômetro atômico para medições precisas da gravidade com uma rede óptica para manter os átomos no lugar.
Essa configuração permitiu que os pesquisadores imobilizassem átomos em queda livre por períodos significativamente mais longos, aumentando a precisão de suas medições por um fator de cinco em comparação com experimentos anteriores.
Ao imobilizar pequenos aglomerados de átomos de césio dentro de uma câmara de vácuo vertical, os pesquisadores poderiam dividir cada átomo em um estado quântico. Metade do átomo está mais próximo do peso do tungstênio neste estado, permitindo aos cientistas medir a diferença de fase entre as duas metades da função de onda atômica. Este processo permite calcular diferenças na atração gravitacional com uma precisão sem precedentes.
Em descobertas publicadas recentemente em Naturezaos pesquisadores revelaram que, apesar do desenho experimental revolucionário, os resultados não conseguiram mostrar quaisquer desvios da gravidade newtoniana.
No entanto, os físicos estão esperançosos de que, com as esperadas melhorias na precisão do seu novo instrumento, novas e excitantes possibilidades serão abertas para testar teorias sobre a natureza da energia escura, incluindo a existência da partícula camaleão.
A capacidade dessa nova tecnologia de reter átomos por até 70 segundos e potencialmente 10 vezes mais expande as possibilidades de investigar a gravidade no nível quântico, explicou o Dr. Holger Müller, professor de física da UC Berkeley e coautor do estudo.
Experimentos anteriores estabeleceram bem a natureza quântica de três das quatro forças da natureza: o eletromagnetismo e as forças fortes e fracas. No entanto, a natureza quântica da gravidade nunca foi verificada.
“A maioria dos teóricos provavelmente concorda que a gravidade é quântica”, disse o Dr. Muller em um liberar pela Universidade da Califórnia em Berkeley. “Mas ninguém jamais viu uma assinatura experimental disso.”
“É muito difícil até saber se a gravidade é quântica, mas se pudéssemos reter os nossos átomos 20 ou 30 vezes mais tempo do que qualquer outra pessoa, porque a nossa sensibilidade aumenta com a segunda ou quarta potência do tempo de retenção, poderíamos ter 400 a 800.000 vezes mais chance de encontrar provas experimentais de que a gravidade é de fato mecânica quântica.”
Este novo design experimental pode manter átomos em uma superposição quântica de dois estados, cada um experimentando forças gravitacionais ligeiramente diferentes, permitindo que pesquisadores detectem diferenças mínimas na atração gravitacional. Esta capacidade poderia eventualmente revelar a presença das partículas camaleônicas hipotéticas ou outros fenômenos exóticos desconhecidos relacionados à energia escura.
Além do seu potencial para descobrir a energia escura, o interferómetro de átomos de rede concebido pela equipa de Muller é promissor para várias aplicações, incluindo a detecção quântica.
Essa tecnologia é particularmente sensível à gravidade e aos efeitos inerciais, tornando-a adequada para a construção de giroscópios e acelerômetros avançados. A capacidade da rede óptica de manter átomos rigidamente no lugar também a torna resiliente a imperfeições ambientais ou ruído, o que pode permitir medições precisas em ambientes desafiadores, como no mar.
Desde 2015, o Dr. Muller tem procurado evidências de partículas camaleônicas usando um interferômetro atômico.
“A interferometria atômica é a arte e a ciência de utilizar as propriedades quânticas de uma partícula, ou seja, o fato de ela ser ao mesmo tempo uma partícula e uma onda. Dividimos a onda de modo que a partícula siga dois caminhos ao mesmo tempo e então interfira [with] “Eles estão no final”, explicou o Dr. Müller. “As ondas podem estar em fase e se somarem, ou podem estar fora de fase e se cancelarem. O truque é que se elas estão em fase ou fora de fase depende muito sensivelmente de algumas quantidades que você pode querer medir, como aceleração, gravidade, rotação ou constantes fundamentais.”
Em testes iniciais usando um interferômetro atômico e átomos de césio lançados em uma câmara de vácuo para imitar o vazio do espaço, o Dr. Muller e seus colegas puderam observar os 10 a 20 milissegundos que os átomos levavam para subir acima de uma pesada esfera de alumínio.
Em 2019, os físicos do laboratório Muller puderam observar os átomos por muito mais tempo, até 20 segundos, adicionando uma rede óptica e um peso de tungstênio para aumentar o efeito da gravidade.
Em outro experimento mais recente, publicado na edição de junho de 2024 da Física da Naturezao bolsista de pós-doutorado Cristian Panda e o Dr. Muller demonstraram a capacidade de estender o tempo de retenção dos átomos de 20 segundos para surpreendentes 70 segundos.
Os pesquisadores alcançaram esse feito notável estabilizando um feixe de laser dentro da câmara ressonante do interferômetro de átomos de rede e ajustando a temperatura para menos de um milionésimo de Kelvin acima do zero absoluto.
Embora os resultados até agora não tenham conseguido mostrar a existência da partícula camaleônica, os pesquisadores dizem que seu sucesso repetido em expandir o tempo para observar os efeitos gravitacionais estabelece as bases para experimentos ainda mais precisos.
O Dr. Muller e sua equipe estão atualmente construindo um novo interferômetro de átomo de rede com controle de vibração aprimorado e temperaturas mais baixas. Espera-se que este instrumento de próxima geração produza resultados 100 vezes mais precisos do que seus experimentos recentes. Este nível de precisão pode ser sensível o suficiente para finalmente detectar as propriedades quânticas da gravidade.
À medida que os investigadores continuam a ultrapassar os limites, a potencial descoberta da energia escura parece tentadoramente próxima. Em última análise, estes avanços na UC Berkeley representam um passo significativo no desvendamento de um dos maiores mistérios do Universo e da verdadeira natureza da energia escura.
Pesquisadores dizem que a demonstração bem-sucedida do emaranhamento quântico gravitacional seria um avanço comparável à primeira demonstração do emaranhamento quântico de fótons feita pelo falecido Dr. Stuart Freedman e pelo Dr. John Clauser em 1972.
Em 2022, o Dr. Clauser foi premiado com o Prêmio Nobel de Física por sua parte na prova da existência do emaranhamento quântico, um fenômeno que Albert Einstein certa vez descreveu como “ação assustadora à distância”.
Tim McMillan é um executivo aposentado da lei, repórter investigativo e cofundador do The Debrief. Sua escrita normalmente se concentra em defesa, segurança nacional, comunidade de inteligência e tópicos relacionados à psicologia. Você pode seguir Tim no Twitter: @LtTimMcMillan. Tim pode ser contatado por e-mail: tim@thedebrief.org ou por e-mail criptografado: TenTimMcMillan@protonmail.com
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