Partícula “anjo” é sua própria antipartícula

Toda partícula fundamental no universo possui uma antipartícula, que tem a mesma massa, mas carga oposta. Se uma partícula encontra sua antipartícula, as duas se aniquilam em um flash de energia.

Desde 1937, no entanto, os cientistas acreditam que existe exceções a essa regra: certas partículas que são suas próprias antipartículas.

Agora, pesquisadores da Universidade de Stanford e da Universidade da Califórnia, ambas nos EUA, encontraram a primeira evidência forte para esse tipo de partícula, que eles nomearam de “partícula anjo”.

Férmions de Majorana

O físico Ettore Majorana foi o primeiro a destacar uma lacuna na família de partículas dos férmions. Prótons, elétrons, nêutrons, neutrinos e quarks são todos férmions, e todos têm antipartículas correspondentes.

De acordo com os cálculos de Majorana, contudo, devem haver partículas que sejam suas próprias antipartículas.

Como eles não têm carga, nêutrons e neutrinos se mostraram os melhores candidatos para serem estes férmions de Majorana. Desde então, antinêutrons foram descobertos. Ainda há um grande ponto de interrogação sobre os neutrinos, mas a dificuldade dos experimentos científicos significa que uma resposta ainda está a mais de uma década de distância.

Enquanto isso, a maneira mais provável de encontrar férmions de Majorana é estudando “quasipartículas” (ou quase-partículas). Como o nome sugere, não são partículas muito naturais, mas surgem do comportamento coletivo dos elétrons. Elas funcionam mais ou menos como bolhas em uma bebida: as bolhas também surgem do “comportamento coletivo” dos produtos químicos na bebida e, embora não sejam objetos realmente independentes, possuem propriedades mensuráveis, incluindo tamanho, forma, etc.

O experimento

As quase-partículas podem não ocorrer fora de condições muito específicas, mas podem ser consideradas férmions de Majorana se exibirem todas as propriedades corretas.

“Nossa equipe previu exatamente onde encontrar [o férmion de Majorana] e o que procurar”, disse Shoucheng Zhang, um dos principais autores do estudo. “Esta descoberta conclui uma das pesquisas mais intensivas em física fundamental, que durou exatamente 80 anos”.

Para que essas quasipartículas peculiares se mostrassem, a equipe cuidadosamente construiu sua “bebida” específica, composta de filmes finos de dois materiais quânticos. O resultado final se mostrou um isolador topológico supercondutor, que permitiu que os elétrons se movessem rapidamente ao longo das bordas da superfície do material, mas não pelo meio. Adicionando uma pitada de material magnético na mistura, os elétrons fluíram em uma direção ao longo de uma borda, e na direção oposta ao longo da outra.

Bingo!

Os pesquisadores então colocaram um ímã sobre o material, o que fez com que todos os elétrons diminuíssem a velocidade, parassem e alternassem a direção.

A inversão aconteceu em um movimento brusco e escalonado. As quasipartículas começaram a emergir do material em pares, viajando pelo mesmo caminho que os elétrons, mas houve uma diferença fundamental: quando pararam e mudaram de direção, fizeram isso exatamente na metade do caminho que os elétrons fizeram.

Isso é porque cada quasipartícula é essencialmente apenas metade de uma partícula, uma vez que uma de cada par é perdida ao longo do caminho. E esse fenômeno era exatamente a evidência que a equipe estava procurando.

Futuras aplicações

Zhang propõe que a descoberta da equipe seja chamada de “partícula anjo” por conta do livro de Dan Brown, “Anjos e Demônios”, que apresenta uma bomba movida pelo encontro da matéria com a antimatéria.

A longo prazo, os férmions de Majorana poderiam ter uma aplicação prática na segurança de computadores quânticos.

A pesquisa foi publicada na prestigiosa revista científica Science. [NewAtlas]

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