Projected sensitivity of a spinor Bose-Einstein condensate comagnetometer to proton monopole-dipole interactions

Na vasta paisagem da física moderna, o Modelo Padrão serve como o nosso melhor mapa do universo, catalogando as partículas fundamentais que compõem tudo o que vemos. No entanto, este mapa possui lacunas. Ele não explica por que o universo é feito de matéria em vez de antimatéria, nem explica a substância invisível conhecida como matéria escura. Os físicos suspeitam que, ocultas nestas lacunas, estejam novas partículas leves que nunca foram observadas diretamente. Entre os candidatos mais promissores estão bósons hipotéticos de spin zero, partículas que poderiam atuar como mensageiras entre a matéria comum e o misterioso setor escuro. Se estas partículas existirem, elas criariam uma força muito estranha: uma que depende da orientação do spin de uma partícula, uma propriedade semelhante à de uma pequena agulha de bússola interna. Esta força violaria simetrias fundamentais da natureza, comportando-se de forma diferente se o tempo fosse invertido ou se o universo fosse visto num espelho. A deteção de tal força seria uma descoberta monumental, potencialmente reescrevendo a nossa compreensão do cosmos e revelando a natureza da matéria escura.

Para caçar estas partículas esquivas, os investigadores recorreram a um experimento altamente sensível envolvendo uma nuvem de átomos resfriados a temperaturas próximas do zero absoluto. Num estudo recente, os cientistas propuseram o uso de um estado especial da matéria chamado condensado de Bose-Einstein, onde milhares de átomos perdem as suas identidades individuais e comportam-se como uma única onda coerente. Especificamente, focaram-se numa nuvem de átomos de rubídio, que podem existir em dois estados de energia interna diferentes simultaneamente. Estes dois estados atuam como um par de relógios sincronizados que batem em direções opostas quando expostos a um campo magnético, mas batem na mesma direção se forem expostos à força exótica prevista pelas novas partículas. Ao comparar o comportamento destes dois estados, os investigadores podem cancelar o ruído avassalador do campo magnético da Terra e isolar o sinal minúsculo e subtil da nova interação.

O experimento centra-se num bloco denso e isolante de germanato de bismuto, um material escolhido por ser pesado o suficiente para gerar um sinal forte, mas que não cria o ruído elétrico que os metais criariam. Este bloco é colocado apenas cinquenta micrómetros abaixo da nuvem de átomos — uma distância tão pequena que é inferior à largura de um fio de cabelo humano. Os investigadores calcularam que, se conseguissem realizar este experimento durante uma semana, a sua configuração seria suficientemente sensível para detetar a interação entre os protões no bloco de origem e os protões dentro dos átomos. Os resultados da sua análise sugerem que este método poderia melhorar os limites laboratoriais existentes por um fator de 5.000 num cenário atualizado, e por um fator de mais de 300.000 num cenário otimista limitado pelo regime quântico, para intervalos específicos de massa de partícula. No cenário mais otimista, onde o experimento atinge os limites fundamentais da mecânica quântica, a sensibilidade poderia melhorar por um fator superior a 300.000, sondando um intervalo de distâncias de alguns micrómetros a alguns milímetros.

A chave para esta sensibilidade extrema reside no design inteligente da medição. Os átomos de rubídio são preparados de forma a criar dois grupos distintos, ou manifolds, que precessam, ou oscilam, em torno de um eixo magnético. Um campo magnético faria com que estes dois grupos oscilassem em direções opostas, cancelando-se mutuamente de forma eficaz quando os seus sinais são combinados. No entanto, a força hipotética das novas partículas empurraria ambos os grupos na mesma direção, fazendo com que os seus sinais se somassem. Isto permite aos investigadores subtrair o ruído magnético enquanto amplificam o sinal exótico. Para garantir a precisão, a equipa planeia mover o bloco de origem para dentro e para fora da posição repetidamente, comparando os resultados para cancelar quaisquer efeitos que não dependam da localização do bloco. Eles também planeiam inverter a direção do campo magnético para eliminar outras potenciais fontes de erro.

O estudo delineia dois caminhos específicos a seguir. O primeiro, uma versão atualizada do seu aparato atual, inclui melhorias como um melhor blindagem magnética e uma forma mais eficiente de carregar átomos no armadém. Esta versão é projetada para atingir uma sensibilidade que permitiria testar a existência destas partículas com um alto grau de confiança. O segundo caminho, mais ambicioso, visa o limite último de precisão permitido pelas leis da mecânica quântica. Isto exigiria novos refinamentos, tais como prolongar o tempo que os átomos podem ser mantidos no armadém e reduzir o ruído do próprio processo de medição. Mesmo com o equipamento atual, não atualizado, os investigadores acreditam que já poderiam melhorar os limites existentes para distâncias entre vinte e trezentos micrómetros.

Se estas partículas existirem, a força que elas medeiam seria incrivelmente fraca, decaindo rapidamente à medida que a distância entre a origem e os átomos aumenta. Os investigadores calcularam que a sua configuração seria mais eficaz para detetar partículas com massas entre 0,3 e 50 milionésimos de um elétron-volt, um intervalo que corresponde a distâncias de interação de aproximadamente cem micrómetros. Nesta escala, o experimento seria capaz de sondar a interação entre os protões na origem e os protões nos átomos com uma precisão que nunca foi alcançada antes. Os autores observam que, embora os limites atuais sobre tais interações se baseiem em dados de outros experimentos, esses limites dependem de modelos complexos de núcleos atómicos que introduzem uma incerteza significativa. Ao utilizar um único tipo de átomo onde o papel do protão é bem compreendido, esta nova abordagem oferece uma forma direta e mais limpa de procurar a força.

O experimento proposto representa um passo significativo em frente na busca pela física além do Modelo Padrão. Ao combinar a precisão dos sensores quânticos com um método inteligente para cancelar o ruído, os investigadores traçaram um caminho para explorar um território anteriormente inexplorado. Embora a deteção destas partículas permaneça uma possibilidade em vez de uma certeza, a sensibilidade da configuração proposta significa que, se a força existir dentro do intervalo previsto, ela provavelmente será encontrada. Se a força não existir, o experimento ainda assim fornecerá informações cruciais, descartando uma vasta gama de modelos teóricos e estreitando a busca pelas peças em falta do nosso puzzle cósmico. O trabalho é um testemunho do poder de usar as propriedades estranhas e belas da mecânica quântica para responder às questões mais profundas sobre a natureza da realidade.