Cientistas conseguiram reproduzir em um simulador quântico um fenômeno relacionado à formação de novas partículas. O experimento mostrou como uma espécie de “corda” entre duas cargas pode acumular energia até se romper e produzir novos pares de partículas.
O trabalho foi realizado por pesquisadores do Duke Quantum Center, nos Estados Unidos, e publicado na revista Nature Physics. O processo imita aspectos de fenômenos que, no mundo físico, aparecem em condições extremas, como colisões realizadas em grandes aceleradores de partículas ou aquelas existentes nos primeiros instantes do Universo.
A descoberta também pode ajudar cientistas a desenvolver simulações quânticas cada vez mais sofisticadas sobre a evolução da matéria.
Por que os quarks nunca aparecem sozinhos
Os quarks estão entre os componentes fundamentais conhecidos da matéria. Eles formam partículas maiores, como prótons e nêutrons, mas não são encontrados isoladamente.
Essa característica é conhecida como confinamento.
Quando dois quarks são separados, a energia necessária para afastá-los aumenta continuamente. Em vez de finalmente deixar dois quarks livres, o sistema pode alcançar energia suficiente para criar novas partículas.
Esse fenômeno é chamado de quebra de cordas.
Uma maneira simplificada de imaginá-lo é pensar em dois objetos ligados por uma corda elástica. Quanto mais eles são afastados, maior é a energia armazenada na ligação.
Em determinado momento, há energia suficiente para produzir novas partículas. A relação é possível porque massa e energia são equivalentes, como descreve a famosa equação de Einstein, E=mc².
Em vez de terminar com dois quarks isolados, portanto, o sistema produz novos pares de partículas.
Um fenômeno normalmente associado a condições extremas
O comportamento é descrito pela cromodinâmica quântica, teoria que explica a interação forte responsável, entre outras coisas, por manter os quarks confinados.
Na prática, estudar diretamente fenômenos desse tipo pode exigir energias enormes.
Um dos locais capazes de produzir condições semelhantes é o Grande Colisor de Hádrons (LHC), do CERN. O acelerador possui cerca de 27 quilômetros de circunferência e fica na região da fronteira entre França e Suíça.
Ao provocar colisões de núcleos pesados em energias extremamente altas, cientistas conseguem criar por períodos minúsculos um plasma de quarks e glúons.
Esse estado da matéria reproduz algumas características das condições existentes pouco depois do Big Bang.
A equipe de Duke seguiu outro caminho: em vez de tentar reproduzir toda a energia envolvida no fenômeno, construiu um sistema quântico capaz de obedecer a equações semelhantes.
Apenas 13 íons e lasers extremamente precisos
O experimento utilizou uma cadeia de 13 íons de itérbio-171 presos e controlados por lasers.
Os pesquisadores ajustaram cuidadosamente as interações entre esses íons para que o sistema imitasse o comportamento de cargas conectadas por uma corda.
Cada íon funciona de maneira semelhante a um pequeno ímã, cujo estado quântico pode representar elementos como cargas e ligações.
A cadeia física utilizada no equipamento continha 15 íons. Dois deles, localizados nas extremidades, ajudavam a manter o sistema preso, mas não participavam diretamente da simulação.
O modelo também era muito mais simples do que a cromodinâmica quântica completa.
Os cientistas trabalharam com uma teoria de gauge com apenas uma dimensão espacial e uma temporal, conhecida como 1+1. O Universo real, naturalmente, possui três dimensões espaciais.
Essa simplificação permite preservar características importantes, como o confinamento, enquanto mantém o problema dentro das capacidades dos computadores quânticos atuais.
Os cientistas observaram algo inesperado
Depois de preparar o sistema fora de seu estado de equilíbrio, os pesquisadores acompanharam sua evolução.
Foi então que observaram o surgimento das cargas efetivas e conseguiram reconstruir a dinâmica da quebra da corda.
Os resultados foram comparados com uma simulação realizada em um computador convencional, que reproduziu o comportamento observado no equipamento quântico.
Mas um detalhe chamou atenção.
A criação espontânea de pares de partículas costuma ser associada ao chamado mecanismo de Schwinger. Nesse cenário, pares podem surgir distribuídos pelo sistema, com uma taxa altamente dependente das características do campo.
No experimento, aconteceu algo diferente.
Os pares de cargas surgiram de maneira sistemática nas extremidades da corda, próximos às cargas fixas. Depois, avançaram para o interior quando a tensão se tornou suficientemente elevada.
Além disso, o tempo necessário para o processo apresentou pouca variação quando determinados parâmetros foram modificados.
Os pesquisadores interpretam o resultado como uma possível rota diferente para a quebra das cordas.
Isso não significa, porém, que o mecanismo de Schwinger esteja errado. Segundo os autores, ele pode dominar em escalas de tempo maiores do que aquelas que o experimento conseguiu observar.
Google e QuEra também reproduziram o fenômeno
O experimento da Duke não aconteceu isoladamente.
Outros dois grupos conseguiram simular fenômenos semelhantes utilizando tecnologias diferentes.
Uma equipe liderada pelo Google trabalhou com uma rede bidimensional de qubits superconductores. Os pesquisadores observaram a dinâmica das cargas e das cordas em uma teoria com duas dimensões espaciais e identificaram condições de ressonância que favorecem a quebra.
Outro grupo, envolvendo pesquisadores da QuEra Computing, Universidade de Innsbruck e Harvard, utilizou dezenas de átomos neutros de rubídio organizados em uma geometria conhecida como kagome, formada por triângulos e hexágonos interligados.
Também nesse caso foi possível observar a quebra das cordas e fenômenos de ressonância envolvendo muitas partículas.
A principal diferença é que os experimentos do Google e da QuEra trabalharam com duas dimensões espaciais, enquanto o sistema da Duke utilizou apenas uma.
Simulações podem ajudar a investigar o Universo primordial
Por enquanto, o experimento com 13 íons ainda é pequeno o suficiente para ser reproduzido por computadores convencionais. Isso permitiu aos pesquisadores verificar se os resultados obtidos pelo simulador quântico estavam corretos.
O objetivo, porém, é aumentar progressivamente a complexidade desses sistemas.
À medida que o número de partículas cresce, a quantidade de cálculos necessários pode se tornar grande demais até mesmo para os supercomputadores mais poderosos.
É justamente nesse cenário que os simuladores e computadores quânticos podem se tornar especialmente úteis.
No futuro, essas máquinas poderiam ajudar a estudar sistemas de partículas fora do equilíbrio e investigar processos relacionados à evolução da matéria depois do Big Bang.
Ainda existem limitações importantes. O experimento reproduz apenas uma versão bastante simplificada da força nuclear forte. Modelos com três dimensões espaciais e simetrias mais próximas das existentes na natureza continuam além das capacidades das plataformas atuais.
Também não está claro se o mecanismo observado nas extremidades da “corda” desempenhou algum papel no Universo primordial.
Mesmo assim, conseguir observar esse comportamento em apenas 13 íons mostra como simuladores quânticos relativamente pequenos já podem reproduzir fenômenos associados a algumas das condições mais extremas conhecidas pela física.
[ Fonte: La Brújula Verde ]
