Durante décadas, a física quântica previu a criação espontânea de partículas a partir de um espaço aparentemente vazio – um conceito conhecido como partículas virtuais. Agora, pela primeira vez, os cientistas do Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) traçaram a evolução destas partículas “algo do nada”, confirmando a sua existência e comportamento numa experiência inovadora. As descobertas, publicadas na Nature, fornecem evidências diretas de partículas originadas do vácuo quântico e lançam luz sobre questões fundamentais sobre a massa e a natureza da realidade.
O vácuo quântico: não tão vazio
O universo, no seu nível mais básico, não está cheio de nada. Em vez disso, a teoria quântica sugere um “vácuo” inquieto repleto de partículas virtuais que aparecem e desaparecem devido à incerteza inerente à mecânica quântica. Estas partículas não duram muito, pois o princípio da incerteza de Heisenberg determina que a energia e o tempo não podem ser conhecidos com precisão. Isso permite que as partículas e suas contrapartes de antimatéria “peguem emprestada” brevemente a energia do vácuo, existindo por momentos fugazes antes de serem aniquiladas.
Tradicionalmente, os efeitos destas partículas têm sido indiretos – observados através da sua influência sobre outros fenómenos. Mas os investigadores do RHIC observaram agora o processo diretamente.
Colisões e emaranhados: tornando o invisível real
No RHIC, os físicos colidem prótons quase à velocidade da luz, criando condições de energia extrema. Essas colisões fornecem o “empurrão” necessário para que as partículas virtuais se tornem reais. Quando um par de partículas virtuais surge neste ambiente de alta energia, ele pode aproveitar a energia da colisão para se estabilizar e persistir.
A experiência centrou-se em pares de quarks “estranhos” – partículas fundamentais que, quando criadas, combinam-se rapidamente com outras para formar hiperões lambda. Esses hiperons têm vida curta, decaindo quase instantaneamente em partículas detectáveis. Ao rastrear os produtos de decaimento, os físicos foram capazes de deduzir a direção do spin dos hiperons lambda originais e, crucialmente, o spin correlacionado dos seus quarks estranhos constituintes.
A principal observação foi que esses quarks exibiam consistentemente spins paralelos. Este alinhamento sugere que eles se originaram como um par emaranhado do vácuo quântico, mantendo sua conexão mesmo quando se separaram após a colisão.
Confirmando uma previsão de longa data
As descobertas validam uma previsão teórica de 30 anos feita pelo físico Dmitri Kharzeev e colegas. “É emocionante ver que a natureza segue esta previsão”, afirmou Kharzeev, destacando a importância da confirmação experimental para ideias teóricas de longa data.
A capacidade de observar este processo abre novos caminhos para a compreensão de um dos maiores mistérios da física nuclear: a origem da massa do próton. Os quarks dentro dos prótons representam apenas uma pequena fração de sua massa total; acredita-se que os 99% restantes venham de interações com partículas virtuais no vácuo. Ao traçar a viagem das partículas virtuais às reais, os cientistas esperam desvendar como esta massa é gerada.
Fim de uma era, alvorecer de novas pesquisas
O RHIC deve concluir sua operação de 25 anos esta semana, com partes da máquina reaproveitadas para o próximo Colisor de Íons-Elétrons. Esta nova instalação promete desenvolver estas descobertas, explorando ainda mais a dinâmica oculta do vácuo quântico e os blocos de construção fundamentais da matéria.
A observação direta de partículas emergindo do nada representa um grande passo em frente na nossa compreensão do universo, preenchendo a lacuna entre a teoria e a experiência no domínio da física quântica. As implicações desta investigação continuarão a revelar-se à medida que os cientistas ultrapassam os limites do que sabemos sobre a natureza da realidade.
