Um conceito simples de decaimento e fissão de “aljavas magnéticas” ajuda a esclarecer a física quântica complexa e as estruturas matemáticas.
Uma equipe de pesquisa internacional em torno de Marcus Sperling, líder do projeto do prêmio START na Faculdade de Física da Universidade de Viena, despertou interesse na comunidade científica com resultados pioneiros em física quântica: em seu estudo atual, os pesquisadores reinterpretam o mecanismo de Higgs, que dá massa às partículas elementares e desencadeia transições de fase, usando o conceito de “aljavas magnéticas”. O trabalho foi agora publicado na prestigiada revista “Physical Review Letters.”
A base da pesquisa de Marcus Sperling, que está na intersecção da física e da matemática, é a Teoria Quântica de Campos (QFT) – um conceito físico-matemático dentro da física quântica focado na descrição de partículas e suas interações no nível subatômico. Desde 2018, ele desenvolve junto com colegas os chamados “quivers magnéticos” – uma ferramenta gráfica que resume todas as informações necessárias para definir um QFT, exibindo assim interações complexas entre campos de partículas ou outras grandezas físicas de forma clara e intuitiva.
Aljavas Magnéticas Metafóricas
Uma aljava consiste em setas direcionadas e nós. As setas representam os campos quânticos (campos de matéria), enquanto os nós representam as interações – por exemplo, fortes, fracas ou eletromagnéticas – entre os campos. A direção das setas indica como os campos são carregados nas interações, por exemplo, que carga elétrica as partículas carregam. Marcus Sperling explica: “O termo ‘magnético’ também é usado metaforicamente aqui para apontar para as propriedades quânticas inesperadas que se tornam visíveis por essas representações. Semelhante ao spin de um elétron, que pode ser detectado através de um campo magnético, as aljavas magnéticas revelam certas propriedades ou estruturas nos QFTs que podem não ser óbvias à primeira vista.” Assim, oferecem uma forma prática de visualizar e analisar fenómenos quânticos complexos, facilitando novos insights sobre os mecanismos subjacentes do mundo quântico.
QFTs supersimétricos
Para o presente estudo, foram explorados os estados fundamentais estáveis (vácuo) – a configuração de energia mais baixa na qual não há partículas ou excitações – em uma variedade de “QFTs supersimétricos”. Esses QFTs, com sua simetria espaço-temporal simplificada, servem como ambiente de laboratório, pois se assemelham a sistemas físicos reais de partículas subatômicas, mas possuem certas propriedades matemáticas que facilitam os cálculos. O vencedor do prêmio FWF START, Sperling, disse: “Nossa pesquisa trata dos fundamentos de nossa compreensão da física. Somente depois de compreendermos os QFTs em nosso ambiente de laboratório poderemos aplicar esses insights a modelos QFT mais realistas.” O conceito de aljavas magnéticas – um dos principais tópicos de pesquisa do projeto START de Sperling na Universidade de Viena – foi usado como ferramenta para fornecer uma descrição geométrica precisa do novo vácuo quântico.
Decadência e Fissão: Mecanismo de Higgs Reinterpretado
Com cálculos baseados em álgebra linear, os pesquisadores Antoine Bourget (Universidade Paris Saclay), Marcus Sperling e Zhenghao Zhong (Universidade de Oxford) demonstraram que – de forma análoga à radioatividade em núcleos atômicos – uma aljava magnética pode decair para um estado mais estável ou fissão em duas aljavas separadas. Essas transformações oferecem uma nova compreensão do mecanismo de Higgs em QFTs, que decai em QFTs mais simples ou se fissiona em QFTs separados e independentes. O físico Sperling afirmou: “O mecanismo de Higgs explica como as partículas elementares adquirem sua massa interagindo com o campo de Higgs, que permeia todo o universo. As partículas interagem com esse campo à medida que se movem pelo espaço – semelhante a um nadador se movendo na água.” Uma partícula sem massa geralmente se move à velocidade da luz. Porém, ao interagir com o campo de Higgs, ele “gruda” nesse campo e fica lento, levando à manifestação de sua massa. O mecanismo de Higgs é, portanto, um conceito crucial para a compreensão dos blocos de construção e forças fundamentais do universo. Matematicamente, o algoritmo de “decaimento e fissão” é baseado nos princípios da álgebra linear e em uma definição clara de estabilidade. Opera de forma autônoma e não requer entradas externas. Os resultados alcançados através de métodos inspirados na física não são relevantes apenas na física, mas também na pesquisa matemática: eles oferecem uma descrição fundamental e universalmente válida das estruturas complexas e entrelaçadas do vácuo quântico, representando um avanço significativo na matemática.
Publicação original:
Antoine Bourget, Marcus Sperling, Zhenghao Zhong: Decadência e Fissão de Aljavas Magnéticas. Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.221603
Foto:
Figura 1: O decaimento e a fissão das aljavas magnéticas fornecem insights sobre os fundamentos físicos e matemáticos das teorias quânticas de campos. Os QFTs são a estrutura para a descrição de inúmeros fenômenos físicos: desde partículas subatômicas até o universo. C: Pedro del Real
