Cientistas descobrem partícula “angelical” que é a sua própria anti-partícula

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

Desde 1937, no entanto, que os cientistas acreditam que há excepções a essa regra: certas partículas que são as suas próprias anti-partículas.

Agora, investigadores da Universidade de Stanford e da Universidade da Califórnia, ambas nos EUA, encontraram a primeira evidência forte desse tipo de partícula, que chamaram de “partícula anjo”. A pesquisa foi publicada na revista científica Science.

Férmions de Majorana

O físico Ettore Majorana foi o primeiro a realçar uma lacuna na família de partículas dos fermiões. Protões, electrões, neutrões, neutrinos e quarks são todos fermiões, e todos têm anti-partículas correspondentes. De acordo com os cálculos de Majorana, contudo, deve haver partículas que sejam as suas próprias anti-partículas.

Como não têm carga, neutrões e neutrinos mostraram-se os melhores candidatos a serem estes fermiões de Majorana. Mas desde então, já foram descobertos os anti-neutrões.  Há ainda há um grande ponto de interrogação sobre os neutrinos, mas a dificuldade das experiências científicas significa que uma resposta a esta questão ainda está a mais de uma década de distância.

Entretanto, a forma mais provável de encontrar fermiões de Majorana é estudando as ‘quasipartículas‘, ou quase-partículas. Como o nome sugere, não são partículas muito naturais, mas surgem do comportamento colectivo dos electrões.

As quasipartículas funcionam mais ou menos como bolhas numa bebida: as bolhas também surgem do “comportamento colectivo” dos produtos químicos na bebida e, embora não sejam objectos realmente independentes, possuem propriedades mensuráveis, como o tamanho, forma, etc.

A experiência

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

“A nossa equipa previu exactamente onde encontrar o fermião de Majorana e o que procurar”, explicou Shoucheng Zhang, autor principal do estudo, ao site da Universidade de Stanford. “Esta descoberta conclui uma das pesquisas mais intensivas em física fundamental, que durou exactamente 80 anos”.

Para que essas quasipartículas peculiares se manifestassem, a equipa cuidadosamente construiu sua “bebida” específica, composta de filmes finos de dois materiais quânticos.

O resultado final mostrou ser um isolador topológico supercondutor, que permitiu que os electrões se movessem rapidamente ao longo das bordas da superfície do material, mas não pelo meio. Adicionando uma pitada de material magnético à mistura, os electrões fluíram numa direcção ao longo de uma borda, e na direcção oposta ao longo da outra.

Bingo!

Os investigadores colocaram então um imã sobre o material, o que fez com que todos os electrões diminuíssem a velocidade, parassem e alternassem a direcção.

A inversão aconteceu num movimento brusco e escalonado. As quasipartículas começaram a emergir do material aos pares, viajando pelo mesmo caminho que os electrões, mas houve uma diferença fundamental: quando pararam e mudaram de direcção, fizeram-no exactamente no meio percurso que os electrões tinham feito.

Tal acontece porque cada quasipartícula é basicamente só metade de uma partícula, uma vez que quasipartícula de cada par é perdida ao longo do caminho – e esse fenómeno era exactamente a evidência que a equipa estava à procura.

Zhang propõe que a descoberta da equipa seja chamada de “partícula anjo”, por causa do livro de Dan Brown “Anjos e Demônios”, que descreve uma bomba criada pelo encontro da matéria com a antimatéria. A longo prazo, os fermiões de Majorana poderiam ter uma aplicação prática na segurança de computadores quânticos.

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