Cientistas registram a primeira evidência de que partículas do vácuo quântico podem se tornar matéria

Pesquisadores do Laboratório Nacional de Brookhaven, em Nova York, registraram a primeira evidência experimental de que partículas virtuais, que habitam o vácuo quântico, podem se transformar em matéria real e detectável. O estudo, publicado na revista Nature pela equipe STAR, comprova a existência de flutuações no espaço vazio, que a física teórica já descrevia como preenchido por partículas que surgem e desaparecem rapidamente.

Para obter essa "impressão" direta do vácuo, os cientistas utilizaram o acelerador RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), colidindo prótons em alta energia. Entre os milhões de partículas resultantes, a equipe identificou pares de matéria e antimatéria — especificamente hiperões lambda e antilambda — que apresentavam seus espins, ou rotações quânticas, perfeitamente alinhados.

Esse alinhamento de 100% ocorre quando os lambda e antilambda surgem próximos, funcionando como uma assinatura dos pares virtuais de quarks e antiquarks originários do vácuo. O quark é a unidade fundamental da matéria visível e, por não existir isoladamente, agrupa-se para formar partículas maiores, como nêutrons e prótons. No caso do experimento, os quarks estranhos virtuais do vácuo deram origem aos hiperões, que mantiveram a orientação de espins dos "gêmeos" quânticos.

O fenômeno é fundamentado na Cromodinâmica Quântica (QCD), teoria que explica a força de união dos quarks. Segundo a QCD, o vácuo é composto por perturbações energéticas efêmeras que normalmente se aniquilam instantaneamente. Contudo, a energia massiva das colisões no RHIC permitiu que esses pares se transformassem em partículas com massa mensurável. Como os hiperões lambda se desintegram rapidamente, a equipe inferiu a direção de seu spin através do próton emitido durante a desintegração, eliminando sinais falsos em milhões de colisões.

A descoberta oferece um novo caminho para investigar por que os quarks ficam confinados em prótons, nêutrons e hiperões, além de buscar a origem da massa dessas partículas. Zhoudunming Tu, físico do STAR e co-diretor do estudo, destaca que o trabalho abre uma janela para a compreensão de como a matéria visível se forma e suas propriedades fundamentais.

Apesar do avanço, Alessandro Bacchetta, pesquisador da Universidade de Pavia, observa que a complexidade de reconstruir eventos de colisões exige que outras possibilidades de origem do sinal sejam exaustivamente descartadas para que o resultado seja definitivo.

Como etapa seguinte, a equipe do STAR pretende aplicar a técnica no Electron-Ion Collider (EIC), novo acelerador em construção em Brookhaven. O objetivo é utilizar pares de quarks virtuais como sensores em diferentes núcleos atômicos para analisar a evolução da matéria em ambientes complexos.

Além do impacto na física fundamental, a compreensão da transição entre os estados quântico e clássico da matéria pode influenciar o desenvolvimento de sensores e computadores quânticos de próxima geração, já que a base física desse processo é a mesma aplicada ao estudo dos hiperões.