Partículas consideradas impossíveis pela física podem de fato existir

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/01/2025

Parapartículas são excitações coletivas de um sistema quântico que apresentam propriedades intermediárias entre bósons e férmions.
[Imagem: Gerado por IA/Gemini]

Nem bósons e nem férmions

Desde os primeiros dias da mecânica quântica, que completa 100 anos neste 2025, os cientistas acreditam que todas as partículas podem ser categorizadas em um de dois grupos - bósons ou férmions.

No entanto, Zhiyuan Wang e Kaden Hazzard, da Universidade Rice, nos EUA, acabam de demonstrar matematicamente que partículas que não são nem bósons e nem férmions podem de fato existir na natureza.

Os dois pesquisadores chamam essa nova família de "parapartículas". "Nós determinamos que novos tipos de partículas que nunca conhecemos antes são possíveis," reafirmou Hazzard.

Férmions e bósons são partículas que se diferenciam pelo modo como se comportam quando ficam próximas de outras partículas em um determinado estado quântico: Os bósons podem se reunir em números ilimitados, enquanto apenas um férmion pode existir em um determinado estado. Esse comportamento dos férmions é conhecido como princípio de exclusão de Pauli, que afirma que não mais do que dois elétrons (elétrons são férmions), cada um com spins opostos, podem ocupar o mesmo orbital em um átomo.

"Esse comportamento é responsável por toda a estrutura da tabela periódica. É também por isso que você não passa simplesmente através da sua cadeira quando se senta nela," explicou Hazzard.

Modelo de spin 2D em uma rede 7 × 7 com condições de contorno abertas, solucionável com exatidão.
[Imagem: Zhiyuan Wang et al. - 10.1038/s41586-024-08262-7]

Parapartículas

No início da formulação da teoria quântica, os físicos estudaram se poderiam existir outros tipos de partículas, chegando a formular, em 1953, uma teoria quântica concreta dessas parapartículas. No entanto, por volta dos anos 1970, modelos matemáticos estabeleceram que as parapartículas seriam apenas bósons ou férmions "disfarçados" - a única exceção foi a existência dos ânyons, um tipo exótico de partícula que existe apenas em duas dimensões.

Contudo, Hazzard e Wang defendem que as teorias matemáticas da década de 1970 e posteriores foram baseadas em suposições que nem sempre são verdadeiras nos sistemas físicos. Eles então usaram uma solução para a equação de Yang-Baxter, uma equação útil para descrever a troca de partículas, juntamente com a teoria de grupos e outras ferramentas matemáticas, para demonstrar que as parapartículas podem existir e serem totalmente compatíveis com as restrições conhecidas da física.

Os dois pesquisadores se concentraram nas chamadas "excitações", mais conhecidas como quasipartículas, em sistemas de matéria condensada, como ímãs, para fornecer um exemplo concreto de como parapartículas podem surgir na natureza. "Partículas não são apenas coisas fundamentais. Elas também são importantes na descrição dos materiais," disse Hazzard.

E, bem-vindas ao mundo real da mecânica quântica, as parapartículas parecem se comportar de maneiras bem exóticas.

As parapartículas podem ter propriedades exóticas, desafiando a classificação tradicional das partículas e criando estados da matéria hoje desconhecidos.
[Imagem: Gerado por IA/Gemini]

Propriedades exóticas

Usando ferramentas avançadas de matemática, como a álgebra de Lie, álgebra de Hopf e teoria da representação, bem como um método pictórico baseado em algo conhecido como diagramas de rede tensorial, Hazzard e Wang conseguiram realizar cálculos algébricos abstratos para desenvolver modelos de matéria condensada, sistemas físicos onde as parapartículas podem emergir.

Eles mostraram que, diferentemente dos férmions ou dos bósons, as parapartículas se comportam de maneiras estranhas quando trocam suas posições com os estados internos das partículas que se transmutam durante o processo.

São modelos ainda simples, mas que representam o primeiro passo para uma melhor compreensão de muitos novos fenômenos físicos que podem ocorrer em sistemas de parapartículas. Novos desenvolvimentos dessa teoria poderão guiar experimentos que possam detectar parapartículas nas excitações de sistemas de matéria condensada do mundo real. "Para realizar parapartículas em experimentos, precisamos de propostas teóricas mais realistas," reconheceu Wang.

Assim, falar em possíveis aplicações de partículas que nem sabemos ainda como detectar é prematuro e até bastante especulativo. Mas dá para imaginar que a descoberta de novas partículas elementares e novas propriedades da matéria possam resultar na criação de novos materiais com propriedades inusitadas, ou na computação quântica, incluindo a comunicação secreta de informações por meio da manipulação dos estados internos das partículas.

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