Cientistas criam partículas a partir do vácuo quântico pela primeira vez na história

O universo, quando observado pela lente fria da razão, parece um imenso deserto de silêncio e ausência, mas a física moderna revela que o vácuo é tudo menos vazio. Sob a superfície do nada, pulsa um oceano de energia invisível, onde pares de partículas virtuais emergem e desaparecem em um balé incessante, como respirações do próprio cosmos.

Agora, uma equipe de físicos do Departamento de Energia dos Estados Unidos, atuando no Laboratório Nacional de Brookhaven e na Universidade Stony Brook, conseguiu o impensável: transformar pares de quarks virtuais do vácuo em partículas reais. A conquista, publicada na revista Nature e descrita pelo físico Zhoudunming Tu, representa uma janela experimental inédita para compreender como a matéria se condensa a partir do nada quântico.

Segundo o estudo, as colisões de prótons realizadas no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) libertaram energia suficiente para perturbar o vácuo e materializar pares de quark-antiquark em entidades observáveis. Essas colisões, que atingiram 99,996% da velocidade da luz, criaram um ambiente tão extremo que o próprio tecido quântico do espaço foi excitado até gerar matéria.

O experimento concentrou-se em quarks estranhos e antiquarks estranhos, uma categoria exótica de partículas subatômicas que raramente se manifestam livres na natureza. De acordo com a teoria, esses pares emergem do vácuo com spins alinhados e, se esse alinhamento sobreviver ao caos da colisão, torna-se uma assinatura incontestável de sua origem quântica.

O processo de transição, conhecido como hadronização, marca o instante em que quarks libertos se recombinam para formar hádrons, como prótons e nêutrons que compõem a matéria comum. No estudo, muitos desses quarks deram origem a híperons lambda e anti-lambda — partículas neutras, efêmeras e valiosas para rastrear o comportamento do spin primordial.

Esses híperons vivem por apenas um décimo de bilionésimo de segundo, mas tempo suficiente para que o detector STAR do RHIC registre os fragmentos de sua decomposição. A análise desses fragmentos permite reconstruir o spin original, criando um mapa microscópico do que ocorreu dentro do vácuo quântico.

Com base em cerca de 600 milhões de eventos de colisão de prótons registrados em 2012, a equipe mediu correlações entre pares de híperons e anti-híperons. Descobriu que os pares de curta distância exibiam uma correlação de spin positiva de 0,388, com uma significância estatística de 4,4 desvios padrão, enquanto outros tipos de pares mostraram correlação nula.

Essa distinção foi decisiva, pois apenas os pares próximos se comportaram conforme o modelo baseado no vácuo previu. Suas rotações coerentes pareciam denunciar uma origem comum: pares quânticos de quark e antiquark libertos, ainda vibrando com a memória do nada de onde emergiram.

Os resultados foram comparados com simulações do modelo Monte Carlo PYTHIA 8.3 e com medições envolvendo mésons kaons, que não apresentaram correlação de spin. Essa ausência reforçou a autenticidade do fenômeno, afastando a hipótese de ruído experimental ou mera coincidência estatística.

Para os pesquisadores, o sinal medido constitui uma evidência robusta da existência de pares de quarks virtuais originários do condensado quiral — uma estrutura intrínseca ao vácuo da Cromodinâmica Quântica (QCD) associada à quebra espontânea da simetria quiral. Em outras palavras, o vácuo contém um condensado invisível de quarks e antiquarks que pode ser excitado em condições extremas de energia.

O achado também oferece um novo caminho para investigar o confinamento, o mecanismo que impede quarks de existirem isolados. É nesse regime não perturbativo da QCD que se escondem os segredos da massa e do spin das partículas que formam o universo visível, um território ainda em grande parte inexplorado.

Os cientistas observaram que a correlação de spin era mais intensa quando os híperons estavam próximos em ângulo e rapidez, enfraquecendo à medida que se afastavam. Essa perda de coerência pode refletir interações durante a hadronização ou a sobreposição de múltiplos pares de quarks formados simultaneamente.

Dentro das incertezas, os resultados de curta distância foram compatíveis com um modelo em que os pares originais de quarks estranhos estavam totalmente alinhados em spin. Já o modelo alternativo de Burkardt-Jaffe, que previa uma polarização mais fraca, foi descartado pelos dados obtidos no RHIC.

Tu e sua equipe afirmam que o experimento fornece um modelo inédito para explorar a interação entre confinamento e emaranhamento quântico. O vácuo, antes visto como um espaço inerte, revela-se agora um campo dinâmico e fértil, capaz de converter energia pura em matéria sob as condições adequadas.

Embora o estudo não resolva o mistério do confinamento, ele inaugura uma nova via experimental para sondar a estrutura profunda da realidade. Ao seguir o fio do spin desde o vácuo até as partículas finais, os físicos se aproximam de compreender como o universo fabrica a própria substância de que é feito.

As implicações práticas são vastas, indo desde o refinamento de cálculos de QCD em rede até o estudo de decoerência quântica, momento angular orbital e simetrias fundamentais. A pesquisa, conforme relatou o The Brighter Side of News, reforça a ideia de que a fronteira entre o nada e o ser é mais tênue — e mais viva — do que jamais imaginamos.