Uma equipe internacional de pesquisa, liderada por Marcus Sperling, pesquisador da Faculdade de Física da Universidade de Viena, despertou o interesse da comunidade científica com resultados pioneiros em física quântica. Em seu estudo recente, os pesquisadores reinterpretam o mecanismo de Higgs, que confere massa às partículas elementares e desencadeia transições de fase, usando o conceito de “aljavas magnéticas”. O trabalho foi publicado na revista “Physical Review Letters”.
A base da pesquisa de Marcus Sperling, situada na interseção entre física e matemática, é a Teoria de Campos Quânticos (QFT) — um conceito físico-matemático dentro da física quântica focado em descrever partículas e suas interações no nível subatômico. Desde 2018, ele e seus colegas desenvolveram as chamadas “aljavas magnéticas” — uma ferramenta gráfica que resume todas as informações necessárias para definir uma QFT, exibindo assim interações complexas entre campos de partículas ou outras quantidades físicas de forma clara e intuitiva. Uma aljava consiste em setas e nós direcionados. As setas representam os campos quânticos (campos de matéria), enquanto os nós representam as interações — como forte, fraca ou eletromagnética — entre os campos.
A direção das setas indica como os campos são carregados sob as interações, por exemplo, qual carga elétrica as partículas carregam. Marcus Sperling explica: “O termo ‘magnético’ também é usado metaforicamente aqui para apontar para as propriedades quânticas inesperadas que são reveladas 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 nas QFTs que podem não ser óbvias à primeira vista.” Assim, elas oferecem uma maneira prática de visualizar e analisar fenômenos quânticos complexos, facilitando novas percepções sobre os mecanismos subjacentes do mundo quântico.
Para o estudo atual, os estados fundamentais estáveis (vácuos) — a configuração de menor energia na qual não há partículas ou excitações presentes — em uma variedade de “QFTs supersimétricas” foram explorados. Elas, com sua simetria espaço-temporal simplificada, servem como um 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 da nossa compreensão da física. Somente após entendermos as QFTs em nosso ambiente de laboratório podemos aplicar esses conhecimentos a modelos mais realistas.” O conceito de aljavas magnéticas — um dos principais tópicos de pesquisa do projeto START — foi usado como uma ferramenta para fornecer uma descrição geométrica precisa dos novos vácuos quânticos.
Com cálculos baseados em álgebra linear, a equipe de pesquisa demonstrou que — análogo à radioatividade em núcleos atômicos — uma aljava magnética pode decair para um estado mais estável ou se dividir em duas aljavas separadas. Essas transformações oferecem uma nova compreensão do mecanismo de Higgs em QFTs, que podem decair em QFTs mais simples ou se dividir em QFTs separadas e independentes. O físico afirmou: “O mecanismo de Higgs explica como as partículas elementares adquirem sua massa ao interagir 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 pela água.” Uma partícula sem massa geralmente se move à velocidade da luz.
No entanto, quando interage com o campo de Higgs, ela “gruda” nesse campo e se torna mais lenta, resultando na manifestação de sua massa. O mecanismo de Higgs é, portanto, um conceito crucial para entender os blocos de construção fundamentais e as forças do universo. Matematicamente, o algoritmo de “decaimento e fissão” é baseado nos princípios da álgebra linear e em uma definição clara de estabilidade. Ele opera de forma autônoma e não requer entradas externas. Os resultados obtidos através de métodos inspirados na física são relevantes não apenas na física, mas também na pesquisa matemática: oferecem uma descrição fundamental e universalmente válida das estruturas complexas e interligadas dos vácuos quânticos, representando um avanço significativo na matemática.