Restringir uma classe invulgar de partículas conhecida como anyões a uma única dimensão poderá forçá-las a assumir uma de duas novas formas, segundo sugerem modelos, apontando para possíveis interações fundamentais inéditas na física de partículas.
Num espaço tridimensional, as partículas dividem-se em dois grupos. Há os férmions, que normalmente descrevem partículas que não se sobrepõem entre si, como os eletrões e os quarks, e há os bosões, que descrevem partículas portadoras de força que conseguem atravessar-se mutuamente com facilidade.
"Todas as partículas no nosso Universo parecem encaixar rigidamente em duas categorias: bosónica ou fermiónica", afirma o físico Thomas Busch, do Okinawa Institute of Science and Technology (OIST), no Japão. "Porque não existem outras?"
Há meio século, físicos teóricos concluíram que as estatísticas por detrás destas regras não são assim tão simples quando se remove uma dimensão. O resultado é o 'anyão' – um terceiro grupo que não é nem bosão nem férmion e que surge em ambientes planos, bidimensionais.
Desde então, as provas experimentais da existência do anyão têm vindo a aumentar, com estudos laboratoriais a encontrar novas formas de restringir partículas como os eletrões para forçar o aparecimento deste terceiro grupo.
Agora, físicos do OIST e da Universidade de Oklahoma, nos EUA, estudaram-nos numa única dimensão, descobrindo um nível totalmente novo de complexidade no comportamento dos anyões.
"Identificámos não só a possibilidade de existência de anyões unidimensionais", diz Busch, "como também mostrámos de que forma as suas estatísticas de troca podem ser mapeadas e, de forma entusiasmante, como a sua natureza pode ser observada através da sua distribuição de momento."
As partículas não conseguem contornar-se umas às outras quando estão confinadas a um espaço 1D, o que as obriga a interagir. Como as interações entre partículas são uma parte essencial da sua classificação, os espaços unidimensionais dão aos cientistas uma oportunidade para analisar as suas características.
Uma das diferenças principais entre bosões e férmions é o quão 'sociais' são. Em termos muito simples, os bosões tendem a agrupar-se, enquanto os férmions não. No espaço extremamente limitado de uma dimensão, essa 'sociabilidade' torna-se ainda mais relevante.
No caso dos anyões, os investigadores argumentaram que estas interações forçadas permitem classificá-los em anyões de tipo bosónico e anyões de tipo fermiónico.
Identificaram também um fator nas interações dos anyões que controla até que ponto uma dada partícula é bosónica ou fermiónica. Além disso, a equipa mostrou como medir a distribuição dos momentos da partícula pode ser uma forma viável de detetar a sua 'impressão digital'.
"Tal como bosões e férmions, os anyões bosónicos e os anyões fermiónicos têm diferentes estatísticas de troca de partículas", escrevem os investigadores num dos artigos publicados.
Nesta fase, os resultados são teóricos e aguardam validação experimental. Ainda assim, mesmo apenas no plano teórico, estas conclusões reformulam a nossa forma fundamental de pensar sobre as partículas e as suas interações.
"Os sistemas experimentais necessários para fazer estas observações já existem", afirma Busch. "Estamos entusiasmados por ver que futuras descobertas serão feitas nesta área, e o que isso nos poderá revelar sobre a física fundamental do nosso Universo."
Há um impulso crescente na investigação que vai além da ideia binária de bosões e férmions, conhecida de forma mais geral como paraestatística. Embora nem todos concordem que haja muito mais por descobrir, alguma da matemática subjacente sugere que talvez ainda não tenhamos o quadro completo da física.
A investigação foi publicada na Physical Review A, aqui e aqui.
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