Recriação do Big Bang em colisões inéditas

Cientistas responsáveis pelo maior colisor de partículas do mundo, o LHC, conseguiram obter choques de prótons geradores de uma energia recorde de 7 TeV (tera ou trilhões de eletron volts), a energia máxima almejada pelo laboratório.

 

© CERN (feixe estável de prótons quando atingiu 3,5 TeV)

Seu objetivo é recriar condições similares do Big Bang, a grande explosão que teria dado origem ao Universo. Os impactos de hoje chegaram a três vezes o máximo obtido antes.

No fim de novembro, o equipamento já havia atingido a marca de 1,18 TeV, e posteriormente chegou a 2,36 TeV em 2009, e com isso já se tornando o acelerador de partículas de energia mais alta do mundo.

"Isto é física em ação, o início de uma nova era, com colisões de 7 TeV", disse Paola Catapano, cientista e porta-voz do Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (CERN), de Genebra, ao anunciar o experimento.

Os aplausos foram intensos nas salas de controle quando os detectores do Grande Colisor de Hadrons (LHC), instalado na fronteira entre França e Suíça, marcaram o choque de partículas subatômicas a uma velocidade próxima à da luz. O colisor possui um túnel oval de 27 quilômetros de comprimento e custou US$ 9,4 bilhões.

 

© CERN/Efe-Martial Trezzini (LHC, Grande Colisor de Hádrons)

"Estamos abrindo as portas à Nova Física, a um novo período de descobertas na história da humanidade", disse Rolf Dieter Heuer, diretor geral do CERN.

Cada colisão entre as partículas cria uma explosão que permite que milhares de cientistas vinculados ao projeto em todo o mundo rastreiem e analisem o que aconteceu um nanossegundo depois do hipotético Big Bang original, 13,7 bilhões de anos atrás.

O CERN reativou o LHC em novembro, depois de paralisá-lo nove dias depois do lançamento inicial, em setembro de 2008, quando a máquina se superaqueceu devido a problemas no cabo supercondutor que conecta dois ímãs de refrigeração.

 

© CERN/Maximilien Brice (dutos com ímãs restaurados)

Os cientistas esperam que a grande experiência lance luz sobre mistérios importantes do cosmos, como a origem das estrelas e dos planetas e o que exatamente é a matéria escura.

Os físicos estão se concentrando na identificação do bóson de Higgs, a partícula que recebeu o nome do professor escocês Peter Higgs, que três décadas sugeriu que algo como ela torna possível a conversão da matéria criada no Big Bang em massa.

Tentativas anteriores de encontrar a partícula fracassaram. Segundo os físicos, a presença dela no cosmos permitiu que os escombros gasosos após o Big Bang se transformassem em galáxias, com estrelas e planetas como a Terra.

Os cientistas do Cern também esperam encontrar evidência concreta da matéria escura, que acredita-se ser responsável por cerca de 25% do Universo. Apenas 5% do total do Universo representa material visível, que reflete a luz. Os pesquisadores, no decorrer dos estudos no LHC, também esperam encontrar prova real da existência da energia escura, que representa os cerca de 70% restantes do cosmos.

O desafio agora é repetir essas colisões com cada vez mais feixes de partículas e mantar os detectores coletando e armazenando dados, os quais serão analisados por dois anos, até a interrupção do funcionamento do acelerador pelo período de um ano.

Só depois, quando o LHC for revisado, os cientistas tentarão elevar a acelaração dos feixes de partículas a 14 TeV, a potência máxima que o colisor pode alcançar e que é ainda mais próxima da criação do Universo.

Fonte: CERN

Liga metálica superelástica

Uma liga metálica criada por japoneses bateu o recorde de elasticidade para esse tipo de material, atingindo uma combinação sem precedentes de flexibilidade e resistência.

O novo composto suporta deformações de até 15% em sua estrutura e depois é capaz de retomar à forma original. A invenção pode ganhar aplicações que vão desde prédios imunes a terremotos até aparatos médicos microscópicos.

© Universidade Tohoku (NCATB sob tensão vista no microscópio)

Ainda sem nome comercial, o material foi criado por físicos da Universidade Tohoku, em Sendai, no Japão. Para fazer o composto, usaram como base o ferro e o misturaram com níquel, cobalto, alumínio e tântalo, produzindo uma estrutura cristalina complexa.

O material obtido é quase duas vezes mais flexível que o nitinol, uma liga metálica de titânio e níquel que é a mais elástica até agora, além de ser um pouco mais forte.

As propriedades da nova liga, à qual os físicos se referem como tendo "memória de formato", estão descritos em estudo na revista Science.

Cientistas já especulam o que podem fazer com sua nova liga de ferro, batizada provisoriamente com a sigla NCATB. Uma aplicação quase certa será a produção de "stents", os tubos de armação de arame que cirurgiões usam para restaurar vasos sanguíneos flácidos e deteriorados.

 

© InCor – Instituto do Coração (stent)

"Hoje, os stents cardíacos são instalados com o uso de níquel-titânio, mas o diâmetro da armação é grande demais para entrar em vasos do cérebro", afirma Toshihiro Omori, um dos autores do estudo sobre o material. A solução para isso será a liga de ferro (NCATB).

O uso do material também é útil na construção civil. Quando um prédio fosse deformado por um terremoto, esta liga superelástica poderia devolvê-lo a sua forma normal.

Segundo os pesquisadores, a NCATB também possui propriedades magnéticas únicas para uma liga metálica superelástica, a que a torna candidata a uso em dispositivos especiais de geração de energia, como recarregadores de bateria que produzem eletricidade a partir do movimento do corpo.

Apesar de promissor, porém, o material ainda precisa superar "vários desafios técnicos e econômicos" antes de ser comercializado, diz Ji Ma, físico da Universidade A&M do Texas que comenta o estudo dos japoneses. "Felizmente, há mais maneiras de otimizar essa liga".

Fonte: Science

Stellarator, um reator de fusão nuclear

Num primeiro olhar, a impressão é que as partes que compõem o reator de pesquisa Wendelstein 7-X caíram do céu e se agruparam aleatoriamente, pois o aparelho não tem nada de simetria.

Entre os objetos estão numerosos anéis de metal, com dois metros de diâmetro, que aparentemente sofreram danos numa possível queda. Mas, na verdade, cada curvatura foi feita propositalmente, esculpida milimetricamente.

 

© Instituto Max Planck (anéis magnéticos do reator)

Lutz Wegener é o supervisor técnico do reator em construção. Ele é responsável pelos cerca de 800 procedimentos necessários até a finalização, em 2014, do maior reator de pesquisa da Alemanha.

O projeto visa recriar uma situação semelhante ao Sol e, assim, provar que a fusão nuclear pode criar uma fonte constante de energia.

E os anéis de metal têm um papel importante no conjunto. Cada bobina magnética produz um campo magnético e todas as bobinas magnéticas em conjunto criam um tubo magnético tridimensional, para manter o plasma de fusão no lugar.

O combustível para a fusão é o plasma, formado quando a mistura extremamente fina de gás hidrogênio é exposta à alta pressão e ao calor extremo. A subsequente fusão dos núcleos dos seus átomos libera partículas carregadas eletricamente.

O princípio da criação do plasma é simples: uma matéria é aquecida, passa do estado sólido ao líquido e, quando sofre mais aquecimento, o líquido se transforma em gás e, se é aquecida ainda mais, se transforma em plasma.

O processo envolve dois isótopos de hidrogênio combinados, o deutério e o trítio, que leva à criação do gás hélio e libera um nêutron livre. Ao contrário de nêutrons "normais", um nêutron livre tem uma carga e é essa energia que pode ser transformada em eletricidade.

© Instituto Max Planck (tokamak – formação de plasma)

A boa notícia sobre esse processo é que a matéria-prima é infinita. O deutério pode ser facilmente retirado da água e o trítio é produzido a partir do lítio.

A fusão nuclear de apenas um grama das duas substâncias gera a mesma quantidade de energia equivalente a 11 toneladas de carvão; e cumpre a missão sem emissões de dióxido de carbono, que é prejudicial a longo prazo e tem risco de explosão.

Há muitas armadilhas em potencial associadas ao esforço de recriar o Sol na forma de um reator, uma delas é a temperatura inimaginável de 100 milhões de graus Celsius.

A maior preocupação dos operadores, no entanto, é a possibilidade do plasma entrar em contato com a parede externa do reator durante a fusão, provocando, assim, a parada do processo.

Para impedir que isso aconteça, 70 bobinas magnéticas gigantes têm que criar uma gaiola magnética estável e, para isso, é necessário magnetos extremamente resistentes.

Com capacidade máxima, 100 toneladas de força magnética estarão concentradas numa estrutura de aço do tamanho de uma mão. Os magnetos são resfriados até 263 graus negativos com hélio líquido, viram supercondutores e permitem que eletricidade suficiente flua sem impedimento.

Essa é a única maneira de produzir eletricidade suficiente num espaço curto o bastante para obter o plasma aquecido a 100 milhões de graus Celsius.

© Instituto Max Planck (stellarator – fase de testes)

Esse tipo de reator é conhecido como stellarator e lida com a fusão tokamak, que são os reatores mais usados por físicos até o momento por serem mais fácil de construir.

Mas essa simplicidade tem seu lado negativo, diz Lutz Wegener. Reatores tokamak podem aquecer o plasma por 10 a 30 segundos. Até o mais avançado do tipo, que fica num instituto francês, é capaz de operar por curto espaço de tempo por vez.

O fato de o mundo ainda não contar com uma instalação capaz de realizar fusão desfavorece as pesquisas. E mesmo se o projeto de 430 milhões de euros não forneça nenhuma energia, ele provará se a fusão nuclear permanente é possível ou não.

Fonte: Instituto Max Planck

Além da tabela periódica

Um grande grupo internacional de cientistas diz ter recriado uma partícula que esteve presente na origem do Universo. É o núcleo de antimatéria mais pesado já visto. A teoria do Big Bang postula que, no surgimento do Universo, existiam quantidades iguais de matéria e antimatéria (matéria composta de partículas com cargas elétricas trocadas).

© Brookhaven National Laboratory - detector Star

Mas, de alguma forma, a matéria acabou predominando e formando quase tudo o que existe. Ainda bem: como matéria e antimatéria se aniquilam mutuamente, essa assimetria inicial foi fundamental para que o cosmo existisse. Hoje, os cientistas procuram as antipartículas, "derrotadas", para entender como isso aconteceu.
A estratégia é acelerar núcleos de átomos até velocidades próximas à da luz e colocá-los para se chocar. Essas colisões liberam grandes quantidades de energia e "quebram" os átomos em várias subpartículas.
Se a trombada for forte o suficiente, algumas dessas partículas serão de antimatéria. A má notícia é que elas duram frações mínimas de segundo, logo se desintegrando.
Ainda assim, é melhor do que nada, e os cientistas estão conseguindo, pouco a pouco, pedaços inéditos de antimatéria. É o caso da pesquisa apresentada na última edição da revista "Science", em que se produziu um antinúcleo de hidrogênio superpesado, composto de um antiquark chamado "estranho", visto pela primeira vez.
Os quarks são os elementos básicos dos nêutrons e dos prótons do núcleo dos átomos. O antiquark é um dos pedaços mais básicos de antimatéria. Até hoje, foram poucos os experimentos que conseguiram energia o suficiente para produzir átomos inteiros de antimatéria, já que antiprótons e antinêutrons se aniquilam antes de formarem um núcleo.
O grupo responsável pelo experimento envolve 584 cientistas em 12 países, incluindo brasileiros da USP e Unicamp.
"O jeito como fazemos experimentos em física nuclear e das partículas mudou dramaticamente. Hoje, são sempre centenas de colaboradores", diz Hans Georg Ritter, físico do Lawrence Berkeley National Laboratory, nos EUA.

 

© antipartícula do hélio e meson-π positivo 

Para produzir seu anti-hidrogênio com o quark "estranho", os cientistas fizeram núcleos de átomos de ouro se chocarem no Colisor de Íons Pesados (RHIC), em Long Island (EUA). O aparelho obtém energias comparáveis à do Big Bang, dissolvendo os núcleos.
"As colisões produzem muitos tipos de partículas e núcleos, e o tipo de antimatéria que procuramos é muito raro", diz Ritter.
Segundo ele, de 100 milhões de colisões, apenas 70 foram úteis para encontrar os antiquarks "estranhos". Um trabalho minucioso de análise computacional é necessário para detectar as colisões certas.

Fonte: Science

Novo modo de produzir eletricidade

Um grupo de pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), nos Estados Unidos, descobriu um fenômeno que faz com que ondas de energia sejam lançadas por nanotubos. Segundo eles, a novidade poderá levar a uma nova forma de produzir eletricidade.

© MIT – nanotubos de carbono

“O fenômeno das ondas de termoforça abre uma nova área na pesquisa de energia, o que é algo muito raro”, disse Michael Strano, professor de engenharia química do MIT e um dos autores do estudo, que foi publicado na revista Nature Materials.

Como um monte de detritos que são atirados por ondas em uma praia após terem viajado pelo oceano, a onda térmica – um pulso de calor – transportada por um fio microscópico pode levar consigo elétrons, criando uma corrente elétrica.

O ingrediente principal nessa mistura é o nanotubo de carbono, estrutura com medidas nos bilionésimos de metro em que os átomos estão dispostos como em uma cerca de arame enrolada.

No estudo, os nanotubos utilizados foram cobertos com uma camada de um combustível altamente reativo, capaz de produzir calor à medida que se decompunha.

O combustível foi inflamado em um lado do nanotubo por laser. O resultado foi uma onda térmica que se deslocou muito rapidamente pela dimensão do nanotubo de carbono.

Os cientistas verificaram que o calor do combustível foi passado para o nanotubo, onde se deslocou milhares de vezes mais rápido do que o próprio combustível. À medida que o calor retornou à camada de combustível, uma onda térmica foi criada e emitida pela dimensão do nanotubo.

Com uma temperatura de mais de 2.700º C, o anel de calor se moveu pelo nanatubo 10 mil vezes mais rápido do que o espalhamento normal da reação química. O calor produzido pela combustão, observaram os pesquisadores, também deslocou elétrons pelo tubo, criando uma corrente elétrica significativa.

Ondas de combustão, como o pulso de calor por um fio metálico, têm sido estudadas matematicamente há mais de 100 anos, mas o grupo do MIT é o primeiro a observar seu efeito em um nanotubo e verificar que a onda de calor pode transportar elétrons e produzir eletricidade.

Fonte: Nature

A maior temperatura atingida em laboratório

Cientistas atingiram a temperatura  de 4 trilhões de graus Celsius, a  mais alta da história em laboratório, quente o suficiente para desintegrar a matéria e transformá-la no tipo de sopa que existiu milionésimos de segundos depois do nascimento do Universo.

© Plasma quark-glúon

Eles usaram um acelerador de partículas gigante do Laboratório Nacional de Brookhaven, do Departamento de Energia dos Estados Unidos, em Nova York, para bater íons de ouro na produção de explosões ultra-quentes, que duraram apenas milésimos de segundos. Esse procedimento irá ajudar a elucidar por que e como o Universo foi formado.

"Essa temperatura é alta o suficiente para derreter prótons e nêutrons", disse Steven Vigdor, do Brookhaven, em uma entrevista coletiva num encontro da Sociedade Americana de Física, em Washington. Essas partículas formam átomos, mas elas próprias são formadas por componentes menores chamados quarks e glúons.

Os físicos buscam agora minúsculas irregularidades capazes de explicar por que a matéria acumulou nessa sopa quente primordial.

Eles também esperam usar seus achados em aplicações mais práticas, como no campo da "spintrônica", que tem como objetivo desenvolver peças de computador menores, mais rápidas e mais potentes.

Eles usaram o RHIC (Colisor Relativístico de Íons Pesados), um acelerador de partículas com 3,8 quilômetros de comprimento e que está a 4 metros abaixo do solo em Upton, em Nova York, para colidir íons de ouro bilhões de vezes.

© RHIC

"O RHIC foi projetado para criar matéria nas temperaturas encontradas inicialmente no Universo antigo", disse Vigdor. Eles calculam que a temperatura de 4 trilhões de graus se aproxima muito disso.

O centro do nosso Sol mantém-se a 15 milhões de graus, o ferro derrete a 1.800 graus e a temperatura média do Universo é atualmente de 2,7 graus acima do zero absoluto. O artigo será publicado na Physical Review Letters.

 Fonte: Brookhaven National Laboratory

Novo processo para fusão nuclear em plasma

Um experimento que reproduziu em laboratório as características dos campos magnéticos da Terra e de outros planetas pode abrir caminho para o desenvolvimento de novos processos de fusão nuclear, segundo um estudo publicado pela revista "Nature Physics".

Os pesquisadores do Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) e da Universidade de Columbia, em Nova York, utilizaram um ímã de meia tonelada, mantido em "levitação" por meio de outro ímã, para conseguir controlar o plasma (gás ionizado). O plasma, quarto estado da matéria está em toda parte no universo: em estrelas, nos ventos solares, na ionsfera, em raios. É constituído por partículas carregadas eletricamente: íons e elétrons.

© LDX (Levitated Dipole Experiment) 

No "Levitated Dipole Experiment" ("Experimento Dipolo Levitante"), realizado no MIT, o ímã supercondutor, resfriado a -269°C com hélio líquido, controlou os movimentos de um plasma aquecido, que estava em um compartimento adjacente.

A turbulência gerada produziu uma concentração mais densa de plasma, uma etapa crucial para fazer com que os átomos se fundam ao invés de aumentar sua dispersão, como ocorre normalmente.

Observado durante a interação de plasmas com os campos magnéticos da Terra ou de Júpiter, este tipo de concentração sob efeito de um campo magnético "jamais havia sido recriado em laboratório", afirmou o MIT.

Este enfoque "pode dar origem a uma via alternativa para a fusão nuclear", destacou Jay Kesner, do MIT, um dos coordenadores do projeto LDX junto com Michael Mauel, da Universidade de Columbia.

Fonte de resíduos radioativos, a fissão nuclear nas centrais utilizadas atualmente consiste em partir os núcleos dos átomos. Por outro lado, se passarem por um processo de fusão, é possível conseguir uma fonte de energia limpa.

Fonte: Nature Physics

Cientistas conseguem dar nó em feixe de luz

Uma equipe de físicos britânicos conseguiu dar vários nós em feixes de luz, em uma experiência inédita relatada em artigo na revista científica Nature Physics.

Segundo os especialistas, o feito foi possível graças à chamada "Teoria dos Nós", um ramo da matemática abstrata inspirado nos nós cotidianos, como os de cordas e sapatos.

 

© Nature Physics (vórtices ópticos em hologramas)

"Em um feixe, o fluxo de luz no espaço é semelhante ao das águas de um rio", explicou Mark Dennis, da Universidade de Bristol e principal autor do estudo. "Apesar de correr em uma linha reta, a luz também pode fluir em voltas e redemoinhos, formando linhas no espaço chamadas de vórtices ópticos. Ao longo desses vórtices, a intensidade da luz é zero. Toda a luz à nossa volta é cheia dessas linhas negras, apesar de não podermos vê-las", disse.

Os vórtices ópticos podem ser criados com hologramas que direcionam o fluxo de luz.

Neste estudo, a equipe desenhou hologramas usando a teoria dos nós. E com esses hologramas, conseguiram criar nós em vórtices ópticos.

Para os cientistas, a compreensão de como controlar a luz tem importantes implicações para a tecnologia a laser usada em vários campos, da medicina à indústria.

"O sofisticado desenho de hologramas necessário para a nossa experiência mostra um avançado controle óptico, o que pode sem dúvida vir a ser usado em futuros aparelhos a laser", disse Miles Padgett, da Universidade de Glasgow.

Fonte: BBC Brasil e Nature Physics

A máquina do Big Bang

O maior acelerador de partículas do mundo em atividade o LHC (Grande Colisor de Hádros), localizado no Centro Europeu de Investigação Nuclear (CERN), custou 3,76 bilhões de euros e deve permitir progressos sobre o conhecimento da matéria e a origem do Universo. O circuito mede nada menos que 27 km e está 100 metros sob a terra, em uma região da fronteira entre França e Suíça, passando pelo território dos dois países.

© LHC

Em 30 de novembro de 2009 bateu o recorde mundial com 1,18 TeV (trilhões de eletronvolts) superando o anterior de 0,98 TeV, alcançado pelo colisor Tevatron do Fermi National Accelerator Laboratory, nos Estados Unidos. Posteriormante, atingiu uma energia jamais vista de aceleração de feixes de prótons de 2,36 TeV, permitindo o choque de mais de um milhão de partículas. Este evento constitui um importante marco no caminho rumo à energia de até 7 TeV (3,5 TeV por feixe), preparando o acelerador para atingir a energia de  14 TeV.

Quando o acelerador operar em plena potência e as primeiras colisões de prótons a velocidade próxima a da luz for atingida, possibilitará recriar os instantes posteriores ao Big Bang, o que dará informações valiosas sobre a formação do Universo e confirmará ou não a teoria da física de partículas, baseada no Bóson de Higgs.

A existência dessa partícula, que deve seu nome ao cientista Peter Higgs que há 45 anos previu sua existência, considera-se indispensável para explicar por que as partículas elementares têm massa e por que as massas são tão diferentes entre elas.

© ATLAS

Outro experimento ousado será a criação de mini buracos negros produzidos nas colisões próton-próton, que serão detectados pelo ATLAS (A large Toroidal LHC ApparatuS). Estes mini buracos negros serão imediatamente deteriorados gerando outras partículas, este processo é conhecido como radiação Hawking, prevista pelo astrofísico inglês Stephen Hawking.

Fonte: CERN