Prêmio Nobel é atribuído à pesquisa quântica

O francês Serge Haroche e o americano David Wineland ganharam nesta terça-feira o prêmio Nobel de Física, segundo anunciou a Academia Real das Ciências da Suécia.

© Nobelprize.org (gato de Schrödinger)

Uma questão central na física quântica é a transição entre o mundo quântico e clássico. Esta questão é ilustrada de uma maneira popular, pelo chamado paradoxo do gato de Schrödinger. Este nome refere-se a um experimento proposto por Schrödinger em 1935, destacando a dificuldade em aplicar os conceitos da mecânica quântica para a vida cotidiana.

Os dois cientistas foram agraciados pelo trabalho na avaliação e manipulação de partículas individuais preservando sua natureza quântica, através de revolucionários métodos experimentais que permitem avaliar e manipular sistemas quãnticos individuais.

Estas pesquisas possibilitará construir um sistema de computadores mais rápido do que o atual por meio da física quântica. Há, ainda, a expectativa de que as pesquisas de Haroche e Wineland permitam analisar, controlar e até contar as partículas quânticas.

As primeiras pesquisas utilizando física quântica também levaram à possibilidade de criação de relógios extremamente precisos, estabelecendo um novo padrão, marcando o tempo com precisão cem vezes maior do que os relógios atuais de Césio.

Este ano, o Prêmio Nobel de Física honra as invenções e descobertas experimentais que permitiram a medição e controle de sistemas quânticos individuais. Eles pertencem a duas tecnologias distintas, porém relacionadas: íons em uma armadilha harmônica e fótons em uma cavidade.
Existem várias semelhanças interessantes entre os dois. Em ambos os casos, os estados quânticos são observados por meio de sistemas de dois níveis acoplados a um oscilador harmônico quantizado, um problema descrito pelo assim chamado Hamiltoniano Jaynes-Cummings. O sistema de dois níveis é constituído por um íon (com dois níveis acoplados por meio de luz laser) ou um átomo altamente excitado (com dois níveis de Rydberg acoplados por meio de um campo de microondas). O oscilador harmónico quantizado descreve o movimento dos íons na armadilha ou o campo de microondas no interior da cavidade.

© CNRS e NIST (Serge Haroche e David Wineland)

Haroche nasceu em 1944 em Casablanca (Marrocos) e atualmente é catedrático de Física Quântica no Colégio da França e na Escola Normal Superior, ambos em Paris. Enquanto, o americano Wineland também nasceu em 1944 e trabalha no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) de Boulder (Colorado, EUA).

Os vencedores deste prêmio, dotado com 8 milhões de coroas suecas (cerca de R$ 2,5 milhões), é 20% menos que no ano passado.

A premiação do Nobel de Físisca será realizada, de acordo com a tradição, em Estocolmo no dia 10 de dezembro, coincidindo com o aniversário da morte de Alfred Nobel.

Fonte: Royal Swedish Academy of Sciences

Violando a simetria da inversão temporal

Prevista há meio século, a assimetria da inversão temporal na física de partículas só agora foi claramente demonstrada.

© SLAC (detector BaBar)

As interações fracas de partículas elementares têm sido conhecida por serem assimétricas sob CP, a operação combinada de P paridade e de conjugação de carga C, a substituição de partículas por suas antipartículas. Mas a invariância absoluta sob CPT, a combinação de CP com reversão do tempo T, é um teorema alicerce do modelo padrão da teoria de partículas. Por isso, prevê que as interações fracas deve violar a invariância T para compensar a violação de CP. Mas só agora tem a primeira evidência clara e direta da violação de T. Durante uma década, até seu encerramento em 2008, o PEPII colisor elétron-pósitron no SLAC National Accelerator Laboratory, operado pela Universidade de Stanford, foram produzidos 200 milhões de pares de mésons B neutros em estados quânticos emaranhados de tal forma que o modo de decaimento de um méson B instantaneamente fixa o estado de seu parceiro, talvez um milímetro de distância. Carregando o pesado quark bottom, o méson B é cerca de cinco vezes a massa do próton, e que vive um mísero picosegundo. A equipe que utilizou o detector do colisor BaBar já explorou o emaranhamento para determinar que as taxas de transição entre os autoestados do méson B dependem da direção temporal de uma forma que só pode ser atribuída à violação da simetria de T. O sinal da violação de T corresponde a uma significância de 14 desvios padrão (σ), e a sua amplitude é consistente com a preservação da simetria CPT.

Fonte: Physics Today

Revelada imagem dos níveis de Landau

Físicos observaram diretamente os níveis de Landau pela primeira vez desde que foram teoricamente concebidos por Lev Davidovich Landau em 1930, laureado com o Prêmio Nobel em 1962.

© U. Warwick (nível de Landau obtido experimentalmente)

Os níveis de Landau são os níveis quânticos que determinam o comportamento dos elétrons em um forte campo magnético.

Utilizando espectroscopia de tunelamento, os cientistas da Universidade de Warwick e da Universidade Tohoku revelaram a estrutura em forma de anel interna desses níveis de Landau na superfície de um semicondutor. O desafio experimental era ter resolução espacial suficiente, a fim de superar a desordem intrínseca do material em que normalmente só permite a observação de estados esparsos. As imagens mostram claramente que Landau estava certo quando previu que, em um sistema limpo, os elétrons assumiriam a forma de anéis concêntricos, o número aumenta de acordo com seu nível de energia.
Este comportamento simples de contagem constitui a base do chamado efeito Hall quântico. Embora originalmente de interesse fundamental na maior parte, o efeito, nos últimos anos tem sido utilizado para definir o padrão para o que se entende por resistência elétrica e pode assim ser utilizado para definir o quilograma também. O professor Rudolf Roemer, do Departamento de Física da Universidade de Warwick, disse: "Este é um passo importante para nós, que estamos realmente vendo pela primeira vez funções de onda individuais da mecânica quântica de elétrons em materiais reais".

No entanto, a questão sobre o que define um quilograma está sendo debatido, com o espaçamento entre os anéis destes níveis de Landau agindo como uma espécie de marcador para um peso universal. Então da próxima vez que você medir o açúcar para fazer um bolo, você pode, sem saber, estar fazendo uso desses anéis quânticos!

A pesquisa foi publicado na revista Physical Review Letters.

Fonte: Phys.Org

Lei de Planck violada em nanoescala

Em uma nova experiência, uma fibra de sílica com 500 nm através de ter sido demonstrado que não obedecem à lei de Planck da radiação.

© Christian Wuttke (esquema do experimento)

Em vez disso, dizem os físicos austríacos Christian Wuttke e Arno Rauschenbeutel que realizaram o trabalho, a fibra aquece e resfria de acordo com uma teoria mais geral, que considera a radiação térmica como um fenômeno fundamentalmente granel. O trabalho pode levar a mais eficientes lâmpadas incandescentes e poderia melhorar a nossa compreensão da mudança climática da Terra, afirmam os pesquisadores.
A pedra angular da termodinâmica, a lei de Planck descreve como a densidade de energia em comprimentos de onda diferentes da radiação electromagnética emitida por um "corpo negro" varia de acordo com a temperatura do corpo. Foi formulado pelo físico alemão Max Planck, no início do século 20 utilizando o conceito de quantização de energia que foi de ir e servir como base para a mecânica quântica. Enquanto um corpo negro é um objeto, idealizada perfeitamente emitindo e absorvendo, a lei prevê previsões muito precisas para os espectros de radiação de objetos reais uma vez aquelas propriedades dos objetos de superfície, tais como cor e rugosidade, são levados em conta.
No entanto, os físicos já sabiam há décadas que a lei não se aplica a objetos com dimensões menores que o comprimento de onda da radiação térmica. Planck assumido que toda a radiação atingindo um corpo negro será absorvida na superfície do referido corpo, o que implica que a superfície é também um emissor perfeito. Mas, se o objeto não é grossa o suficiente, a radiação pode sair do outro lado do objeto em vez de ser absorvido, o que por sua vez reduz sua emissão.

Através da medição do tempo entre ressonâncias, os investigadores descobriram que a fibra ser de aquecimento e arrefecimento muito mais lentamente do que o previsto pela lei de Stefan-Boltzmann. Esta lei é uma conseqüência da lei de Planck e define como a potência total irradiada por um objeto está relacionada com a sua temperatura. Em vez disso, eles encontraram a taxa observada para ser um jogo muito próximo do previsto pela teoria conhecida como fluctuational eletrodinâmica, que leva em conta não apenas as propriedades de um corpo de superfície, mas também o seu tamanho e forma mais seu comprimento de absorção característica.

A pesquisa também pode melhorar a compreensão de como pequenas partículas na atmosfera, tais como os produzidos pela erosão do solo, a combustão ou erupções vulcânicas, contribuem para as alterações climáticas. Tais partículas pode esfriar a Terra, refletindo a radiação solar, ou aquecer a Terra, absorvendo a radiação térmica do nosso planeta, devido aos gases do efeito estufa.

Fonte: Physics World

Criado novo elemento químico

Cientistas do Japão afirmam ter conseguido criar em laboratório o elemento químico de número atômico 113 (ou seja, que tem 113 prótons no seu núcleo).

© RNC (decaimento do elemento 113)

Segundo o artigo, os pesquisadores do RIKEN Nishina Center for Accelerator-based Science (RNC) identificaram o 113 indiretamente, através de seis decaimentos alfa (ou seja, emitiu cinco partículas alfa, equivalentes ao núcleo do átomo de Hélio).

O novo elemento é considerado superpesado, ou seja, não é encontrado naturalmente na natureza e só pode ser feito em laboratório através de reatores nucleares ou aceleradores de partículas. Até agora, somente os Estados Unidos, Rússia e Alemanha haviam descoberto elementos superpesados.

Em 12 de agosto, os pesquisadores japoneses colocaram íons de zinco para viajar a 10% da velocidade da luz. Estes colidiram com uma fina camada de bismuto e o resultado foram íons muito pesados que foram seguidos por uma cadeia de diversos decaimentos alfa consecutivos. Foram estes que foram identificados como produto do 113° elemento.

Este feito colocam os pesquisadores do Japão no páreo pela paternidade do elemento 113, já que em 2004 e 2005 pesquisadores dos Estados Unidos e Rússia já tinham afirmado ter feito a descoberta, contudo estes observaram apenas quatro vezes a emissão de partículas alfa. Acontece que o 113 ao decair duas vezes vira dúbnio e o decaimento deste em laurêncio é bem conhecido pelos cientistas, e serve para provar a existência do novo elemento.

Curiosamente, é muito fácil achar tabelas periódicas com o elemento 113 descoberto em 2004. Contudo, a União Internacional de Química e Pura e Aplicada (IUPAC) não reconheceu o feito, como pode ser observado na tabela periódica.

Os cientistas japoneses afirmam que foram nove anos de procura por dados para provar a descoberta do 113. A próxima meta deles é encontrar um elemento ainda mais pesado, de número atômico 119.

Fonte: Journal of Physical Society of Japan

Congelamento de monopolos magnéticos

Os monopolos magnéticos são entidades onde o pólo norte e sul magnéticos estão separados, e não deveriam existir.

© Discovery (monopolo magnético)

Se você tentar dividir um ímã de barra no meio, tudo que você conseguirá são dois ímãs, cada um com um pólo norte e sul. Em anos recentes, no entanto, a existência de monopolos, pelo menos sob a forma de "quasipartículas" consistindo de excitações coletivas entre muitos átomos, foi prevista e demonstrada em laboratório. Agora Stephen Powell, um cientista do Joint Quantum Institute (JQI) e da Universidade de Maryland, tem aguçado o quadro teórico em que os monopolos podem operar. Os fluxos estáveis ​​de monopolos magnéticos são aparentemente impossíveis, mas as correntes transitórias têm sido demonstradas, e se poderia imaginar a criação de uma corrente alternada, o equivalente magnético da eletricidade, chamada de “magnetricidade”, que pode ser explorada para a concepção de novos tipos de alta densidade de armazenamento de dados. As leis do eletromagnetismo preveem uma simetria muito grande entre forças elétricas e magnéticas. Esta igualdade não se estende, no entanto, as cargas magnéticas. As cargas elétricas isoladas, sob a forma de elétrons, são evidentemente muito comuns. Estas cargas são atraídas ou repelidas mutuamente, com uma força inversamente proporcional ao quadrado da distância entre as cargas. Uma carga positiva e uma carga negativa pode se juntar para formar um dipolo elétrico neutro. A situação no magnetismo parece diferente: dipolos sim, monopolos não. Mas novas idéias e novas experiências mudaram o pensamento convencional. Primeiro, as experiências com os elétrons frios fluindo em uma superfície bidimensional pode, sob a ação de poderosos campos magnéticos, serem estimulados a se moverem em órbitas circulares. Estas órbitas, por sua vez parecem interagir na produção de "quasipartículas" que têm uma carga igual a uma fracção da carga do elétron convencional. Este é o efeito Hall quântico fracionário.

Poderia haver um análogo de dipolos magnéticos? Poderia as circunstâncias permitem a existência dos pólos magnéticos isolados?

As experiências recentes e na Alemanha e na França apontam para esta possibilidade, o denominado "gelo de spin", um material sólido feito de elementos do disprósio (Dy), titânio (Ti), oxigênio (O). O bloco básico de construção destes materiais é um par de agrupamentos tetraédricos, constituído tipicamente de dois átomos de Dy (cada um dos quais atua como um ímã diminuto) apontando para fora de cada tetraedro e dois apontando para dentro. Isto é análogo ao da orientação de átomos de hidrogênio em gelo de água, daí o nome de "gelo de spin".

© Stephen Powell (representação do gelo de spin)

Normalmente todos os pólos magnéticos devem ser confinados dentro de dois pólos distintos, o dipolo magnético tradicional. No entanto, a uma temperatura suficientemente baixa, cerca de 5 K (kelvin), os átomos tentam se alinharem entre si, mas não podem por causa da geometria inerente do material conduzindo a um estado desordenado com flutuações fortes, sincronizados. Os pólos magnéticos separados podem se formar no meio deste tumulto, ou seja, as "quasipartículas" no gelo de spin com uma rede de "carga" magnética podem existir e se movimentarem. Um gás de cargas elétricas é chamado de "plasma", e a nuvem tênue análoga de cargas magnéticas é chamada de  "plasma monopolo."

Esta nova pesquisa explora o que acontece quando as flutuações são congeladas, por exemplo, em temperaturas ainda mais frias, ou em um elevado campo magnético. Mostra também como os monopolos estão confinados em dipolos magneticamente neutros novamente. Este estudo é o primeiro a prescrever a transição de fase a partir da fase de monopolo (também chamada de fase de Coulomb) para a fase de pólo confinado.

Fonte: Physical Review Letters

Medindo o formato de um fóton

Pesquisadores conseguiram pela primeira vez medir o complexo "formato" de um fóton, as assim chamadas "partículas" individuais da luz.

© M. Bellini/NIO (ilustração do formato de um fóton)

O feito teve a participação da brasileira Katiuscia Nadyne Cassemiro, professora da Universidade Federal de Pernambuco.

Em termos estritos, um fóton não é uma partícula e nem exatamente uma onda, ele é uma excitação de um campo eletromagnético.

E, como tal, a medição de sua forma promete ajudar a criar novas formas de criptografar informações.

Os pesquisadores desenvolveram uma técnica para refinar as medições de uma série de fótons individuais que estão em estados idênticos, mas arbitrários.

Isso expande também as possibilidades de usar os complicados "estados internos da luz" para transmitir dados.

Um pulso de luz tem uma grande gama de formatos possíveis, uma vez que sua forma é definida pelas amplitudes e fases de seus componentes de frequência.

Assim, é possível codificar informações no formato do fóton e transmiti-lo de um lugar para outro.

E a liberdade é tão grande que um único fóton pode não apenas representar qualquer letra do alfabeto, como até mesmo conter uma combinação quântica, uma superposição de várias letras.

O experimento agora realizado tem a ver com a leitura desse fóton, quando ele chega ao destino, o que é necessário para retirar dele a informação que ele carrega.

A técnica consiste em misturar o fóton a ser medido com um pulso de laser, permitindo que o fóton e o pulso interfiram mutuamente, reforçando ou cancelando um ao outro, dependendo do seu formato; quanto mais parecidos, maior é a probabilidade de detectar o formato preciso do fóton.

A equipe otimizou o método repetindo a mixagem várias vezes, com fótons idênticos, e redesenhando periodicamente o pulso de laser com base nas medições anteriores.

Finalmente, eles demonstraram que a técnica permite a recuperação de informações intencionalmente codificadas nos complexos estados de um fóton individual.

Fonte: Physical Review Letters

Novo transístor altera estado da matéria

Logo depois do surgimento do promissor transístor a vácuo, agora acaba de ser inventado um novo tipo de transístor que permite realizar mudanças no estado da matéria usando correntes elétricas.

© RIKEN (esquema do transístor de Mott)

Cientistas do laboratório RIKEN, no Japão, criaram um componente que usa a acumulação eletrostática de cargas sobre a superfície de um material para desencadear uma alteração do seu estado físico.

O material muda completamente, passando de isolante para metálico. E não se trata apenas de uma transição de estados eletrônicos, o material sofre uma mudança em sua estrutura cristalina.

O novo componente já era previsto teoricamente e vinha sendo buscado avidamente pelos cientistas pelo seu potencial de dar maior velocidade e diminuir o consumo de energia dos circuitos eletrônicos.

Ele é chamado de transístor de Mott porque se baseia em um material chamado isolador de Mott, em homenagem ao físico britânico Neville Mott, um tipo de material que pode passar de condutor elétrico a isolante mediante um rearranjo de seus elétrons.

Inúmeros pesquisadores tentaram construir esses transistores inovadores antes, mas nunca ninguém havia conseguido produzir as correntes necessárias para forçar a transição de fase do isolante de Mott.

Masaki Nakano e seus colegas resolveram o problema adicionando uma gota de líquido iônico sobre o isolante de Mott, utilizaram dióxido de vanádio.

Quando uma pequena tensão foi aplicada ao líquido iônico, isto gerou um enorme campo elétrico na superfície do isolante de Mott, induzindo-o a mudar de estado. A transição de fase não aconteceu apenas na superfície do material, mas em todo o seu volume, literalmente transformando todo o bloco de dióxido de vanádio de isolante em metálico e vice-versa.

Embora esse fenômeno de mudança de fase não seja totalmente compreendido, os pesquisadores japoneses descobriram que não se trata apenas de uma mudança de fase eletrônica.

Usando radiação síncrotron, eles verificaram que o dióxido de vanádio sofre uma mudança na sua estrutura cristalina, passando de uma rede monoclínica para uma tetragonal.

O funcionamento de um transistor pode ser entendido como uma chave, na qual a tensão aplicada a um dos seus eletrodos controla o nível de corrente que flui pelos outros dois eletrodos; a aplicação da tensão naquele primeiro eletrodo liga e desliga a corrente que passa pelos outros dois.

A eficiência do transístor é medida pela comparação entre a corrente que ele deixa passar no estado ligado e a corrente que flui indesejadamente no estado desligado.

Um transístor de mudança de fase pode ser muito mais eficiente do que os transístores atuais, nos quais ocorre apenas uma alteração momentânea na resistência elétrica do material semicondutor, na medida que ele será melhor na fase de condução elétrica por ser um metal, e mais radical na fase de retenção da corrente, por ser um isolante.

Essa descoberta, e a imediata exploração do efeito em um transístor, leva o componente eletrônico sexagenário a uma nova fase da vida, com um horizonte de aplicações ainda mais amplo, além do aumento da eficiência nas aplicações já conhecidas.

E, se o efeito pode ser usado para mudar a fase de um material de isolante para metálico, a descoberta abre novas possibilidades de controlar o estado da matéria de outros materiais.

Fonte: Nature

Nova singularidade do espaço-tempo

A teoria da relatividade geral de Einstein estabelece que corpos de grande massa curvam o tecido do espaço-tempo, sendo essa curvatura um efeito que conhecemos como força da gravidade.

© NASA/Hubble (supernova SN 1987A)

Isso significa que Einstein considerava que o tecido do espaço-tempo é originalmente plano em um dado local.

Os pesquisadores Moritz Reintjes e Zeke Vogler (Universidade de Michigan) e Blake Temple (Universidade da Califórnia, em Davis) propõem que há uma outra forma de criar ondulações no tecido do espaço-tempo.

Eles demonstraram que o espaço-tempo não pode ser localmente plano em um ponto onde duas ondas de choque colidem. Isto representa um novo tipo de singularidade na relatividade geral.

O núcleo de um buraco negro é uma singularidade, onde a curvatura do espaço-tempo atinge valores extremos.

De forma mais geral, uma singularidade é um pedaço do espaço-tempo que não pode parecer plano em nenhum sistema de coordenadas.

Segundo a relatividade geral, a gravidade é tão forte perto de uma singularidade que o espaço-tempo se distorce.

Uma onda de choque pode criar uma descontinuidade, uma mudança abrupta, na pressão e na densidade do tecido do espaço-tempo, criando um ressalto em sua curvatura.

Mas, desde os anos 1960, os físicos calculam que uma única onda de choque não é suficiente para descartar a natureza plana do espaço-tempo em um determinado local.

O que os pesquisadores demonstraram agora é que isso pode acontecer quando duas ondas de choque colidem.

O cruzamento das ondas de choque cria um novo tipo de singularidade, que eles chamaram de singularidade de regularidade.

É possível que ondas de choque que passem pelo interior de estrelas possam criar suas singularidades regulares. Os astrofísicos irão começar a procurar por tais sinais.

Fonte: Proceedings of the Royal Society A

Descoberto novo tipo de ligação química

Foi descoberto um novo tipo de ligação química que é mantida por campos magnéticos extremamente fortes.

© Physics World (campos magnéticos em estrela de nêutrons)

A reação não poderia ocorrer nas condições naturais da Terra, ela apenas ocorre nas proximidades de estrelas de nêutrons ou anãs brancas.

Na Terra, os átomos se ligam por ligações covalentes, ou ligações de hidrogênio, quando eles compartilham elétrons, ou por ligações iônicas, quando a atração eletrostática faz com que íons de cargas opostas se juntem.

No novo tipo de ligação, que Kai Lange e seus colegas da Universidade de Oslo, na Noruega, chamaram de ligação paramagnética, é o magnetismo que mantém os átomos coesos.

Os campos magnéticos presentes naturalmente na Terra mal perturbam as forças eletromagnéticas que ligam os átomos em moléculas.

Mas nas anãs brancas, estrelas no fim de suas vidas, extremamente densas, os campos magnéticos podem atingir 100.000 T (teslas). As estrelas de nêutrons, por sua vez, podem gerar campos magnéticos de 10.000.000 T.

Por comparação, o maior campo magnético gerado na Terra é de 100,75 T.

Na atração magnética extrema, através de simulação em computador, os átomos podem se juntar magneticamente, por meio da interação entre os spins de seus elétrons.

Nessas condições, átomos como o pouco reativo hélio, podem se juntar em pares. O mesmo ocorre com o hidrogênio. Os cientistas não fizeram cálculos para átomos mais complexos.

Aqui na Terra, as ligações químicas normalmente emparelham elétrons com spins opostos. Mas, nessas estrelas supercompactas, o campo magnético intenso interage com o spin dos elétrons, fazendo-os funcionar como pequenos ímãs.

Com isto, os spins dos dois elétrons se alinham com o campo magnético, forçando um deles a se mover para uma posição conhecida como orbital de anti-ligação.

Como elétrons em orbitais de anti-ligação são "proibidos" nos dois tipos de ligação química conhecidos, covalente e iônica, os cientistas afirmam ter descoberto um novo tipo de ligação química, que foi denominada de "ligação paramagnética perpendicular".

Assim, os cálculos demonstram a existência de uma química exótica no espaço, o que pode ajudar a explicar estranhos comportamentos detectados nas condições extremas do Universo.

Fonte: Science

Existência do bóson de Higgs fica mais evidente

Cientistas veem fortes indícios da existência de uma partícula inédita, o bóson de Higgs, única partícula prevista pela teoria vigente da física que ainda não tinha sido detectada em laboratórios, e que vinha sendo perseguida ao longo das últimas décadas.

© AFP (representação gráfica de colisão de prótons realizada no LHC)

Pela teoria, o bóson de Higgs teria dado origem à massa de todas as outras partículas. Se sua existência for confirmada, portanto, é um passo importante da ciência na compreensão da origem do Universo. Se ele não existisse, a teoria vigente deixaria de fazer sentido, e seria preciso elaborar novos modelos para substituí-la.

Apesar do grande impacto na física teórica, a descoberta ainda não representa um avanço direcionado a nenhum campo específico da tecnologia.

O bóson de Higgs ganhou o apelido de “partícula de Deus” em 1993, depois que o físico Leon Lederman, ganhador do Nobel de 1988, publicou o livro “The God Particle” (literalmente “a partícula de Deus”, em inglês), voltado a explicar toda a teoria em volta do bóson de Higgs para o público leigo. Ainda não há edição desse livro em português.

A nova partícula tem características consistentes com o bóson de Higgs, mas os físicos ainda não afirmam com certeza sua existência. Para isso, eles vão coletar novos dados para observar se a partícula se comporta com as características esperadas do bóson de Higgs.

O anúncio foi feito em Genebra, na Suíça, sede do Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (CERN). As conclusões foram baseadas em dados obtidos no Grande Colisor de Hádrons (LHC), acelerador de partículas construído pelo CERN ao longo de 27 quilômetros debaixo da terra, na fronteira entre a França e a Suíça.

Essa máquina, considerada a mais poderosa do mundo, foi construída especificamente para estudos de física de partículas, e a descoberta desta quarta é a mais importante que já foi feita lá até o momento.

A descoberta foi confirmada por especialistas do CMS e do Atlas, dois grupos de pesquisa independentes que fazem uso do LHC. Apesar de usarem o mesmo acelerador de partículas, as duas colaborações científicas trabalham com detectores diferentes e seus resultados são paralelos. Os resultados antecipados ainda serão publicados em revistas científicas.

Os cientistas medem a massa das partículas como se fosse energia. Isso porque toda massa tem uma equivalência em energia. Se você calcula uma, tem o valor das duas. A unidade de medida usada é o gigaelétron-volt, ou "GeV".

O CMS observou um novo bóson com a massa de 125,3 GeV (entre 124,7 e 125,9 GeV) com margem de erro de 0,6 GeV para mais ou para menos com 4,9 sigmas de significância. Este valor representa uma chance menor que um em 1 milhão de que os resultados sejam mera coincidência. Por isso, os cientistas consideram esse número como uma confirmação da descoberta.

Paralelamente, o grupo Atlas afirmou que exclui a inexistência de uma partícula com a massa de 126,5 GeV, com a probabilidade de 5 sigmas. A pequena diferença entre os números dos dois grupos não é considerada tão significativa pelos físicos.

Em 2011, pesquisadores dos dois grupos de pesquisa do CERN já haviam idenficado a presença de um bóson, cuja a massa estaria entre 115 GeV e 130 GeV.

Na última segunda, pesquisadores norte-americanos também tinham encontrado evidência relevante da existência da partícula, em experiências com um acelerador Tevatron.

Um dos motivos pelos quais é tão difícil detectar o bóson de Higgs é a sua instabilidade. Essa partícula dura muito pouco tempo e rapidamente decai em outras.

Tanto o CMS quanto Atlas concentraram seus esforços em duas partículas específicas: os fótons, que é como a luz se manifesta, e os bósons Z, que medeiam a chamada força fraca. O resultado foi suficiente para identificar a existência de uma partícula inédita, mas não para caracterizá-la em detalhes.

Para confirmar se o bóson descoberto é mesmo o bóson de Higgs será necessário estudar a fundo os decaimentos. O Modelo Padrão – conjunto de teorias mais aceito para explicar as interações da natureza e as partículas fundamentais que constituem a matéria – prevê o decaimento do bóson de Higgs em diferentes partículas, cada uma em determinada quantidade.

O próximo passo dos cientistas é testar os vários decaimentos decorrentes dessa partícula. Se os resultados continuarem sendo coerentes com o Modelo Padrão, será confirmado que ela é mesmo o bóson de Higgs.

Caso haja divergências, pode ser que explicações teóricas alternativas sejam adotadas. Já existe uma, chamada de supersimetria, que faz adendos ao Modelo Padrão e prevê a existência de vários bósons de Higgs com pequenas divergências entre si. Será que a existência de dois valores de energias diferentes obtidos pelo CMS e Atlas significaria a existência de dois bósons distintos?

Enquanto estas experiências não mostrarem resultados, é impossível afirmar qual dos modelos se adéqua melhor à natureza.

Fonte: CERN e G1

A imagem da sombra de um átomo

O físico Erik Streed e seus colegas da Universidade de Griffith, na Austrália, usaram uma técnica para tirar uma foto inédita da sombra de um átomo.

 

© Nature (sombra de um átomo de itérbio)

Eles alcançaram o limite extremo da microscopia, pois não possível ver nada menor do que um átomo usando luz visível. A intenção dos pesquisadores era investigar quantos átomos são necessários para gerar uma sombra e provaram que basta apenas um.

Primeiro, um átomo de itérbio foi confinado no interior de uma câmera de vácuo, devidamente aprisionado por campos magnéticos.

No âmago do experimento está um microscópio de resolução extremamente alta, capaz de tornar a sombra escura o suficiente para que possa ser captada. A seguir o átomo é exposto a uma frequência específica da luz, produzindo a sombra em um anteparo, sombra esta que é então coletada por um sensor digital.

Se a frequência da luz que foi projetada sobre o átomo for alterada em apenas uma parte em um bilhão, a imagem não pode mais ser vista.

O Dr. Erik Streed afirma que, além de permitir um melhor entendimento da física atômica, seu experimento poderá ajudar a explorar a computação quântica.

Os benefícios também são óbvios para a biomicroscopia, sobretudo pelas informações sobre a quantidade de luz que cada átomo deve absorver a fim de criar uma sombra.

"Nós podemos agora prever quanta luz é necessária para observar processos no interior das células, sob condições ótimas de microscopia, sem ultrapassar os limites e matar a célula," disse Streed.

Fonte: Nature

Gerador piroelétrico

Um fenômeno observado pela primeira vez por um filósofo grego, há 2.300 anos, está se tornando a base para um novo dispositivo que pretende nada menos do que aproveitar o calor desperdiçado hoje.

© Nano Letters (nanofios de óxido de zinco)

Zhong Lin Wang e seus colegas da Universidade de Tecnologia da Geórgia, nos Estados Unidos, indagam que mais de 50% da energia gerada a cada ano vai para o lixo.

Em sua maior parte, ela é desperdiçada no ambiente na forma de calor, por computadores, carros, linhas de transmissão de longa distância, e uma infinidade de outros "vazamentos de energia".

Para tentar capturar esse calor, e reconvertê-lo em eletricidade, eles projetaram um gerador piroelétrico, que tem potencial para ser colocado ao lado dos dispositivos que aquecem quando funcionam, transformando esse calor em eletricidade.

O calor pode ser convertido em eletricidade aproveitando o chamado efeito piroelétrico, descrito pela primeira vez pelo filósofo grego Teofrasto, em 314 AC.

Teofrasto percebeu que a turmalina, quando aquecida, produzia eletricidade estática, atraindo pedaços de palha.

O aquecimento e o resfriamento rearranjam a estrutura molecular de certos materiais, incluindo a turmalina, criando um desequilíbrio de elétrons, gerando uma corrente elétrica.

A conversão termoelétrica geralmente é feita explorando o efeito Seebeck, mas os cientistas argumentam que o efeito piroelétrico é mais eficiente em ambientes onde a temperatura é espacialmente uniforme, sem gradientes térmicos.

Como provavelmente não seria economicamente viável usar a turmalina, os pesquisadores construíram seu gerador piroelétrico usando nanofios de óxido de zinco.

Fabricado com técnicas usadas pela indústria eletrônica, o gerador piroelétrico é pequeno, e produz correntes com potências na faixa dos microwatts.

Para demonstrar que todo o seu entusiasmo com a tecnologia pode ter um apelo prático, os pesquisadores terão antes que demonstrar a possibilidade de fabricar o gerador piroelétrico em uma estrutura flexível, que possa ser colada nos equipamentos que desperdiçam calor.

Por enquanto, o dispositivo pode se enquadrar como um nanogerador, capaz de realizar acúmulo de energia.

Fonte: Nano Letters

Nêutrons viajam entre universos paralelos?

Um estranho fenômeno da física pode ser explicado por nêutrons que oscilam entre nosso Universo e outro paralelo.

© Marti/Fotolia (nêutrons espelho)

Experimentos em temperatura extremamente baixa feitos por Anatoly Serebrov no instituto francês Laue-Langevin revelaram que os nêutrons desapareciam por curtos períodos. Agora, uma teoria tenta explicar o fenômeno.

Os físicos teóricos Zurab Berezhiani e Fabrizio Nesti, na Universidade de L'Áquila (Itália) reanalisaram os dados experimentais. Eles mostram que o desaparecimento parece depender da direção e da força do campo magnético aplicado.

Os pesquisadores criaram a hipótese de que os nêutrons oscilam entre os dois universos com seus "nêutrons espelho". Cada uma dessas partículas teria a capacidade de fazer uma transição para esse seu gêmeo invisível, e voltar, oscilando de um mundo para o outro.

E os físicos acreditam que outras partículas, como próton e elétron, também teriam suas irmãs espelho - mas apenas as neutras conseguiriam oscilar entre universos. Estas não seriam afetadas pelas forças forte e fraca do nosso Universo (responsáveis pela união do átomo), mas teriam suas próprias relações de força forte e fraca.

A hipótese de viagem entre universos paralelos coincidiria com a relação entre o desaparecimento temporário e o campo magnético e também com o que já foi descoberto sobre o fenômeno. Os cientistas afirmam que essa oscilação, contudo, dura apenas alguns segundos.

A hipótese afirma ainda que a Terra é cercada por um campo magnético formado quando o planeta captura partículas espelho que flutuam pela galáxia como matéria escura. Ou seja, a hipótese ainda explicaria que a matéria escura seria resultado da oscilação das partículas espelho vindas de galáxia paralela à nossa. Esta interpretação é sujeita à condição de que a Terra possui um campo magnético espelho da ordem de 0,1 Gauss.

Os pesquisadores afirmam que, caso seja sustentada por mais estudos, essa hipótese explicaria várias dúvidas da física, como a própria natureza da matéria escura.

Este resultado, se confirmado por futuros experimentos, terá as mais profundas consequências para a física de partículas, astrofísica e cosmologia.

Fonte: European Physical Journal C

Nova forma de geração de raios X

Cientistas conseguiram pela primeira vez fazer uma espécie de alquimia das luzes.

© U. Colorado (pulso de raio X com o maior espectro de cores)

Tenio Popmintchev, liderando uma equipe dos EUA, Áustria e Espanha, descobriu como converter um raio de luz infravermelha em um feixe altamente coerente de raios X e em uma multiplicidade de outros comprimentos de onda.

Em vez dos enormes aceleradores atuais, o novo equipamento gera raios X de alta pureza em um equipamento portátil, gerando "harmônicos de luz" num cristal e numa câmara de gás sob alta pressão.

A técnica de manipulação das ondas de luz, chamada HHG (high-harmonic generation), alcança uma geração de harmônicos muito maior do que num instrumento musical.

Cada fóton de raio X foi produzido por mais de 5.000 fótons infravermelhos gerando uma enegia de 1,6 keV (kiloelétron-volt), é como tocar uma nota 5.000 oitavas acima!

Os elétrons são seletivamente excitados e relaxados pela luz infravermelha, que emerge do outro lado como um feixe de raios X de altíssima qualidade e precisão. Ou seja, a luz infravermelha faz os átomos emitirem raios X.

A técnica conseguiu produzir pulsos de raios X de 2,5 attossegundos de duração, na fronteira do menor tempo já medido pelo homem.

Isto representa uma nova forma de geração de raios X, uma tecnologia cada vez mais importante para o estudo de materiais em nível atômico, assim como para a análise de fenômenos que ocorrem em escala temporais muito curtas, como as reações químicas.

A técnica é muito versátil: ela pode gerar feixes de luz coerentes e altamente direcionais, similares a um laser, do ultravioleta aos raios X, e toda a faixa de frequência entre os dois. Ou seja, um verdadeiro arco-íris de alta energia.

"Esta é a fonte de luz coerente de maior banda espectral já produzida," afirmou Henry Kapteyn, membro da equipe. "Ela definitivamente abre possibilidades para estudarmos as mais curtas escalas de tempo e espaço relevantes para qualquer processo em nosso mundo natural".

O avanço agora obtido fundamenta-se em desenvolvimentos anteriores do grupo, quando eles desenvolveram um laser na faixa do ultravioleta extremo e um feixe de luz ultravioleta mais preciso do que um laser.

Fonte: Science