Prêmio Nobel de Física: ondas gravitacionais

O Prêmio Nobel da Física de 2017 foi concedido hoje ao alemão Rainer Weiss e aos americanos Barry C. Barish e Kip S. Thorne pela criação, nos anos 1990, do Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), nos Estados Unidos, que permitiu a detecção de ondas gravitacionais pela primeira vez na História.

© Johan Jarnestad (detectando ondas gravitacionais)

Rainer Weiss nasceu em Berlim, na Alemanha, em 1932, ele é pesquisador do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), em Cambridge, nos Estados Unidos. Barry C. Barish nasceu em 1936, em Omaha, no estado americano de Nebraska, e atua no Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), em Pasadena. Kip S. Thorne nasceu em 1940, em Logan, no Utah, e também atua no Caltech.

Os cientistas laureados forneceram decisivas contribuições ao detector LIGO e à observação de ondas gravitacionais. As ondas gravitacionais foram previstas por Albert Einstein em sua Teoria Geral da Relatividade, publicada há cem anos, mas extremamente sutis, elas pareciam impossíveis de serem detectadas.

A observação das ondas gravitacionais no Universo só aconteceu no dia 14 de setembro de 2015, no LIGO. Naquela data, os cientistas finalmente detectaram as tênues vibrações emitidas por dois buracos negros que giram um ao redor do outro, a 1,3 bilhão de anos-luz da Terra. A descoberta foi divulgada no dia 11 de fevereiro de 2016. O sinal foi extremamente fraco quando chegou à Terra, mas já prometeu uma revolução na astrofísica. As ondas gravitacionais são uma maneira totalmente nova de observar os eventos mais violentos no espaço e testar os limites do nosso conhecimento.

Antes da façanha, os físicos sempre utilizaram o espectro eletromagnético para fazer suas descobertas. Mas o experimento provou que também é possível estudar o Universo a partir de outros tipos de ondas existentes. A partir dali, os cientistas se convenceram de que, se é possível detectar ondas gravitacionais, talvez seja possível descrever fenômenos que não emitem ondas eletromagnéticas suficientemente significativas para serem observadas.

A existência das ondas gravitacionais passou a ser concebida quando, no final dos anos 1950, estudos demonstraram que as ondas carregavam energia; e, por isso, poderiam ser mensuráveis.

Em 1970, os astrônomos Joseph Taylor e Russel Hulse mostraram que as estrelas giravam ao redor delas mesmas e, com isso, perdiam energia. Esta energia perdida seria uma indicação da existência das ondas gravitacionais. Por esse achado, Taylor e Hulse foram laureados com o Nobel de Física de 1993.

Entretanto, estas demonstrações eram indicações indiretas das ondas gravitacionais. A evidência direta do fenômeno só viria depois de um imenso esforço, uma vez que não seria fácil provocar alterações no espaço-tempo.

Em meados da década de 1970, Rainer Weiss já havia analisado possíveis fontes de ruído de fundo que perturbariam as medidas e também desenharam um detector, um interferômetro a laser, que superaria este ruído. No começo, tanto Kip S. Thorne quanto Rainer Weiss estavam firmemente convencidos de que as ondas gravitacionais podiam ser detectadas e provocavam uma revolução no nosso conhecimento do Universo.

"Antes nós víamos o Universo. Agora, nós começamos a ouvi-lo”, disse Thorne.

As ondas gravitacionais se espalham à velocidade da luz, preenchendo o Universo. Elas sempre são criadas quando uma massa acelera, como os rodopios de um patinador de gelo ou um par de buracos negros girando um em torno do outro. O físico Albert Einstein estava convencido de que nunca seria possível mensurá-las. A realização do projeto LIGO foi usar um par de interferômetros a laser gigantes para medir uma mudança milhares de vezes menor do que um núcleo atômico, quando a onda gravitacional passar pela Terra.

Apesar do importante papel dos três laureados na descoberta das ondas gravitacionais, as pesquisas tiveram participação de mais de mil cientistas de mais de vinte países, incluindo grupos brasileiros liderados por Odylio Aguilar, do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), e por Riccardo Sturani, do Centro Internacional de Física Teórica, da Universidade Estadual Paulista (Unesp).

O Instituto Karolinska anunciou em setembro um reajuste de 12% no valor dos prêmios Nobel, que permanecia o mesmo desde 2012: 8 milhões de coroas suecas, o equivalente a cerca de US$ 981 mil, ou R$ 3,1 milhões. Os vencedores de 2017 receberão 9 milhões de coroas, o que significa US$ 1,1 milhão, ou cerca de R$ 3,5 milhões.

Até agora, todos os tipos de radiação e partículas eletromagnéticas, como os raios cósmicos ou os neutrinos, foram utilizados para explorar o Universo. No entanto, as ondas gravitacionais são testemunho direto de interrupções no espaço-tempo. Isso é algo completamente novo e diferente, abrindo mundos invisíveis. Muitas descobertas prosperarão das ondas gravitacionais, propiciando interpretar suas mensagens.

Fonte: The Royal Swedish Academy of Sciences

Raios cósmicos têm origem extragaláctica

Pesquisadores participantes da colaboração Pierre Auger descobriram que, acima de um determinado nível de energia, estas partículas, que são as mais energéticas da natureza e atingem constantemente a atmosfera terrestre, têm origem extragaláctica.

© Pierre Auger (cascatas de partículas geradas por raios cósmicos)

A colaboração Pierre Auger, o maior observatório do mundo dedicado ao estudo e à detecção de raios cósmicos, está localizado na província de Mendoza, na Argentina. O observatório possui esta denominação em homenagem ao físico francês Pierre Auger (1899-1992).

“A chance de essa conclusão ser fruto do acaso é de dois em 100 milhões,” disse Carola Dobrigkeit Chinellato, professora do Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas (IFGW-Unicamp) e presidente da comissão brasileira no Observatório Pierre Auger.

A partir de dados registrados pelo Observatório entre janeiro de 2004 e agosto de 2016, os pesquisadores observaram que raios cósmicos ultraenergéticos, acima de 8 x 10¹⁸ eV (elétrons-volts) chegam em maior número à Terra vindos de um lado do céu.

Esta região no céu de onde vêm mais raios cósmicos ultraenergéticos coincide com a localização de grande parte das galáxias vizinhas da Via Láctea, em um raio de até 700 mil anos-luz.

Esta é uma forte evidência de que os raios cósmicos de altas energias vêm de fora da Via Láctea.

De acordo com os pesquisadores participantes da colaboração, a descoberta contribui não apenas para entender a origem destas partículas ultraenergéticas, como também os mecanismos cósmicos capazes de imprimir tamanha energia a estas diminutas entidades subatômicas, que podem viajar a distâncias de trilhões de quilômetros (anos-luz) através do espaço e chegar à Terra carregando energias extremas.

Núcleos atômicos leves como o do hidrogênio ou pesados como o do ferro, os raios cósmicos chegam à Terra vindos do espaço, a todo instante.

O fluxo destas partículas subatômicas para a Terra, contudo, diminui abruptamente conforme a energia aumenta. As de energia acima de 10¹⁸ eV, denominadas ultraenergéticas, como a que os pesquisadores detectaram agora, aparecem na Terra com uma frequência de 1 partícula por quilômetro quadrado (km²) por ano.

Por este motivo, a origem e os mecanismos cósmicos de produção destes raios cósmicos ultraenergéticos, conhecidos há mais de 50 anos, continuam sendo um mistério.

A fim de identificar indícios da origem destas partículas subatômicas de mais alta energia, os pesquisadores membros da colaboração Pierre Auger têm estudado a distribuição de suas direções de chegada à Terra.

Ao atingirem a atmosfera terrestre, a cerca de 10 km a 20 km de altitude, os raios cósmicos ultraenergéticos colidem com núcleos atômicos do ar, como de nitrogênio e oxigênio.

Estas colisões geram centenas ou milhares de outras partículas que seguem rumo ao solo, quase à velocidade da luz (de cerca de 300 mil km por segundo), na forma de cascatas de partículas, chamadas de “chuveiro atmosférico extenso”.

As partículas carregadas no chuveiro excitam as moléculas de nitrogênio no ar, produzindo uma tênue luz azul, que é captada por telescópios de fluorescência do Observatório Pierre Auger durante noites claras.

As partículas também são registradas por 1.660 detectores de superfície do observatório. Espalhados por uma área de 3 mil km², em uma região plana ao lado dos Andes, os detectores, que operam ininterruptamente, consistem em tanques de polietileno, preenchidos com 12 mil litros de água ultrapurificada e instrumentalizados com sensores fotomultiplicadores.

Quando as partículas de um chuveiro atmosférico atravessam a água no interior do tanque é emitida luz, chamada radiação Cherenkov, que pode ser medida nos sensores.

Com base na análise destes dois tipos de luz, entre outros dados, é possível extrair diversas informações sobre o raio cósmico (dito primário) que iniciou a cascata de partículas no alto da atmosfera.

Fonte: Science

Arapuca para detectar fótons

O Arapuca é um equipamento que está em análise e tem grande chance de ser adotado como um dos principais componentes do sistema de fotodetecção do Dune (Deep Underground Neutrino Experiment).

© Fermilab (ilustração da interação neutrino e antineutrino)

O Arapuca foi concebido para detecção de fótons pelos cientistas Ettore Segreto, professor do Instituto de Física Gleb Wataghin, da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e Ana Amélia Bergamini Machado, professora do Centro de Ciências Naturais e Físicas, da Universidade Federal do ABC (UFABC).

O Arapuca é uma espécie de armadilha para capturar a luz. Um dos desafios para o sistema de fotodetecção do Dune é que os tanques de argônio onde deverão ocorrer as cintilações são muito grandes e os sensores de luz disponíveis são muito pequenos. Em particular, os sensores de silício que serão utilizados têm uma superfície coletora da ordem de apenas 1 cm². A função do Arapuca é aumentar a área de coleta e aprisionar os fótons coletados dentro de uma caixa, para disponibilizá-los aos sensores.

A interação das partículas geradas pelos neutrinos com o argônio líquido dos grandes tanques produz luz com comprimento de onda de 128 nanômetros. Por meio de um filtro, o comprimento de onda é modificado para 350 nanômetros. Como a janela do Arapuca é transparente para este comprimento de onda, os fótons conseguem entrar. Porém, uma vez lá dentro, um segundo filtro é usado para fazer o comprimento de onda retornar aos 128 nanômetros. E os fótons não conseguem sair, porque a janela é opaca para este comprimento de onda. Aprisionados, eles ficam ricocheteando nas paredes altamente reflexivas da caixa, até serem captados pelos sensores colocados no interior.

Estes filtros, chamados genericamente de deslocadores de comprimento de onda, são constituídos por materiais orgânicos (hidrocarbonetos policíclicos aromáticos) que absorvem fótons em uma banda de frequências e os reemitem em outra. No caso, serão utilizados o para-terfenilo e o tetrafenil butadieno. O Arapuca já foi incorporado ao sistema de fotodetecção do ProtoDune, um protótipo em grande escala do Dune, que está sendo construído e deverá entrar em operação no CERN (European Organization for Nuclear Research) em outubro de 2018. Responsáveis pelo sistema de fotodetecção do ProtoDune, Segreto e Machado encontram-se atualmente no CERN.

A função do ProtoDune é testar todas as soluções tecnológicas que serão utilizadas posteriormente no Dune. O teste não será feito com neutrinos, mas com um feixe de partículas eletricamente carregadas, produzidas por um dos aceleradores do CERN, e apontadas para um detector com cerca de mil toneladas de argônio líquido. Já o Dune utilizará, no total, 70 mil toneladas de argônio líquido, 40 mil das quais comporão o tanque de detecção propriamente dito.

Resumidamente, o acelerador do Fermilab produzirá o mais poderoso feixe de neutrinos já estudado. Este feixe será detectado duas vezes: primeiro, bem perto da fonte, no próprio Fermilab, no estado de Illinois; depois, a 1.300 quilômetros da fonte, no estado de South Dakota.

O segundo detector é o gigante preenchido por 70 toneladas de argônio, mantido em estado líquido por uma refrigeração a –184 ºC. O que ele registrará serão os chuveiros de partículas e luz produzidos quando os neutrinos superenergéticos arrancarem de suas órbitas elétrons dos átomos de argônio. Um dos principais alvos do Dune é comparar, por meio das duas detecções, os padrões de oscilação dos neutrinos e dos antineutrinos. Se estes padrões não forem rigorosamente simétricos, isso fornecerá uma prova concreta da “violação de simetria de carga-paridade” (CPV).

A CPV é um ingrediente fundamental do chamado modelo padrão. E explica por que um Universo que, no início, possuía quantidades idênticas de matéria e antimatéria se transformou em um Universo no qual a matéria é amplamente predominante. Se a composição tivesse se mantido rigorosamente simétrica, matéria e antimatéria teriam se aniquilado. Mas, de acordo com o modelo, a violação de simetria gerou um pequeno excedente de matéria em relação à antimatéria. E foi este excedente que resultou no Universo material.

Além da violação de simetria, os pesquisadores da colaboração internacional esperam poder registrar também, no gigantesco tanque de argônio, um outro fenômeno, que não depende dos neutrinos: o decaimento do próton, previsto pela teoria, porém jamais observado. Se isso ocorrer, e há grande expectativa de que ocorra, o experimento terá proporcionado uma prova empírica da capacidade preditiva de modelos supersimétricos que buscam unificar três das quatro interações conhecidas: eletromagnética, nuclear forte e nuclear fraca.

O terceiro alvo do experimento é o aprimoramento de modelos acerca da formação de estrelas de nêutrons e buracos negros, mediante a observação de neutrinos provenientes do colapso de supernovas.

Fonte: Fermilab

Como detectar ondas gravitacionais com hélio

As ondas gravitacionais de pulsares próximos poderiam ser detectadas usando apenas alguns quilogramas de hélio ⁴He superfluido, de acordo com físicos nos EUA.

© Chandra (pulsar Vela)

A imagem acima mostra a evolução temporal do vento do pulsar Vela observado na faixa de energia espectral de 0,5 a 8 keV.

Seu detector, que ainda não foi construído, poderia medir ondas sonoras no superfluido causadas por ondas gravitacionais na faixa de 0,1 a 1,5 kHz.

As ondas gravitacionais são ondulações no espaço-tempo que são criadas quando objetos massivos são acelerados sob certas condições. A primeira detecção de ondas gravitacionais foi feita em 2015, quando o observatório Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detectou um sinal de um buraco negro binário coalescente. Mais duas ondas gravitacionais já foram detectadas pela LIGO, ambas associadas a buracos negros binários.

O LIGO é um detector de banda larga que pode captar sinais na faixa de 10 Hz a 5 kHz. É particularmente propício para detectar sinais transitórios associada aos buracos negros coalescentes.

Swati Singh do Williams College, Laura DeLorenzo e Keith Schwab do Caltech e Igor Pikovski da Universidade de Harvard querem construir um detector que possa se concentrar em uma banda de frequência relativamente estreita para detectar ondas gravitacionais de pulsares.

Um pulsar é uma estrela de nêutrons de rotação rápida que deverá transmitir continuamente ondas gravitacionais a uma frequência específica na faixa de 1 Hz a 1 kHz, com a frequência dependendo das características físicas do pulsar. Ao fazer uma medição de banda estreita durante um longo período de tempo, um sinal de ruído muito baixo de um pulsar poderia, em princípio, ser detectado.

Este detector compreende vários quilogramas de hélio superfluido mantido em um recipiente cilíndrico que é acoplado em um ressonador micro-ondas supercondutor. Confinamento no recipiente significa que o superfluido ressoará com ondas de som em determinadas frequências, assim como um instrumento musical.

Esta ressonância acústica também significa que o superfluido deve atuar como uma antena que é sintonizada para detectar ondas gravitacionais em frequências específicas. Quando tal onda gravitacional viaja através do detector, criaria um campo de tensão que produziria ondas sonoras no hélio. O ressonador de micro-ondas converteria essas ondas em um sinal mensurável.

Embora outros tenham tentado fazer estas antenas usando barras de metal, a equipe diz que o hélio superfluido oferece vários benefícios, incluindo o fato de que a frequência do detector pode ser alterada ajustando a pressão do hélio.

Calcula-se que usando a tecnologia de transdutor de micro-ondas de última geração, o detector poderia medir sinais de certos tipos de pulsares depois de alguns meses.

Fonte: New Journal of Physics

Forças de Van Der Waals se repelem?

As interações de Van Der Waals entre as moléculas estão entre as forças mais importantes na biologia, física e química, determinando as propriedades e o comportamento de muitos materiais.

© U. Basel (forças Van der Waals entre átomos de xenônio e gás)

Há muito tempo, os cientistas consideram que estas interações entre as moléculas seriam sempre de atração. Agora, pesquisadores Mainak Sadhukhan e Alexandre Tkatchenko da Universidade de Luxemburgo descobriram que, em muitas situações bastante comuns e na maioria das situações práticas, a força de Van der Waals entre duas moléculas torna-se repulsiva quando ocorrem sob confinamento. Isso pode levar a uma mudança de paradigma nas interações moleculares. 

A força de Van der Waals foi explicada pela primeira vez pelo físico alemão-americano Fritz Wolfgang London, em 1930. Usando a mecânica quântica, ele demonstrou a natureza puramente atrativa da força de Van der Waals para quaisquer duas moléculas que interagissem no espaço livre. Entretanto, na natureza, as moléculas na maioria dos casos interagem em espaços confinados, como células, membranas, nanotubos, etc. Nesta situação particular, as forças de Van der Waals tornam-se repulsivas a grandes distâncias entre moléculas.

Agora, Mainak Sadhukhan desenvolveu um novo método de mecânica quântica que lhes permitiu modelar as forças de Van der Waals em confinamento.

A nova teoria permite, pela primeira vez, uma interpretação de muitos fenômenos interessantes observados para moléculas em confinamento.

A descoberta deverá ter muitas implicações potenciais para a entrega de moléculas de fármacos on interior de células, a dessalinização, o transporte de água e automontagem de camadas moleculares em dispositivos fotovoltaicos.

O grupo de pesquisa do professor Tkatchenko está trabalhando em métodos que modelam as propriedades de uma ampla gama de interações intermoleculares. Somente em 2016, eles descobriram que a verdadeira natureza destas forças Van der Wals difere do conhecimento convencional em química e biologia, pois elas devem ser tratados como acoplamento entre as ondas e não como atração mútua (ou repulsão) entre as partículas. 

Um artigo sobre a descoberta foi publicado no periódico Physical Review Letters.

Fonte: University of Luxembourg

Uma nova partícula com dois quarks pesados

Hoje, na EPS Conferência sobre Física de Alta Energia em Veneza, o experimento do LHCb no Large Hadron Collider (LHC) do CERN relatou a observação de Ξ_cc⁺⁺  (Xi_cc⁺⁺) uma nova partícula contendo dois quarks charm e um quark up.

© CERN (nova partícula com dois quarks pesados e um leve)

A existência desta partícula da família dos bárions era esperada pelas teorias atuais, mas os físicos têm procurado estes bárions com dois quarks pesados ​​por muitos anos. A massa da partícula recém-identificada é de cerca de 3,621 GeV, que é quase quatro vezes mais pesada que o bárion mais familiar, o próton, uma propriedade que surge de seu conteúdo de dois quarks charm. É a primeira vez que esta partícula foi detectada inequivocamente.

Quase toda a matéria que vemos ao nosso redor é feita de bárions, que são partículas comuns compostas por três quarks, os mais conhecidos sendo prótons e nêutrons. Mas existem seis tipos de quarks existentes, e teoricamente, muitas combinações potenciais diferentes podem formar outros tipos de bárions. Os bárions observados até agora são todos feitos, no máximo, com um quark pesado.

Encontrar um bárion de quark pesado é de grande interesse, pois proporcionará uma ferramenta única para investigar ainda mais a cromodinâmica quântica, a teoria que descreve a interação forte, uma das quatro forças fundamentais.

Em contraste com outros bárions, em que os três quarks oscilam um em torno do outro, espera-se que um bárion duplamente pesado atue como um sistema planetário, onde os dois quarks pesados ​​desempenham a função de estrelas pesadas orbitando uma em torno da outra, com o quark mais leve orbitando em torno deste sistema binário.

Medir as propriedades do Ξ_cc⁺⁺ ajudará a estabelecer como um sistema de dois quarks pesados ​​e um quark leve se comporta. Podem ser obtidos pontos de vista importantes, medindo precisamente os mecanismos de produção, decaimento e a vida útil desta nova partícula.

A observação deste novo bárion provou ser desafiadora e foi possível devido à alta taxa de produção de quarks pesados ​​no LHC e às capacidades únicas do experimento LHCb, que pode identificar os produtos de decaimento com excelente eficiência. O bárion Ξ_cc⁺⁺  foi identificado através de seu decaimento em um bárion Λ_c⁺ e três mésons mais leves K^-, π⁺ e π⁺.

A observação do Ξ_cc⁺⁺ no LHCb aumenta as expectativas para detectar outros representantes da família de bárions duplamente pesados. Eles serão agora procurados no LHC.

Um artigo relatando estas descobertas foi submetido ao periódico Physical Review Letters.

Fonte: European Organization for Nuclear Research

Incorporando flutuações quânticas na entropia

A termodinâmica clássica nasceu, na primeira metade do século XIX, no rastro da revolução industrial, voltada para a otimização de máquinas e focada no cálculo de grandezas como trabalho útil, energia dissipada e eficiência.

© Revista Física (entrelaçamento quântico)

De acordo com a segunda lei da termodinâmica, a energia mecânica pode ser completamente convertida em energia térmica, mas a energia térmica não pode ser completamente convertida em energia mecânica. Dessa assimetria, que impõe um sentido aos processos materiais e por decorrência escoaria rumo a configurações de energia cada vez menos organizadas, surgiu o conceito de entropia com o físico alemão Rudolf Clausius, que se refere à parcela do calor que não pode mais ser transformada em trabalho, e, portanto, ao grau de irreversibilidade do sistema.

É possível estender os conceitos macroscópicos da termodinâmica à escala atômica ou subatômica? O que mudaria se fosse construído um motor com um único átomo? Como as leis termodinâmicas seriam afetadas pela mecânica quântica? Estas foram as cogitações que nortearam o estudo dos pesquisadores brasileiros Jader Pereira dos Santos (Universidade Federal do ABC), Gabriel Teixeira Landi (Universidade de São Paulo) e Mauro Paternostro (Queen’s University Belfast, Reino Unido). 

A aproximação da termodinâmica com a mecânica quântica é bem recente, algo das últimas décadas, quando se tornou possível exercer um controle muito fino na manipulação de átomos e, literalmente, construir motores em escala atômica. Apesar do estudo tratar de questões de física fundamental, de conhecimento puro, é possível visualizar diversas aplicações em sistemas microscópicos, como nanodispositivos, computação, criptografia e comunicação quânticas.

Os pesquisadores focalizaram especificamente na produção de entropia, isto é, da medida da irreversibilidade, em contextos quânticos, para a qual não havia, antes, uma teoria bem estabelecida. Existiam teorias muito boas para medir a irreversibilidade no contexto clássico, isto é, na escala macroscópica. Mas não existiam teorias que permitissem medir quão irreversível era um processo quântico. As teorias anteriores, propostas com tal objetivo, apresentavam várias lacunas, várias incompletudes. Isso se devia, basicamente, ao fato de terem sido concebidas para sistemas clássicos e não para sistemas quânticos.

Sabe-se, conforme a primeira lei da termodinâmica, que a energia de um sistema fechado é conservada. Mas, conforme a segunda lei da termodinâmica, a entropia tende sempre a aumentar. Isso porque a irreversibilidade faz com que, a cada transformação, a energia se reconfigure de forma menos organizada. Pode-se falar em degradação da energia e definir entropia como a medida desse aumento espontâneo da desordem.

O objetivo dos pesquisadores, com seu estudo puramente teórico, foi incorporar as contribuições quânticas ao processo. A ideia é que todo sistema apresenta, simultaneamente, dois tipos de flutuações: as flutuações térmicas, que advêm da agitação exterior das partículas, e as flutuações quânticas, que são um fenômeno intrínseco. Em altos patamares de energia, como aqueles obtidos em laboratório nos colisores de partículas, as flutuações quânticas são responsáveis pela criação e aniquilamento de pares de partículas e antipartículas. Mas tais flutuações ocorrem também em baixos patamares de energia, e, idealmente, até mesmo no zero absoluto. Nos processos macroscópicos, as flutuações térmicas são em geral mais importantes. Porém há situações em que as flutuações quânticas predominam e contribuem de forma mais significativa para a entropia.

A termodinâmica clássica trabalhou exclusivamente com as flutuações térmicas. Mas na escala atômica e subatômica, onde a física quântica se torna necessária para a descrição dos fenômenos, a desordem decorrente das flutuações quânticas precisa ser considerada e computada. Segundo a mecânica quântica, mesmo que um sistema se encontre em um estado ideal no qual não exista qualquer agitação térmica, ou seja, um estado definido como zero absoluto, ainda assim ele apresentará uma tendência implícita à desordem devido a flutuações quânticas, associadas ao Princípio da Incerteza, de Werner Heisenberg.

Segundo o Princípio da Incerteza, variáveis complementares, como por exemplo a posição e o momento linear, não podem ser determinadas de forma precisa ao mesmo tempo. A incerteza manifesta-se, por exemplo, na dualidade partícula-onda. Devido ao comportamento ondulatório, o objeto não pode ser perfeitamente localizado no espaço. E apresenta-se ao observador como que esparramado, podendo flutuar entre várias posições possíveis.

O Prêmio Nobel de Física de 1963, Eugene Wigner, apresentou uma interpretação probabilística da mecânica quântica. A chamada função de Wigner considera tanto as flutuações térmicas quanto as flutuações quânticas. Trabalhando com a função de Wigner, os pesquisadores conseguiram reformular a teoria de irreversibilidade, de modo a incorporar as flutuações quânticas ao conceito de entropia. Eles definiram a entropia como a desordem associada à distribuição estatística descrita pela função de Wigner. A partir dessa definição, a construção de uma nova teoria e sua aplicação a sistemas quânticos seguiu naturalmente.

A grande novidade foi que os resultados obtidos podem ser aplicados mesmo em sistemas a zero kelvin. Até o estudo em pauta, não havia repertório teórico capaz de explicar o efeito das flutuações quânticas no aumento da entropia no zero absoluto. Embora a temperatura zero nunca seja alcançada na prática, pode haver situações, inclusive em laboratório, de temperaturas suficientemente baixas, da ordem de alguns kelvins, nas quais as flutuações quânticas se tornem mais importantes do que as flutuações térmicas. Em sistemas de óptica quântica, envolvendo lasers, até mesmo em temperatura ambiente as flutuações quânticas podem ser dominantes.

O estudo possibilitará aplicações em comunicação, por meio de luz. A ideia é usar o conceito de irreversibilidade para quantificar perdas em processos de comunicação por fibra óptica. Além da perda de energia, existe também a perda de coerência da luz. O formalismo utilizado é capaz de dar conta de todos esses tipos de perda.

Outro foco de interesse é a propriedade do emaranhamento. O processo de emaranhamento ocorre quando pares ou grupos de partículas são gerados ou interagem de tal maneira que o estado quântico de cada partícula não pode mais ser descrito independentemente, já que depende do conjunto. A manutenção do emaranhamento é essencial para a computação quântica. Mas a interação do sistema com o ambiente produz perda de emaranhamento.

Fonte: Physical Review Letters

Detectado produção de partículas estranhas

A colaboração internacional ALICE (A Large Ion Collider Experiment) noticiou uma produção abundante de hádrons dotados de quarks estranhos em colisões próton-próton realizadas no LHC (Large Hadron Collider), o grande colisor de partículas localizado na fronteira franco-suíça.

© CERN/LHC (partículas formadas em colisão de núcleos de chumbo)

Foi a primeira vez que estes objetos, observados com crescente frequência nas colisões de núcleos pesados (chumbo-chumbo, ouro-ouro), foram detectados em tão grande abundância também no choque de partículas tão leves quanto o próton.

O estudo teve a participação decisiva de pesquisadores brasileiros, especialmente de David Dobrigkeit Chinellato, do Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas, que atuou como coordenador internacional de um dos grupos de trabalho de física do ALICE, o grupo “Light Flavour”. Chinellato é apoiado pela FAPESP por meio do projeto “Produção de estranheza em colisões Pb-Pb na energia de 5,02 TeV no ALICE”.

A produção abundante de hádrons com quarks estranhos é considerada uma espécie de assinatura do plasma de quarks e glúons, um estado extremamente quente e denso da matéria que teria existido durante uma diminuta fração de segundo após o Big Bang e que agora está sendo recriado nos dois grandes colisores de partículas da atualidade, o Large Hadron Collider (LHC), na Europa, e o Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), nos Estados Unidos.

“A grande novidade foi observar esta produção abundante de hádrons com quarks estranhos na colisão de sistemas tão pequenos quanto os prótons,” comentou o físico Alexandre Alarcon do Passo Suaide, do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (USP), pesquisador principal do projeto temático “Física nuclear de altas energias no RHIC e LHC”.

A evidência de hádrons com quarks estranhos nas colisões próton-próton, veiculada agora pela colaboração ALICE, sugere que o plasma de quarks e glúons possa ser produzido também no choque destas partículas muito pequenas, e não apenas na colisão de núcleos pesados, chumbo-chumbo (no LHC) ou ouro-ouro (no RHIC), como já se admitia. Mas os pesquisadores consideram prematuro afirmar isso de maneira taxativa.

Esta cautela se justifica, entre outros motivos, pelo fato de o plasma de quarks e glúons não poder ser observado diretamente. Ele é extremamente efêmero. E, nos experimentos realizados no LHC e no RHIC, seu suposto tempo de duração é da ordem de 10^-23s, o que impossibilita qualquer observação direta. O que os pesquisadores de fato observam são os objetos que se formam depois que os quarks e os glúons deixam de se movimentar livremente no plasma e voltam a ser encapsulados em hádrons. O experimento é operado a partir de uma sala de controle informatizada, localizada acima da superfície, enquanto o colisor propriamente dito, com 27 quilômetros de circunferência e quatro detectores (ATLAS, CMS, ALICE e LHCb), fica no subterrâneo, a 175 metros abaixo do nível do solo.

O conceito de “estranheza” foi proposto, nos anos 1950, por Murray Gell-Mann, Abraham Pais e Kazuhiko Nishijima, para caracterizar a propriedade que fazia com que certas partículas sobrevivessem por mais tempo do que o esperado. A estranheza, simbolizada pela letra “S”, maiúscula, é uma propriedade física, expressa por meio de um número quântico.

O conceito de quark surgiu mais tarde, já na década de 1960, proposto independentemente por Murray Gell-Mann e George Zweig. E, ao longo dos anos, vários tipos de quarks foram descobertos. Um deles recebeu o nome de “estranho” [strange, em inglês], pelo fato de sua existência oferecer uma explicação para a propriedade da estranheza. O estranho passou a ser simbolizado pela letra “s”, minúscula. É um dos seis quarks reconhecidos pelo Modelo Padrão da Física de Partículas: up [u], down [d], charm [c], strange [s], top [t] e bottom [b]. Sua massa é várias vezes maior do que as do up e do down, que compõem os prótons e os nêutrons.

Os “hádrons estranhos” são partículas maiores, que recebem este nome por conterem ao menos um quark estranho. São objetos fugazes como o Káon, o Lâmbda, o Xi e o Ômega, que se tornaram comuns nos experimentos envolvendo colisões de núcleos pesados, chumbo-chumbo e ouro-ouro.

“Desde os anos 1980, a abundância relativa de hádrons estranhos tem sido apontada como uma possível assinatura da formação do plasma de quarks e glúons em colisões centrais de núcleos pesados. O que o novo estudo mostrou foi que estes objetos também são produzidos em grande abundância em colisões próton-próton quando há uma grande multiplicidade de partículas formadas. A grande multiplicidade de partículas formadas é um indicador do alto patamar de energia alcançado no choque, aproximando-se daquilo que se observa nas colisões centrais núcleo-núcleo”, detalhou o físico Marcelo Gameiro Munhoz, coordenador do projeto temático “Física nuclear de altas energias no RHIC e LHC”.

A formação do plasma de quarks e glúons gera mecanismos que facilitam a produção subsequente de hádrons estranhos. Por isso, a detecção de hádrons estranhos pode ser considerada um indício da formação prévia do plasma de quarks e glúons. Mas poderia haver uma outra explicação, não relacionada com o plasma, para este aumento de partículas estranhas, havendo a necessidade de reinterpretar aquilo que acontece nas colisões núcleo-núcleo.

Fonte: Nature Physics

Massa negativa desafia as leis da Física

Físicos criaram um fluido com "massa negativa", que acelera em direção oposta quando empurrado.

© Physical Review Letters (fluido com massa negativa)

A descoberta desafia a Segunda Lei de Newton, conhecida como o Princípio Fundamental da Dinâmica, que diz que quando empurrado, o objeto se acelera na mesma direção que a força aplicada nele.

Mas em teoria, matéria pode ter massa negativa, da mesma forma que uma carga elétrica pode ser positiva ou negativa. Uma massa efetiva negativa pode ser realizada em sistemas quânticos através da engenharia da relação de dispersão. Um método poderoso é fornecido pelo acoplamento spin-órbita, que está atualmente no centro de intensos esforços de pesquisa.

Uma equipe de cientistas, liderada por Peter Engels, da Washington State University (WSU), esfriou átomos de rubídio a uma temperatura pouco acima do zero absoluto (próximo de -273ºC), gerando o que é conhecido como Condensado de Bose-Einstein.

Neste estado da matéria, as partículas se comportam como ondas, se movem de forma extremamente lenta, conforme previsto pela mecânica quântica. Elas também se sincronizam e se movimentam juntas no que é conhecido como superfluido, que flui sem perder energia.

Nesta pesquisa um condensado de Bose-Einstein foi medido acoplado à órbita de spin em expansão cuja dispersão apresenta uma região de massa efetiva negativa. Os pesquisadores observaram uma variedade de fenômenos dinâmicos, incluindo a quebra da paridade e da covariância galileana, instabilidades dinâmicas e auto-aprisionamento. Os resultados experimentais são reproduzidos por uma simulação de banda única de Gross-Pitaevskii, demonstrando que as características emergentes, tais como: ondas de choque, trens solitônicos, auto-aprisionamento, entre outros, originam-se de uma dispersão modificada. Este trabalho também fornece novas informações sobre fenômenos relacionados em redes ópticas, onde a estrutura periódica subjacente muitas vezes complica sua interpretação.

Para criar as condições para a massa negativa, os pesquisadores usaram lasers para capturar os átomos de rubídio e empurrá-los para frente e para trás, mudando a forma como eles giram.

Os lasers prendem os átomos como se eles estivessem numa região com menos de 100 micrômetros de diâmetro. Neste ponto, o superfluido de rubídio tem massa normal. Mas, quando os átomos foram liberados da "armadilha do laser", o superátomo de rubídio se expande, revelando massa negativa.

Para criar as condições para a massa negativa, os pesquisadores aplicaram um segundo conjunto de lasers que empurra estes átomos em expansão de um lado para outro, mudando o modo como eles giram. Desta forma, quando alguns átomos de rubídio escorrem para fora da armadilha original rápido o suficiente, eles se comportam como se tivessem massa negativa.

"Com massa negativa, se você empurrar alguma coisa, ela acelera em sua direção," disse Michael Forbes, professor-assistente de Física da WSU. "Parece que o rubídio se choca contra uma parede invisível".

A técnica poderia ser usada para entender melhor o fenômeno, dizem os pesquisadores. "Primeiramente, nos chamou atenção o controle que temos sobre a natureza da massa negativa, sem quaisquer complicações," diz Forbes.

Este controle também fornece aos pesquisadores uma ferramenta para explorar as possíveis relações entre massa negativa e fenômenos observados no cosmos, como estrelas de nêutrons, buracos negros e energia escura.

Fonte: Physical Review Letters

Criado hidrogênio metálico

Cientistas da Universidade de Harvard, nos Estados Unidos, criaram uma amostra de metal de hidrogênio.

© R. Dias/I. F. Silvera (hidrogênio metálico)

Na imagem acima o hidrogênio aparece transparente (à esquerda), opaco (no centro) e reflexivo (à direita). Esta refletividade indica que o hidrogênio foi transformado em um metal, afirmam os pesquisadores.

O hidrogênio é o elemento mais simples da tabela periódica, com um próton e um elétron. Em condições normais esses átomos tendem a se organizar aos pares em um gás, que a baixas temperaturas se condensa em líquido e, em temperaturas ainda mais baixas, em sólido.

É a primeira vez que o hidrogênio metálico, previsto em teoria pela primeira vez há cerca de 80 anos, foi desenvolvido em laboratório. O hidrogênio sólido pode existir no núcleo de planetas gigantes, como Júpiter.

A primeira menção a ele foi feita em 1935 pelos cientistas Eugene Wigner e Hillard Bell Huntington, que sugeriram que, em uma pressão de 25 gigapascals (GPa), o hidrogênio sólido se transformaria em metal. Acredita-se  que a pressão do núcleo da Terra esteja entre 330 e 360 GPa.

Na época ainda não havia conhecimento suficiente do mundo quântico para criar estas condições. A produção de hidrogênio metálico tem sido um grande desafio para a física da matéria condensada.

Os pesquisadores Thomas D. Cabot, Isaac Silvera e Ranga Dias usaram dois tipos de diamantes sintéticos para encontrar o hidrogênio sólido. Eles poliram as superfícies dos diamantes até que elas não tivessem mais defeitos, os esquentaram para retirar resíduos internos e os cobriram com uma camada de óxido de alumínio, um composto que o hidrogênio não consegue filtrar.

Em seguida, o trio de Harvard foi comprimindo o hidrogênio sólido. No início do experimento, quando a pressão estava mais baixa, o elemento ficou transparente, conforme a pressão foi aumentando, ele ficou opaco e preto. Quando uma pressão de 495 GPa foi atingida, o hidrogênio ficou brilhante, completando sua transformação em metal, ainda não se sabe se foi em um estado sólido ou líquido. O físico Alexander Goncharov, do Carnegie Institution for Science, afirmou que o material brilhante pode ser, na verdade, o óxido de alumínio usado para recobrir as pontas dos diamantes, que poderia ter sido modificado pela alta pressão.

Na pressão de 495 GPa, o hidrogênio metálico possui uma refletividade tão elevada como 0,91. Os pesquisadores ajustaram a refletância usando um modelo de elétron livre de Drude para determinar a frequência de plasma de 32,5 ± 2,1 eV numa temperatura de 5,5 kelvin, com uma densidade de portadores de elétrons correspondente de 7,7 ± 1,1 × 10²³ partículas/cm³, consistente com as estimativas teóricas de densidade atômica.

Ainda há muito o que ser pesquisado, mas se o metal de hidrogênio tiver pelo menos metade das aplicações previstas em teoria, ele poderia revolucionar a tecnologia como a conhecemos hoje. O material por ser um supercondutor poderia trazer inovações em eletricidade, como a possibilidade de trens de alta velocidade funcionarem por levitação magnética.

O material poderia ser utilizado como propulsor, o que mudaria as viagens espaciais. "É necessário uma quantidade tremenda de energia para criar o metal de hidrogênio," explicou Isaac Silvera. "E se você o converter de volta para o hidrogênio molecular, toda a energia é liberada, o que poderia se transformar no tipo de propulsor mais potente já conhecido pelo homem."

Em termos de comparação, os propulsores utilizados hoje levam 450 segundos para serem acionados em um foguete; o propulsor de hidrogênio levaria 1,7 segundos para fazer a mesma coisa. Com isso, seria possível colocar foguetes em órbita em apenas um estágio em vez de dois. "Ele teria ainda cargas úteis maiores, o que seria muito importante," ressaltou Silvera.

Fonte: Science