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