Buracos negros e o centro da Via Láctea

O Prêmio Nobel de Física de 2020 foi concedido a três pesquisadores que fizeram descobertas sobre buracos negros, anunciou hoje a Academia Real das Ciências da Suécia.

© NASA (ilustração de região próxima de um buraco negro)

Roger Penrose, da Universidade de Oxford vai receber metade do prêmio de 10 milhões de coroas suecas (6,2 milhões de reais) por ter provado, em 1965, que a teoria geral da relatividade leva à formação de buracos negros. A outra metade da premiação foi concedida ao alemão Reinhard Genzel e à americana Andrea Ghez, que lideraram dois grupos de astrônomos na descoberta de um objeto invisível e extremamente pesado que governa as órbitas das estrelas no centro de nossa galáxia. Um buraco negro supermassivo é a única explicação atualmente conhecida.

O cientista Roger Penrose usou métodos matemáticos engenhosos para provar que os buracos negros são uma consequência direta da teoria geral da relatividade de Albert Einstein. O próprio Einstein não acreditava que buracos negros realmente existissem, estes monstros supermassivos ​​que capturam tudo que entra neles. Nada pode escapar, nem mesmo a luz.

Em janeiro de 1965, dez anos após a morte de Einstein, Roger Penrose provou que os buracos negros realmente podem se formar e os descreveu em detalhes; no fundo, os buracos negros escondem uma singularidade em que cessam todas as leis conhecidas da natureza. Seu artigo inovador ainda é considerado a contribuição mais importante para a teoria geral da relatividade desde Einstein.

Reinhard Genzel, diretor do Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, na Alemanha, e professor da Universidade da Califórnia, nos EUA, e Andrea Ghez, professora da Universidade da Califórnia, lideram dois grupos de astrônomos que, desde o início dos anos 1990, se concentra em estudar uma região no centro da Via Láctea, onde está localizado o buraco negro supermassivo, denominado Sagitário A*.

© UCLA (animação de estrelas girando ao redor de buraco negro)

Uma animação das órbitas estelares no centro de 0,5 segundos de arco. Imagens tiradas dos anos de 1995 a 2016 são usadas para rastrear estrelas específicas orbitando o buraco negro proposto no centro da Galáxia. Estas órbitas, Aplicando as Leis de Kepler, estas órbitas fornecem a melhor evidência de um buraco negro supermassivo. Especialmente importante é a estrela S0-2, pois foi observada por mais de um período orbital completo, que é de apenas 16,17 anos. Veja também a notícia: Estrela "dançando" em torno de buraco negro supermassivo.

Usando os maiores telescópios do mundo, Genzel e Ghez desenvolveram métodos para ver através das enormes nuvens de gás interestelar e poeira até o centro da Via Láctea. Estendendo os limites da tecnologia, eles refinaram novas técnicas para compensar as distorções causadas pela atmosfera da Terra, construindo instrumentos exclusivos e se comprometendo com pesquisas de longo prazo. Seu trabalho pioneiro nos deu a evidência mais convincente de um buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea.

Desta maneira foi possível mapear as órbitas das estrelas mais brilhantes próximas ao centro da nossa Galáxia e encontraram um objeto invisível extremamente pesado que puxa este amontoado de estrelas, fazendo-as orbitar em velocidades vertiginosas. Cerca de quatro milhões de massas solares estão reunidas em uma região não maior do que nosso Sistema Solar.

“As descobertas dos laureados deste ano abriram novos caminhos no estudo de objetos compactos e supermassivos. Mas estes objetos exóticos ainda colocam muitas questões que imploram por respostas e motivam pesquisas futuras. Não apenas perguntas sobre sua estrutura interna, mas também perguntas sobre como testar nossa teoria da gravidade sob as condições extremas nas imediações de um buraco negro”, disse David Haviland, presidente do Comitê Nobel de Física.

Fonte: The Royal Swedish Academy of Sciences

Bóson de Higgs decai em dois múons

Na 40ª conferência do International Conference on High Energy Physics (ICHEP), os experimentos do ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) e CMS (Compact Muon Solenoid) anunciaram novos resultados que mostram que o bóson de Higgs se decompõe em dois múons.

© CMS (decaimento do bóson de Higgs gerando dois múons) 

O múon é uma cópia mais pesada do elétron, com carga elétrica -1 e spin 1⁄2, uma das partículas elementares que constituem o conteúdo de matéria do Universo. Enquanto os elétrons são classificados como uma partícula de primeira geração, os múons pertencem à segunda geração. O processo físico do bóson de Higgs decaindo em múons é um fenômeno raro, pois apenas um bóson de Higgs em 5.000 decai em múons. Esses novos resultados têm extrema importância para a física fundamental, porque indicam pela primeira vez que o bóson de Higgs interage com partículas elementares de segunda geração.

Os físicos do CERN estudam o bóson de Higgs desde a sua descoberta em 2012, a fim de investigar as propriedades dessa partícula muito especial. O bóson de Higgs, produzido a partir de colisões de prótons no Large Hadron Collider (LHC), se desintegra, conhecido como decaimento, quase instantaneamente em outras partículas. Um dos principais métodos de estudo das propriedades do bóson de Higgs é analisando como ele se decompõe nas várias partículas fundamentais e na taxa de desintegração.

O CMS obteve evidência desse decaimento com 3 sigma, o que significa que a chance de ver o bóson de Higgs decaindo em um par de múons devido à flutuação estatística é menor que um em 700. O resultado de dois sigma do ATLAS significa que as chances são de um em 40. A combinação de ambos os resultados aumentaria a significância bem acima de 3 sigma e fornece fortes evidências para a deterioração do bóson de Higgs em dois múons, de acordo com a previsão do Modelo Padrão.

O bóson de Higgs é a manifestação quântica do campo de Higgs, que dá massa às partículas elementares com as quais ele interage, através do mecanismo de Brout-Englert-Higgs. Ao medir a taxa na qual o bóson de Higgs decai em diferentes partículas, é possível inferir a força de sua interação com o campo de Higgs: quanto maior a taxa de decaimento em uma determinada partícula, maior a sua interação com o campo. Até agora, as experiências ATLAS e CMS observaram o decaimento do bóson de Higgs em diferentes tipos de bósons, como W e Z, e férmions mais pesados, como o lépton tau e os quarks top e bottom. A interação com os quarks mais pesados, superior e inferior, foi medida em 2018. Os múons são muito mais leves em comparação e sua interação com o campo de Higgs é mais fraca. Portanto, as interações entre o bóson de Higgs e os múons não haviam sido vistas anteriormente no LHC.

O que torna esses estudos ainda mais desafiadores é que, no LHC, para cada bóson de Higgs previsto decaindo em dois múons, existem milhares de pares de múons produzidos por outros processos que imitam a assinatura experimental esperada. A assinatura característica do decaimento do bóson de Higgs para os múons é um pequeno excesso de eventos que se agrupam perto de uma massa de 125 GeV, que é a massa do bóson de Higgs. Isolar as interações entre o bóson de Higgs e o par de múons não é tarefa fácil. Para isso, os dois experimentos medem a energia, o momento e os ângulos dos candidatos a múons no decaimento do bóson de Higgs. Além disso, a sensibilidade das análises foi aprimorada por métodos como estratégias sofisticadas de modelagem de segundo plano e outras técnicas avançadas, como algoritmos de aprendizado de máquina. O CMS combinou quatro análises separadas, cada uma otimizada para categorizar eventos físicos com possíveis sinais de um modo de produção de bóson de Higgs específico. A ATLAS dividiu seus eventos em 20 categorias direcionadas a modos específicos de produção do bóson de Higgs.

Os resultados, até agora consistentes com as previsões do Modelo Padrão, usaram o conjunto completo de dados coletados na segunda execução do LHC. Com mais dados a serem gravados da próxima corrida do acelerador de partículas e com o LHC de alta luminosidade, as colaborações do ATLAS e do CMS esperam atingir a sensibilidade (5 sigma) necessária para estabelecer a descoberta do decaimento do bóson de Higgs para dois múons e restringir possíveis teorias da física além do modelo padrão que afetariam esse modo de decaimento do bóson de Higgs.

Fonte: CERN