Captando os momentos mais curtos

Os três ganhadores do Nobel de Física 2023 estão sendo reconhecidos por seus experimentos no âmbito da física quântica, que deram à humanidade novas ferramentas para explorar o mundo dos elétrons dentro dos átomos e moléculas.

© Revista Física (nuvem eletrônica)

Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L’Huillier demonstraram uma maneira de criar pulsos de luz extremamente curtos que podem ser usados para medir os processos rápidos nos quais os elétrons se movem ou mudam de energia. 

Em 1987, a física francesa Anne L'Huillier, professora de Física Atômica na Universidade de Lund, Suécia, descobriu que quando a luz laser infravermelha era transmitida por meio de um gás nobre surgiam muitos tons diferentes de luz. Depois disso, a cientista continuou explorando o fenômeno, preparando a construção para descobertas posteriores. Ela é a quinta mulher a ganhar um Prêmio Nobel de Física, seguindo a Marie Curie (1903), Maria Goeppert-Mayer (1963), Donna Strickland (2018) e Andrea Ghez (2020). 

Já o franco-americano Pierre Agostini, professor da Universidade Estadual de Ohio, EUA, conseguiu em 2001 produzir e investigar uma série de pulsos de luz consecutivos, em que cada pulso durava apenas 250 attosegundos, inventando com a sua equipe o chamado RABBIT, ou seja, a reconstrução de batimentos de attossegundos por interferência de transições de dois fótons. 

Na mesma época, um experimento científico do húngaro Ferenc Krausz, professor da Ludwig-Maximilians-University Munique, Alemanha, possibilitou o isolamento de um único pulso de luz com duração de 650 attosegundos. 

As contribuições dos laureados permitiram a pesquisa de processos tão rápidos que antes eram impossíveis de acompanhar. Um pequeno colibri pode bater as asas 80 vezes por segundo. Só conseguimos perceber isso como um zumbido e movimento turvo. Para o sentidos humanos, movimentos rápidos se confundem, e eventos extremamente curtos são impossíveis de observar. Precisamos usar truques tecnológicos para capturar ou retratar esses breves instantes. Fotografia de alta velocidade e iluminação estroboscópica permite capturar imagens detalhadas de fenômenos rápidos. Uma fotografia altamente focada de um beija-flor em ação requer uma exposição tempo que é muito mais curto do que uma única batida de asas. Quanto mais rápido o evento, mais rápido a imagem precisa ser tomada se for para capturar o instante. 

O mesmo princípio se aplica a todos os métodos utilizados para medir ou representar processos rápidos; qualquer medida deve ser realizada mais rapidamente do que o tempo que leva para o sistema em estudo sofrer uma mudança perceptível, caso contrário o resultado será vago. 

Os laureados deste ano realizaram experiências que demonstram um método para produzir pulsos de luz que são breves o suficiente para capturar imagens de processos dentro dos átomos e moléculas. A escala de tempo natural dos átomos é incrivelmente curta. Em uma molécula, os átomos podem se mover e girar em femtosegundos (milionésimos de um bilionésimo de segundo). Esses movimentos podem ser estudados com o mais curto pulsos que podem ser produzidos com um laser, mas quando átomos inteiros se movem a escala de tempo é determinada por seus núcleos grandes e pesados, que são extremamente lentos em comparação com elétrons leves e ágeis. Quando os elétrons se movem dentro de átomos ou moléculas, eles fazem isso tão rapidamente que as mudanças ficam próximas de um femtosegundo. 

No mundo dos elétrons, as posições e as energias mudam a velocidades entre um e algumas centenas de attosegundos (bilionésimo de bilionésimo de segundo). Um attosegundo é tão curto que o número deles em um segundo é igual ao número de segundos que se passaram desde que o Universo surgiu, 13,8 bilhões de anos atrás. Um femtosegundo foi considerado por muito tempo o limite para os flashes de luz que era possível produzir. Melhorar a tecnologia existente não foi suficiente para ver os processos ocorrendo em um período surpreendentemente breve em escalas de tempo de elétrons; algo inteiramente novo era necessário. 

A luz consiste em ondas, ou seja, vibrações em campos elétricos e magnéticos, que se movem através do vácuo mais rápido do que qualquer outra coisa. Estes têm comprimentos de onda diferentes, equivalentes a cores diferentes. Por exemplo, a luz vermelha tem um comprimento de onda de cerca de 700  nm (nanômetros), um centésimo da largura de um fio de cabelo, e ele circula cerca de 430 trilhões de vezes por segundo. Podemos pensar em o pulso de luz mais curto possível como a duração de um único período na onda de luz, o ciclo onde ele sobe até um pico, desce até um vale e volta ao ponto inicial. Neste caso, os comprimentos de onda usados em sistemas de laser comuns nunca conseguem chegar abaixo de um femtosegundo, então na década de 1980 isso foi considerado como um limite rígido para as emissões de luz mais curtas possíveis. 

No experimento projetado, quando a luz do laser entra no gás e afeta seus átomos, causa vibrações eletromagnéticas que distorcem o campo elétrico que mantém os elétrons ao redor do núcleo atômico. Os elétrons podem então escapar dos átomos. No entanto, o campo elétrico da luz vibra continuamente e, quando ele muda de direção, um elétron solto pode retornar ao núcleo do seu átomo. Durante excursão do elétron, ele coletou muita energia extra do campo elétrico da luz laser e, para reconectar ao núcleo, ele deve liberar seu excesso de energia como um pulso de luz, no caso, no ultravioleta. Esses pulsos de luz dos elétrons criam as conotações que aparecem nos experimentos. 

Pulsos de attossegundos permitem medir o tempo que leva para um elétron ser puxado de um átomo, e examinar como o tempo que isso leva depende de quão fortemente o elétron está ligado ao núcleo do átomo. É possível reconstruir como a distribuição de elétrons oscila posicionalmente em moléculas e materiais; anteriormente a sua posição só poderia ser medida como uma média. 

Estes pulsos podem ser usados para testar os processos internos da matéria e para identificar diferentes eventos. Existem aplicações potenciais em muitas áreas diferentes. Na eletrônica, por exemplo, é importante compreender e controlar como os elétrons se comportam em um material. Eles também podem ser usados para identificar diferentes moléculas, como em diagnósticos médicos, possibilitando nova técnica analítica de diagnóstico in vitro para detectar traços moleculares característicos de doenças em amostras de sangue.

O Prêmio Nobel da Física deste ano abre janelas que antes eram inimaginável para Heisenberg, explorar fenômenos que antes eram impossíveis de observar.

Fonte: Royal Swedish Academy of Sciences

Propriedades dos neutrinos em supernovas

Num novo estudo, pesquisadores deram um passo importante para compreender como as estrelas em explosão podem ajudar a revelar como os neutrinos, misteriosas partículas subatômicas, interagem secretamente entre si.

© OSU (ilustração de neutrinos gerados por supernovas)

Os neutrinos, que são das partículas elementares menos bem compreendidas, raramente interagem com a matéria normal e, ao invés, viajam invisivelmente através dela quase à velocidade da luz. Estas partículas fantasmagóricas são mais numerosas do que todos os átomos do Universo e estão sempre passando inofensivamente pelos nossos corpos, mas devido à sua baixa massa e à ausência de carga elétrica, podem ser incrivelmente difíceis de encontrar e de estudar. 

No entanto, pesquisadores da Universidade do Estado do Ohio estabeleceram um novo quadro que explica como as supernovas, explosões massivas que anunciam a morte de estrelas em colapso, podem ser utilizadas como ferramentas poderosas para estudar a forma como as autointerações dos neutrinos podem causar vastas alterações cosmológicas no Universo.

Os neutrinos têm apenas taxas de interação muito pequenas com a matéria típica, pelo que é difícil detectá-los e testar as suas propriedades. É por isso que temos de usar a astrofísica e a cosmologia para descobrir fenômenos interessantes sobre eles. Considerados importantes para a formação do Universo primitivo, os neutrinos continuam intrigantes, apesar de se saber que têm origem em várias fontes, como reatores nucleares ou no interior de estrelas moribundas. 

Mas, calculando a forma como as autointerações afetariam o sinal de neutrinos da SN 1987A, a supernova mais próxima observada nos tempos modernos, os astrofísicos descobriram que, quando os neutrinos interagem entre si, formam um fluido fortemente acoplado que se expande sob a hidrodinâmica relativista, um ramo da física que lida com a forma como os fluxos afetam os objetos sólidos de duas maneiras diferentes. 

No caso do chamado "fluxo de explosão", a equipe teoriza que, tal como rebentar um balão altamente pressurizado no vácuo do espaço empurraria a energia para fora, uma explosão produz um fluido de neutrinos que se move em todas as direções. O segundo caso, descrito como um "fluxo de vento", imagina um balão altamente pressurizado com muitos bocais, onde os neutrinos escapam a um ritmo mais constante, semelhante a um jato de vento constante.

Embora a teoria do fluxo de vento seja mais provável de ocorrer na natureza, se o caso da explosão se concretizar, os cientistas poderão ver novas assinaturas observáveis de neutrinos emitidas por supernovas, permitindo uma sensibilidade sem precedentes nas autointerações dos neutrinos. 

Uma das razões pelas quais é tão vital compreender estes mecanismos é que se os neutrinos estão agindo como um fluido, isso significa que estão atuando em conjunto. E se as propriedades dos neutrinos são diferentes como um coletivo do que individualmente, então a física das supernovas também pode sofrer alterações. Mas ainda não se sabe se estas alterações se devem apenas ao caso da explosão ou ao caso do fluxo de vento.

A dinâmica das supernovas é complicada, mas este resultado é prometedor porque, com a hidrodinâmica relativista, sabemos que há uma bifurcação na compreensão do seu funcionamento atual. Ainda assim, é necessário fazer mais estudos antes dos cientistas poderem excluir a possibilidade de o caso da explosão ocorrer também no interior das supernovas. 

Apesar destas incertezas, o estudo é um grande marco na resposta a uma questão astrofísica com décadas de existência: como é que os neutrinos se dispersam quando são ejetados das supernovas?

Este estudo descobriu que, no caso da explosão, é possível uma sensibilidade sem precedentes às autointerações dos neutrinos, mesmo com dados esparsos de neutrinos da SN 1987A e pressupostos de análise conservadores. 

Este problema permaneceu praticamente intocado durante 35 anos. No futuro, a equipe espera que o seu trabalho seja usado como um trampolim para investigar melhor as autointerações dos neutrinos. No entanto, uma vez que, na Via Láctea, só ocorrem cerca de duas ou três supernovas por século, é provável que os pesquisadores tenham de esperar décadas para recolher suficientes dados de neutrinos e assim provar as suas ideias.

Um artigo foi publicado no periódico Physical Review Letters. 

Fonte: Ohio State University

Um raro decaimento do bóson de Higgs

A descoberta do bóson de Higgs no Large Hadron Collider (LHC) do CERN em 2012 marcou um marco significativo na física de partículas.

© V. H. Visions (decaimento do bóson de Higgs)

Desde então, as colaborações ATLAS e CMS têm investigado diligentemente as propriedades desta partícula única e buscado estabelecer as diferentes maneiras pelas quais ela é produzida e se decompõe em outras partículas. 

Na conferência Large Hadron Collider Physics (LHCP), ATLAS e CMS relatam como se uniram para encontrar a primeira evidência do raro processo no qual o bóson de Higgs decai em um bóson Z, o portador eletricamente neutro da força fraca, e um fóton, o portador da força eletromagnética. Este decaimento do bóson de Higgs pode fornecer evidências indiretas da existência de partículas além daquelas previstas pelo Modelo Padrão da física de partículas. 

O decaimento do bóson de Higgs em um bóson Z e um fóton é semelhante ao decaimento em dois fótons. Nestes processos, o bóson de Higgs não decai diretamente nestes pares de partículas. Em vez disso, os decaimentos ocorrem por meio de um "loop" intermediário de partículas "virtuais" que surgem e desaparecem e não podem ser detectadas diretamente. Estas partículas virtuais podem incluir partículas novas, ainda não descobertas, que interagem com o bóson de Higgs. 

O Modelo Padrão prevê que, se o bóson de Higgs tiver uma massa de cerca de 125 bilhões de elétron-volts, aproximadamente 0,15% dos bósons de Higgs decairão em um bóson Z e um fóton. Mas algumas teorias que estendem o Modelo Padrão preveem uma taxa de decaimento diferente. Medir a taxa de decaimento, portanto, fornece informações valiosas sobre a física além do Modelo Padrão e a natureza do bóson de Higgs. 

Anteriormente, usando dados de colisões próton-próton no LHC, o ATLAS e o CMS conduziram independentemente extensas pesquisas para o decaimento do bóson de Higgs em um bóson Z e um fóton. Ambas as buscas usaram estratégias semelhantes, identificando o bóson Z por meio de seus decaimentos em pares de elétrons ou múons (versões mais pesadas de elétrons). Estes decaimentos do bóson Z ocorrem em cerca de 6,6% dos casos.

Nestas buscas, os eventos de colisão associados a este decaimento do bóson de Higgs (o sinal) seriam identificados como um pico estreito, sobre um fundo suave de eventos, na distribuição da massa combinada dos produtos de decaimento. Para aumentar a sensibilidade ao decaimento, o ATLAS e o CMS exploraram os modos mais frequentes em que o bóson de Higgs é produzido e categorizaram os eventos com base nas características destes processos de produção. Foram também usadas técnicas avançadas de aprendizado de máquina para distinguir ainda mais entre eventos de sinal e de fundo. 

Em um novo estudo, o ATLAS e o CMS uniram forças para maximizar o resultado de suas buscas. Ao combinar os conjuntos de dados coletados por ambos os experimentos durante a segunda execução do LHC, que ocorreu entre 2015 e 2018, as colaborações aumentaram significativamente a precisão estatística e o alcance de suas pesquisas. Este esforço colaborativo resultou na primeira evidência do decaimento do bóson de Higgs em um bóson Z e um fóton. O resultado tem uma significância estatística de 3,4 desvios padrão, abaixo do requisito convencional de 5 desvios padrão para reivindicar uma observação. A taxa de sinal medida é 1,9 desvios padrão acima da previsão do Modelo Padrão.

Cada partícula tem uma relação especial com o bóson de Higgs, tornando a busca por raros decaimentos de Higgs uma alta prioridade. A existência de novas partículas pode ter efeitos muito significativos nos raros modos de decaimento do Higgs. Este estudo é um teste poderoso do Modelo Padrão. Com a terceira execução em curso do LHC e o futuro LHC de alta luminosidade, será possível melhorar a precisão deste teste e sondar decaimentos de Higgs cada vez mais raros.

Fonte: CERN

Ouvindo o "timbre" dos buracos negros

A teoria da relatividade geral de Albert Einstein descreve a forma como o tecido do espaço-tempo, é curvado em resposta à massa.

© Y. Steele (ilustração do espaço-tempo de um buraco negro)

A imagem mostra o remanescente da fusão de um buraco negro binário que está emitindo as suas últimas ondas gravitacionais antes de assentar. As ondas gravitacionais previstas pela relatividade geral são representadas pelas espirais azuis que se afastam do buraco negro. Os desvios da relatividade geral podem aparecer como deformações das ondas gravitacionais e são representados pelas espirais vermelhas.

O nosso Sol, por exemplo, deforma o espaço à nossa volta de tal forma que o planeta Terra orbita o Sol como uma bola de gude atirado para um funil (a Terra não cai para o Sol devido ao impulso lateral do planeta). 

A teoria, que foi revolucionária no momento em que foi proposta em 1915, reformulou a gravidade como uma curvatura do espaço-tempo. Por muito fundamental que esta teoria seja para a própria natureza do espaço à nossa volta, isso pode não ser o fim da história. Em vez disso, as teorias quânticas da gravidade, que tentam unificar a relatividade geral com a física quântica, contêm segredos sobre o funcionamento do nosso Universo a níveis mais profundos. 

Um dos locais onde se podem procurar assinaturas quânticas de gravidade é nas poderosas colisões entre buracos negros, onde a gravidade atinge o seu ponto mais extremo. Os buracos negros são os objetos mais densos do Universo, onde a sua gravidade é tão forte que espremem os objetos que neles caem como se fossem espaguete. 

Quando dois buracos negros colidem e se fundem num corpo maior, perturbam o espaço-tempo ao redor, enviando ondas gravitacionais em todas as direções. O LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) tem detectado regularmente ondas gravitacionais geradas por fusões de buracos negros desde 2015 (os seus observatórios parceiros, Virgo e KAGRA, juntaram-se à caça em 2017 e 2020, respetivamente). 

No entanto, até agora, a teoria da relatividade geral tem passado teste após teste, sem sinais de ruptura. Agora, dois novos artigos científicos liderados pelo Caltech (California Institute of Technology), publicados nos periódicos Physical Review X e Physical Review Letters, descrevem novos métodos para submeter a relatividade geral a testes ainda mais rigorosos.

Observando mais de perto as estruturas dos buracos negros e as ondulações no espaço-tempo que produzem, os cientistas procuram sinais de pequenos desvios da relatividade geral que indiciem a presença de gravitação quântica. Quando dois buracos negros se fundem para produzir um buraco negro maior, o buraco negro final gera um sinal sonoro.

A qualidade do seu timbre, pode ser diferente das previsões da relatividade geral se certas teorias da gravitação quântica estiverem corretas. Estes métodos foram concebidos para procurar diferenças na qualidade desta fase de descida do zumbido, como os harmônicos e os sobretons. 

O primeiro artigo, publicado na revista Physical Review X, apresenta uma nova equação para descrever o "timbre" dos buracos negros no âmbito de certas teorias quânticas da gravidade. O trabalho baseia-se numa equação inovadora desenvolvida há 50 anos por Saul Teukolsky, professor de astrofísica teórica no Caltech. Teukolsky tinha desenvolvido uma equação completa para compreender melhor a forma como as ondulações da geometria do espaço-tempo se propagam à volta dos buracos negros. Em contraste com os métodos numéricos da relatividade, em que são necessários supercomputadores para resolver simultaneamente muitas equações diferenciais da relatividade geral, a equação de Teukolsky é muito mais simples de utilizar e fornece uma visão física direta do problema. 

Se alguém quiser resolver todas as equações de Einstein da fusão de um buraco negro para a simular com precisão, tem de recorrer a supercomputadores. Os métodos numéricos da relatividade são extremamente importantes para simular com exatidão as fusões de buracos negros e constituem uma base crucial para a interpretação dos dados do LIGO. Mas é extremamente difícil para os físicos extrair intuições diretamente dos resultados numéricos. A equação de Teukolsky fornece uma visão intuitiva do que se está passando na fase de descida do zumbido. Esta equação permite modelar e compreender as ondas gravitacionais que se propagam à volta dos buracos negros, que são mais exóticas do que Einstein previu.

O segundo artigo, publicado na revista Physical Review Letters, descreve uma nova forma de aplicar a equação de Teukolsky aos dados reais obtidos pelo LIGO e pelos seus parceiros na sua próxima série de observações. Esta abordagem de análise de dados utiliza uma série de filtros para remover características do "timbre" de um buraco negro previstas pela relatividade geral, de modo a que possam ser reveladas assinaturas potencialmente sutis além da relatividade geral.

Os físicos encontraram uma forma de traduzir um grande conjunto de equações complexas numa só equação, o que é extremamente útil. Esta equação é mais eficiente e mais fácil de usar do que os métodos que usados anteriormente. Os dois estudos complementam-se e podem aumentar significativamente a capacidade para sondar a gravidade.

Fonte: California Institute of Technology