Curvatura quântica da luz

A luz viajando perto de um objeto é desviada de seu caminho por causa da força da gravidade.

© NASA (curvatura quântica da luz)

Para um objeto de grande massa como o Sol, este desvio é mensurável. As melhores medições até o momento mostram que a atração gravitacional do Sol desvia a luz por 0,00049º de acordo com as previsões da relatividade geral. Agora Niels Bjerrum-Bohr, do Instituto Niels Bohr, na Dinamarca, e colegas calcularam como esse desvio seria alterado quando a gravidade é descrita como um campo quântico.

Os autores descrevem a gravidade usando uma teoria de campo eficaz, uma aproximação de baixa energia de uma possível teoria quântica de campo subjacente da gravidade. Isto permitiu-lhes computar a junção de fótons com efeitos gravitacionais, formulando uma solução analítica para o problema da deflexão da luz por um objeto pesado, como o Sol ou um buraco negro de Schwarzschild. Embora a sua correção quântica predita é demasiado pequena para ser medido experimentalmente, onde o efeito da gravidade é 80 ordens de grandeza maior, eles mostram que os efeitos quânticos causam uma diferença. Esta diferença decorre do fato de que as partículas sem massa como fótons não estão mais restritas a viajar exatamente sobre geodésicas, ou seja, na relatividade geral, as linhas retas modificados pela curvatura do espaço-tempo ao longo de qualquer movimento de partículas em queda livre. Em particular, elas são previstas para dobrar de forma diferente dependendo da sua rotação.

Estas alterações do comportamento previsto pela relatividade geral denota o desvio do princípio da equivalência de Einstein. A estrutura computacional apresentada pelos autores fornece uma maneira simples de avaliar os possíveis efeitos da gravidade quântica em e outros fenômenos cosmológicos.

Fonte: Physical Review Letters

A velocidade da luz e a explosão de neutrinos

O efeito da gravidade sobre os pares elétron-pósitron virtuais que se propagam através do espaço pode levar a uma violação do princípio da equivalência de Einstein, segundo cálculos de James Franson da Universidade de Maryland, Baltimore County.

© Chandra (remanescente da supernova SN 1987A)

Enquanto o efeito seria pequeno demais para ser medido diretamente utilizando técnicas experimentais atuais, poderia explicar a enigmática anomalia observada durante a famosa supernova SN1987A de 1987.
Em física teórica moderna, três das quatro forças fundamentais - eletromagnetismo, a força nuclear fraca e a força nuclear forte - são descritos pela mecânica quântica. A quarta força, a gravidade, não tem atualmente uma formulação quântica e é melhor descrita pela teoria geral da relatividade de Einstein. Conciliar relatividade com a mecânica quântica é, portanto, uma área importante e ativa da física.
Uma questão em aberto para os físicos teóricos é como a gravidade age sobre um objeto quântico, como um fóton. Observações astronômicas têm mostrado repetidamente que a luz é atraída por um campo gravitacional. Tradicionalmente, este é descrito usando a relatividade geral: o campo gravitacional curva o espaço-tempo, e a luz é levemente desviada quando passa pela região curvada. Na eletrodinâmica quântica, um fóton propagando através do espaço pode ocasionalmente se aniquilar, criando um par elétron-pósitron virtual. Logo depois, o elétron e o pósitron recombinam para recriar o fóton. Se eles estão em um potencial gravitacional, em seguida, para o pouco tempo que eles existem como partículas maciças, eles sofrem o efeito da gravidade. Quando eles se recombinam, eles vão criar um fóton com uma energia que está ligeiramente deslocada e que viaja um pouco mais lento do que se não houvesse potencial gravitacional. 
Franson analisou estas duas explicações para o porquê da luz diminuir à medida que passa através de um potencial gravitacional. Ele decidiu calcular o quanto a luz deve diminuir de acordo com cada teoria, prevendo que ele iria receber a mesma resposta. No entanto, surgiu uma surpresa: as mudanças previstas na velocidade da luz não combinam, e a discrepância tem algumas consequências muito estranhas.
Franson calculou que, considerando a luz como um objeto de quântico, a mudança na velocidade de um fóton não depende da intensidade do campo gravitacional, mas do próprio potencial gravitacional. No entanto, isso leva a uma violação do princípio da equivalência de Einstein, onde a gravidade e aceleração são indistinguíveis, porque o potencial gravitacional é criado junto com a massa, enquanto que em um referencial acelerado em queda livre, não é. Portanto, pode-se distinguir a gravidade da aceleração se um fóton diminui ou não durante a criação partícula-antipartícula.
Um exemplo importante é um fóton e um neutrino propagando em paralelo através do espaço. Um neutrino não pode aniquilar e criar um par elétron-pósitron, de modo que o fóton vai abrandar mais do que o neutrino que passam por um campo gravitacional, potencialmente permitindo que o neutrino viaje mais rápido do que a luz por aquela região do espaço. No entanto, se o problema é visto em um referencial em queda livre no campo gravitacional, nem o fóton nem o neutrino desacelera em tudo, de modo que o fóton continua a viajando mais rápido do que o neutrino.
Embora a ideia de que as leis da física pode ser dependente de um quadro de referência parece sem sentido, que poderia explicar uma anomalia em 1987 quando eclodiu a supernova SN1987A. Um pulso inicial de neutrinos foi detectado 7,7 horas antes da primeira luz da SN1987a chegar à Terra. Isto foi seguido por um segundo impulso de neutrinos, que chegou cerca de três horas antes da luz da supernova. Supernovas produzem grandes quantidades de neutrinos e o intervalo de três horas entre a segunda explosão de neutrinos e a chegada da luz está de acordo com a teoria atual de como uma estrela colapsa para criar uma supernova.
Pensa-se que o primeiro pulso de neutrinos está geralmente relacionado à supernova. No entanto, a probabilidade de uma tal coincidência é estatisticamente improvável. Se os resultados do Franson estão corretos, então a diferença de 7,7 horas entre o primeiro pulso de neutrinos e com a chegada da luz poderia ser explicado pelo potencial gravitacional da Via Láctea abrandar a luz. Isso não explica por dois pulsos de neutrinos precedeu a luz, mas Franson sugere que o segundo pulso pode estar relacionado a um colapso de duas etapas da estrela.
No entanto Franson é cauteloso, insistindo que "há razões muito sérias para ser cético sobre isso e a pesquisa não tem a pretensão de que é um efeito real, só que é uma possibilidade." Ele também é pessimista sobre as perspectivas para a ideia de ser comprovada ou refutada no futuro próximo, dizendo que as chances de outra supernova tão perto são muito baixas, e outros testes possíveis atualmente não têm precisão suficiente para detectar o efeito.
Raymond Chiao, da Universidade da Califórnia, concorda com Franson que, observacional e experimentalmente, "há uma série de ressalvas que precisam ser esclarecidas", mais notavelmente, que se a interpretação hipotética do Franson sobre SN1987A estiver correta, há dois claros pulsos de neutrinos separados em 5 horas, mas pouca evidência de dois pulsos de luz correspondentes. No entanto, ele diz: "Há uma tensão conceitual profundamente arraigada entre a relatividade geral e a mecânica quântica ... Se, de fato, Franson estiver certo, que é um passo enorme, na minha opinião: é a ponta do iceberg em que a mecânica quântica está correta e a relatividade geral deve estar errada."

Fonte: New Journal of Physics

Medido rastro de “chuveiro atmosférico”

Uma equipe internacional de pesquisadores descobriu uma nova forma de estudar os rastros deixados pelos "chuveiros atmosféricos".

© ASPERA (raios cósmicos ultraenergéticos)

O grupo é constituído por 102 cientistas de diversas universidades do mundo, entre eles o docente do Instituto de Física de São Carlos (IFSC/USP), Luiz Vitor de Souza Filho.

A união desse número expressivo de pesquisadores explica-se pela participação de todos eles em experimentos realizados no Observatório Pierre Auger, instalado aos pés da Cordilheira dos Andes, no Deserto de El Nihuil, na Argentina, e com o objetivo principal de detectar e estudar raios cósmicos ultra-energéticos, partículas que podem alcançar energias cerca de 1.000 vezes maiores do que as obtidas pelos atuais aceleradores de partículas.

Desde sua fundação, o Observatório Pierre Auger trabalha com duas ferramentas distintas para medição dos raios ultra-energéticos: a de "tanques de água", também conhecidos por "detectores de Cherenkov", e a de telescópios de fluorescência. Uma terceira, recém-descoberta, a "técnica de detectores de rádio", vem não para "aposentar" as anteriores, mas sim complementá-las. "Os membros do Observatório buscam, continuamente, o desenvolvimento de técnicas novas que tragam medidas mais precisas e detalhadas para, dessa forma, ampliar as possibilidades do Observatório como um todo", explica Luiz Vitor.

Através da técnica de detectores de rádio, descrita no artigo publicado na Physical Review D, intitulado Probing the radio emission from air showers with polarization measurements, são medidos os rastros deixados pelos "chuveiros atmosféricos" (air shower), cascatas de partículas que atravessam a atmosfera ininterruptamente. Invisível a olho nu, esse chuveiro, que é composto por prótons, elétrons, neutrinos, mésons e diversas outras partículas, atravessa os tanques de água deixando um tipo de "impressão digital", que será analisada pela nova técnica: "No trajeto entre a atmosfera e o solo, as partículas interagem com o hidrogênio presente no ar e emitem um flash luminoso muito fraco, visualizado pelos telescópios, e, ao mesmo tempo, emitem ondas de rádio", detalha Luiz Vitor.

A identificação e medição dessas ondas serão feitas por um conjunto de antenas espalhadas por uma grande área. Através de um sinal sincronizado entre elas, ondas de rádio emitidas pelo chuveiro atmosférico serão identificadas e, posteriormente, medidas.

Por ser largamente difundida para outros usos, a técnica de detectores de rádio não exige um grande desenvolvimento tecnológico para sua adaptação aos propósitos específicos do Observatório e tem um custo muito baixo. E, embora ainda não estejam sendo utilizados no Observatório, os detectores de rádio já estão hospedados no Pierre Auger há cinco anos. "No deserto, onde eles estão instalados, o local é ótimo para realização desses experimentos, pois a poluição de sinais e ruídos advindos de ondas de rádio em geral é quase nula", explica o docente.

O artigo trouxe detalhes sobre a operação dos novos detectores e a explicação e desenvolvimento da técnica de rádio. Por esse motivo, nenhum objetivo de astrofísica é mencionado. "Na literatura, duas teorias explicavam dois efeitos diferentes para emissão de ondas de rádio pelo chuveiro atmosférico: Efeito geomagnético e Efeito Askaryan, mas as evidências nunca haviam sido medidas. Esse, provavelmente, foi motivo pelo qual o artigo ganhou destaque e foi aceito numa importante revista científica da área", conta Luiz Vitor.

O próximo passo para o aprimoramento da pesquisa é o investimento, tanto financeiro quanto intelectual, no projeto. "Embora os resultados tenham sido positivos, a técnica de rádio mostrou algumas falhas, o que não a torna o 'carro-chefe' de uma nova etapa do Observatório. Apesar disso, os resultados são bons o suficiente para que continuemos investindo, mesmo que, paralelamente, outras técnicas também sejam investigadas", afirma Luiz Vitor. "Um dos objetivos do Observatório, inclusive, é se tornar um centro de medidas em astrofísica de partículas, o que reforça a intenção de reunir e estudar outros processos".

Mesmo que num primeiro momento a astrofísica não seja o foco do projeto, a técnica de rádio, apesar de suas limitações, poderá ajudar a trazer explicações que serão utilizadas para o constante melhoramento dos experimentos. Isso permitirá que diversas interrogações sejam finalmente esclarecidas e, consequentemente, possibilitará que a astrofísica avance no seu papel principal de desvendar os inúmeros enigmas de nosso Universo.

Fonte: IFSC/USP

Mais uma partícula exótica atinge IceCube

O experimento IceCube foi atingido por três neutrinos carregados de energias superiores à elevada faixa de voltagem 10¹⁵ PeV (Peta elétron-Volts), sugerindo que eles podem ser irradiados por explosões titânicas nas profundezas do espaço.

© NSF/C. Pobes (IceCube)

Até o momento, a instalação subterrânea no polo sul já descobriu três dos neutrinos mais energéticos já encontrados; partículas que talvez sejam criadas nas explosões mais violentas do Universo. Todos esses neutrinos têm energias na escala absurdamente alta de PeV, uma energia aproximadamente equivalente a um milhão de vezes a massa de um próton. Como Albert Einstein mostrou em sua famosa equação E = mc², energia e massa são equivalentes, e uma quantidade tão grande de massa se converte em um nível extremo de energia.
O experimento, chamado IceCube, revelou a descoberta dos dois primeiros neutrinos, apelidados Ernie e Bert, no ano passado. A descoberta do terceiro foi anunciada no dia 7 de abril no encontro da Sociedade Física Americana, em Savannah. “Internamente, ele é conhecido como Big Bird”, informou o físico do IceCube Chris Weaver, da University Wisconsin-Madison.
Esses neutrinos são valiosos por serem muito “reservados”, raramente interagindo com outras partículas. Além disso, como não possuem cargas energéticas, sua direção nunca é desviada por campos magnéticos no Universo. Por essa razão, suas trajetórias deveriam apontar diretamente para suas fontes de origem que, na opinião de astrônomos, poderiam ser diversos eventos intensos, como gigantescos buracos negros incorporando matéria, explosões chamadas erupções de raios gama ou galáxias formando estrelas a ritmos alucinantes.
A propensão a não interagir dificulta imensamente a detecção de neutrinos. O experimento IceCube procura registrar as ocasiões extremamente raras quando neutrinos colidem com átomos em um quilômetro cúbico (km³) de gelo enterrado abaixo do polo sul. Essa blindagem é necessária para filtrar (eliminar) colisões de outras partículas, mas ela não inibe neutrinos.
O experimento aproveita o gelo naturalmente puro do local, utilizando uma região subterrânea que tem duas vezes a profundidade do Grand Canyon.
Milhares de detectores de luz estão embutidos no gelo para captar os pequenos “blips”, pontos de luz criados quando neutrinos são capturados. Essas interações não são tão frequentes que pesquisadores do IceCube tiveram que procurar durante dois anos para encontrar os três neutrinos de alta energia.
Durante esse período o instrumento também detectou 34 neutrinos de energias um pouco mais baixas. Acredita-se que alguns deles sejam contaminações criadas quando partículas carregadas, chamadas raios cósmicos, atingem a atmosfera da Terra, mas uma parcela das capturas do IceCube provavelmente veio diretamente de processos violentos no Cosmos. Essas partículas são chamadas neutrinos astrofísicos. “Parece que conseguimos reunir evidências convincentes de neutrinos astrofísicos”, comemora o físico Albrecht Karle, da University of Wisconsin-Madison e membro da equipe do IceCube.
Os próprios raios cósmicos são um mistério.
Acredita-se que os mais enérgicos entre eles tenham origem nos mesmos processos que geram neutrinos astrofísicos. Mas como raios cósmicos (que, apesar do nome, na realidade são partículas de alta energia) têm cargas energéticas, eles viajam através do Universo por caminhos curvos, moldados por campos magnéticos.
O resultado disso é que eles não preservam informações de onde vieram. Estudar neutrinos é uma maneira de tentar entender a origem dos raios cósmicos de alta energia que, de algum modo, são acelerados a uma velocidade quase igual à da luz em algum tipo de acelerador de partículas cósmico.
Mas como, exatamente, isso acontece é uma questão em aberto que apenas mostra o quanto não sabemos sobre os processos mais violentos no Universo. “Esse é o maior mistério de nosso século”, admite Toshihiro Fujii, um pesquisador de raios cósmicos do Instituto Kavli para Física Cosmológica da University of Chicago. Fujii não esteve envolvido no experimento IceCube, mas garante que seus resultados ajudarão sua meta de compreender os raios cósmicos.
Um debate que envolve neutrinos de alta energia e raios cósmicos é se eles vêm de fontes galácticas ou extragalácticas; em outras palavras: eles se originam dentro ou fora de nossa galáxia, a Via Láctea?
A maioria das teorias favorece fontes extragalácticas como núcleos galácticos ativos, buracos negros supermassivos nos centros de outras galáxias que se alimentam de matéria.
Outra opção seriam erupções de raios gama, as explosões mais brilhantes conhecidas no Universo, que podem ocorrer durante o nascimento de algumas supernovas ou quando duas estrelas de nêutrons se fundem.
Outra possibilidade é que essas partículas são um subproduto de galáxias que estão colidindo e enviando ondas de choque através de seus gases, fazendo com que estrelas se formem a velocidades fantásticas.
Também é possível que a matéria escura, que supera de longe a matéria conhecida no Universo, esteja, de alguma forma, criando raios cósmicos e neutrinos de alta energia.
Com base na direção em que os 37 neutrinos viajavam quando atingiram o IceCube, poucos deles parecem ter se originado no plano galáctico, a parte mais densa da Via Láctea. Isso sugere que eles vieram de fora da nossa galáxia. “Alguns dos eventos mais interessantes estão muito distantes do plano galáctico”, salientou Nathan Whitehorn, pesquisador do IceCube na University Wisconsin-Madison.

À medida que o experimento capturar mais neutrinos de alta energia nos próximos anos, o mapa do IceCube de fontes de neutrinos no céu será aprimorado.
Cientistas estão particularmente interessados em descobrir se qualquer uma das partículas que o IceCube detecta pode ser rastreada até objetos cosmológicos conhecidos, como núcleos galácticos ativos visíveis ou erupções de raios gama. “Até hoje não temos qualquer evidência de correlação com uma fonte conhecida”, admite Naoko Kurahashi Neilson, outro colaborador do projeto IceCube na University Wisconsin-Madison.

Fonte: Scientific American

Discrepância cósmica e existência de neutrinos

Os neutrinos, algumas das partículas mais numerosas do Universo, também estão entre as mais misteriosas.

© T2K (neutrino de elétron aparece no detector Super Kamiokande)

A imagem mostra Um candidato a neutrino de elétron aparece no detector Super Kamiokande, do experimento japonês T2K, que já observou um número recorde de neutrinos trocando de “sabor”.

Nós sabemos que eles têm massa, mas não quanta massa. Sabemos que eles têm pelo menos três tipos, ou “sabores”, mas podem existir mais.
Um novo estudo descobriu que uma discrepância entre observações de aglomerados galácticos e medidas da radiação cósmica de fundo poderiam ser explicadas se neutrinos fossem mais massivos do que se acredita normalmente. Isso também oferece indícios tentadores da existência de um quarto tipo de neutrino, que até agora nunca foi observado.
A tensão entre aglomerados galácticos e a radiação cósmica de fundo (CMB, em inglês) é um problema cada vez maior, mas que talvez possa ser resolvido com a obtenção de dados melhores nos próximos anos.
A radiação de fundo mostra as pequenas variações de densidade no Universo primitivo que fizeram a matéria se acumular em alguns lugares e deixar espaços vazios em outros. O resultado final dessa aglomeração pode ser visto no Universo recente, com a disseminação de aglomerados galácticos pelo espaço.
As melhores medidas da radiação cósmica de fundo vieram do telescópio orbital Planck da ESA, em março de 2013.
Medidas de aglomerados galácticos, por outro lado, vêm de vários métodos, e entre eles está o mapeamento da disseminação de massa pelo Universo; esse mapeamento é realizado com a localização de lentes gravitacionais, a curvatura da luz provocada por aglomerados galácticos.
As duas medidas, porém, são discrepantes entre si. “Nós comparamos o Universo primitivo com o Universo mais recente, e temos um modelo que extrapola os dois”, explica Richard Battye da University of Manchester, na Inglaterra. “Se ficarmos com o modelo que se adequa aos dados da radiação cósmica de fundo, o número de aglomerados encontrados se torna menor que o esperado por um fator de dois”.
A discrepância poderia ser explicada se neutrinos tiverem atrapalhado o processo de formação de aglomerados galácticos, o que é uma possibilidade se essas partículas tiverem massa suficiente.
Acredita-se que em algum momento do passado o Universo cruzou um limiar energético que correspondia à massa dos neutrinos: quando o Universo ainda era quente e denso, no início de sua vida, neutrinos teriam sido relativísticos, movendo-se à velocidade da luz. Nesse estado, eles não teriam se aglomerado sob a força de sua própria atração gravitacional.
Após o Universo esfriar e cruzar o limiar energético, porém, neutrinos teriam desacelerado e começado a se mover a velocidades sub-luminares. Então eles finalmente teriam começado a se aglomerar como o resto da matéria do Universo. “O número de aglomerados galácticos que veríamos no Universo é uma função da massa dos neutrinos”, explica Battye. “Quanto mais massivos eles forem, maior sua contribuição para a densidade total de matéria do Universo, e eles acabam limitando levemente o processo de formação de aglomerados galácticos”.
Battye e seu colaborador, Adam Moss da University of Nottingham, na Inglaterra, descobriram que o número de aglomerados que vemos atualmente pode ser explicado se as massas dos três neutrinos conhecidos chegarem a aproximadamente 0,32 elétron-volt (com uma variação de 0,081), ou cerca de um terço de bilionésimo da massa de um próton.
Estimativas anteriores sugeriram que a massa dos neutrinos só precisaria atingir 0,06 elétron-volt. Uma massa total tão grande seria surpreendente e “muito interessante, com várias consequências positivas”, observa o físico teórico André de Gouvêa da Northwestern University, que não se envolveu no estudo.
Isso indicaria, por exemplo, que os três sabores de neutrino – elétron, múon e tau – têm quase exatamente a mesma massa, o que seria um pouco inesperado. Isso “teria um impacto sobre a maneira com que tentamos compreender o mecanismo por trás de massas de neutrino”, aponta Gouvêa.
Além disso, Battye e Moss encontraram evidências de que um quarto tipo de neutrino pode existir: um que seja “estéril”.
“A ideia é muito empolgante”, declara o físico Joseph Formaggio do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, que também não participou do estudo. “Nós esperamos encontrar três neutrinos. Mas com quatro haverá uma física além do Modelo Padrão”.
Os três neutrinos conhecidos têm a capacidade bizarra de trocar de sabor. Um neutrino estéril não seria capaz de fazer isso, e teria uma interação ainda mais fraca com a matéria comum que os sabores conhecidos, que já são bem tímidos.
Há muito tempo teóricos sugerem que neutrinos estéreis podem existir, mas até agora não há provas disso. Indícios recentes de alguns aceleradores de partículas, porém, começaram a sugerir que eles estão por aí. “O que é realmente interessante é que a massa desse neutrino estéril é consistente com o que foi observado pelos outros experimentos”, aponta Formaggio.

E, coincidentemente, outro estudo apoiando a ideia de neutrinos estéreis e massas maiores para essas partículas também foi produzido. Esse trabalho, conduzido por Mark Wyman da University of Chicago, também examinou tensões entre os dados do Planck e aglomerados galácticos, e chegou a conclusões semelhantes às de Battye e Moss.
Durante muitos anos acreditou-se que neutrinos não tinham massa nenhuma, mas a descoberta de que eles podem trocar de sabor também provou que eles têm pelo menos um pouquinho de massa.
Acredita-se que o estado de cada sabor seja uma mistura das três massas desconhecidas dos neutrinos e é por causa dessa mistura que qualquer sabor tem uma chance de se transformar em um dos outros com o passar do tempo.
A transformação só é possível se os estados de massa forem diferentes uns dos outros, e essa diferença só é possível se a massa dos neutrinos for diferente de zero, explica Formaggio.
Experimentos que tentam capturar neutrinos durante sua mudança de sabor poderiam ajudar a localizar as diferenças entre as massas dos neutrinos e nos dizer qual deles pesa mais, a chamada “hierarquia de massa de neutrinos”.
Um desses experimentos, chamado de NuMI Off-Axis ν_eAppearance (NOvA), registrou seus primeiros neutrinos na semana passada.
O experimento cria um feixe de neutrinos no Acelerador do Laboratório Nacional Fermi, perto de Chicago, e os envia para dois detectores, um perto do Fermilab e outro a 800 km de distância, em Ash River, no estado de  Minnesota. Todas as partículas começam como neutrinos de múon mas, em eventos raros, alguns deles chegam ao detector distante após se transformarem em neutrinos de elétron, que criam uma assinatura diferente. A frequência com que isso acontece está relacionada com a diferença entre as massas dos neutrinos de múon e de elétron.
Outro experimento, realizado no Japão, chamado de projeto Tokai to Kamioka (T2K) também procura essas transformações. A equipe anunciou na semana passada ter observado uma quantidade recorde de 28 candidatos a mutações de neutrinos de múon em neutrinos de elétron, e a previsão é que apenas cinco desses eventos sejam outros processos disfarçados.
Essa é a evidência mais forte até o momento para esse tipo de oscilação de neutrino, ainda que muito mais dados sejam necessários para responder perguntas a respeito das massas dessas partículas. “Isso é uma espécie de marco de percurso em uma corrida muito longa”, compara Formaggio. Os dois experimentos são complementares, explica Rick Tesarek, vice-líder de projeto do NovA. “O NovA têm algumas capacidades que o T2K não têm” e vice-versa. Os experimentos usam tecnologias diferentes de detecção que são sensíveis a efeitos diferentes, e o projeto NovA tem uma distância maior entre seu feixe de neutrinos e os detectores mais afastados.
Conforme esses experimentos coletam mais dados, os segredos das massas dos neutrinos podem ser revelados.
Os próximos anos também devem mostrar se as medidas de aglomerados galácticos realmente são incompatíveis com os dados da radiação cósmica de fundo, e assim esclarecer se esses dados indicam massas maiores de neutrinos e/ou um neutrino estéril. “As medidas melhoram o tempo todo”, observa Battye. “Eu imagino que em cinco anos nós saberemos se isso está certo ou não”.

O novo estudo foi publicado na edição de fevereiro no periódico Physical Review Letters.

Fonte: Scientific American

Experimento NOvA vê os primeiros neutrinos

Cientistas do experimento NOvA anunciaram que foram captados os seus primeiros neutrinos.

© ESO/P.Rosati (aglomerado de galáxias RDCS 1252.9-2927)

O experimento NOvA [NuMI (Neutrinos at the Main Injector) Off-Axis ν_e Appearance] é composto por dois grandes detectores de partículas situados a 500 quilômetros de distância, e seu trabalho é explorar as propriedades de um intenso feixe de partículas fantasmagóricas chamadas neutrinos. Os neutrinos são abundantes na natureza, mas eles raramente interagem com outra matéria. Estudá-los pode render informações cruciais sobre os primeiros momentos do Universo.

Diferentes tipos de neutrinos têm massas diferentes, mas os cientistas não sabem como essas massas se diferem um do outro. O objetivo do experimento NOvA é determinar a ordem das massas dos neutrinos, conhecida como a hierarquia de massa, que vai ajudar os cientistas a estreitar sua lista de possíveis teorias sobre a função dos neutrinos.
Bilhões dessas partículas são enviadas à Terra a cada dois segundos, atingindo os detectores de massa. Uma vez que a experiência é totalmente operacional, os cientistas vão identificar poucos deles a cada dia.

Os neutrinos são partículas curiosas. Elas têm três tipos, chamados de sabores, e mudam entre eles quando eles viajam. Os dois detectores do experimento NOvA estão colocados tão distantes para propiciar aos neutrinos o tempo de oscilar de um sabor para outro durante a viagem, quase à velocidade da luz.

Os cientistas geraram um feixe de partículas para o experimento NOvA usando um dos maiores aceleradores do mundo, localizado no Departamento de Energia do Fermi National Accelerator Laboratory, em Chicago. O feixe está direcionado para os dois detectores de partículas, um perto da fonte do Fermilab e o outro no rio Ash, em Minnesota, perto da fronteira com o Canadá. O detector no rio Ash é operado pela Universidade de Minnesota sob um acordo de cooperação com o Departamento de Energia.

Depois de concluído, os detectores próximos e distantes do NOvA vai pesar entre 300 e 14.000 toneladas, respectivamente.

"Os primeiros neutrinos significa que nós estamos no nosso caminho", disse o físico Gary Feldman da Universidade Harvard que participa do experimento desde o início. "Começamos a mais de 10 anos atrás a elaboração da criação desta experiência, por isso estamos ansiosos para obter resultados."

A colaboração NOvA é composta por 208 cientistas de 38 instituições nos Estados Unidos, Brasil, República Checa, Grécia, Índia, Rússia e Reino Unido. O experimento NOvA está programado para ser executado por seis anos.

Dedido o fato de os neutrinos interagirem com a matéria tão raramente, os cientistas esperam capturar apenas cerca de 5.000 neutrinos ou antineutrinos durante esse tempo. Os cientistas podem estudar o momento, a direção e a energia das partículas que interagem em seus detectores para determinar se eles vieram do Fermilab ou de outro lugar.

O Fermilab cria um feixe de neutrinos por colisão de prótons em um alvo de grafite, que libera uma variedade de partículas. São utilizados ímãs para orientar as partículas carregadas que emergem a partir da energia de colisão num feixe. Algumas dessas partículas decaem em neutrinos, e após são filtrados os não-neutrinos do feixe.

A imagem no topo mostra o aglomerado de galáxias RDCS 1252.9-2927 no Universo primordial, que se situa a cerca de 8,5 bilhões de anos-luz. Ele existia no momento em que o Universo tinha menos de 5 bilhões de anos. A imagem colorida composta do aglomerado de galáxias mostra a luz em raio X (roxo) a partir do gás com temperatura de 70 milhões de graus Celsius, e no óptico (vermelho, amarelo e verde) a luz das galáxias no aglomerado. Dados de raios X do Chandra e do XMM-Newton mostram que este aglomerado foi totalmente formado a mais de 8 bilhões de anos atrás. A massa medida de mais de 200 trilhões de sóis torna este aglomerado de galáxias o objeto de maior massa já encontrado quando o Universo era muito jovem. A abundância que os aglomerados cde galáxias apresentam são consistentes com a ideia de que a maioria dos elementos pesados ​​foram sintetizados no início da formação de estrelas de grande massa, mas as teorias atuais sugerem que um grupo tão grande deve ser raro no Universo primitivo.

Fonte: Fermi National Accelerator Laboratory

Turbulência ao redor de um buraco negro

Pesquisadores utilizaram uma relação entre a relatividade geral e hidrodinâmica, a chamada correspondência gravidade-fluido, para estudar como os buracos negros podem se comportar quando perturbado, por exemplo, por uma colisão com outro objeto.

© S. R. Green (ilustração da turbulência em buraco negro)

Os efeitos da turbulência pode provocar certas vibrações ao longo do espaço-tempo do buraco negro e exibir um comportamento qualitativamente diferente do que o esperado.

A correspondência gravidade-fluido é baseada na constatação de que, em certas circunstâncias, as equações da relatividade geral de Einstein se assemelham as equações de Navier-Stokes para dinâmica de fluidos. Normalmente, altera-se parâmetros da gravidade a fim de obter informações sobre algum problema difícil do lado do fluido. Por exemplo, o trabalho recente tem tentado descrever o movimento turbulento de partículas de fluido, mapeando-o para uma geometria do espaço-tempo curvo.

O físico Stephen Green, da Universidade de Guelph, no Canadá, e seus colegas investigaram a correspondência da gravidade-fluido de outra maneira, tentando entender perturbações no buraco negro através de um estudo de turbulência de fluidos, através do número de Reynolds. Eles consideraram um fluido bidimensional, cujas oscilações de velocidade correspondem às vibrações na superfície do buraco negro. A viscosidade do fluido caracteriza a perda de energia para o buraco negro, o que faz com que as perturbações decaiam. Ao contrário de trabalhos anteriores, a equipe analisou as consequências a longo prazo da turbulência na gravidade e descobriu que, em certos casos, um buraco negro pode desenvolver turbulências, tais como vórtices giratórios de ondas gravitacionais.

Esta turbulência no buraco negro prolonga a perturbação, onde os modos de longo comprimento de onda tem decaimento mais lento, fazendo com que esta transferência de energia prolongue a vida útil total da perturbação. Os trabalhos em curso podem nos dizer se a turbulência no buraco negro é observável através, por exemplo, variações nas linhas de emissão de acreção de gás.

Fonte: Physical Review X

Encontrados neutrinos oriundos do espaço

Durante décadas, os cientistas têm procurado por neutrinos vindos do espaço exterior, e agora finalmente foram encontradas.

© IceCube Collaboration (neutrinos de alta energia)

Os neutrinos são partículas subatômicas sem carga e com muito pouca massa.

Usando o observatório de neutrinos IceCube (South Pole Neutrino Observatory), na Antártida, os pesquisadores descobriram a primeira evidência de neutrinos provenientes de fora do Sistema Solar desde 1987. Os resultados propiciam uma nova era da astronomia que poderia revelar segredos dos fenômenos mais estranhos do Universo.

No século passado, os cientistas ponderaram a fonte dos raios cósmicos, que contêm a energia de uma bala de rifle em um único núcleo atômico. Acredita-se que objetos como supernovas, buracos negros pulsares, núcleos ativos de galáxias e explosões de raios gama produzem raios cósmicos, mas sua origem é difícil de detectar. Em vez disso, foram procurados neutrinos produzidos quando os raios cósmicos interagem com seus ambientes. Trilhões de neutrinos atravessem seu corpo a cada segundo, e apenas uma pequena fração deles interage com a matéria.

© Sven Lidstrom (IceCube)

O IceCube está localizado dentro de um quilômetro cúbico de gelo sob o pólo sul. O observatório é constituído por 5.160 módulos ópticos digitais suspensos a partir de 86 cordas, que detectam os minúsculos flashes de luz azul emitidos quando neutrinos interagem com moléculas no gelo, fenômeno conhecido como radiação Cherenkov. Outros 344 módulos compõem o IceTop, um detector complementar instalado na superfície, necessário para filtrar os eventos causados pela interação dos raios cósmicos com a atmosfera terrestre. A maioria dos neutrinos detectados na Terra se originam na atmosfera da Terra ou do Sol.

Mas em abril de 2012, o IceCube detectou dois neutrinos com energia acima de 1 PeV (petaelétron-volt), os primeiros neutrinos definitivamente detectados fora do sistema solar desde 1987, quando aconteceu na supernova 1987A na Grande Nuvem de Magalhães. Os novos eventos são mais de 1 milhão de vezes mais energéticos do que os observados em 1987.

Análises mais aprofundadas revelaram 28 neutrinos de alta energia em dados do IceCube tomadas a partir de maio de 2010 até maio de 2012. Cada evento foi maior do que 30 TeV (teraelétron-volt).

“Temos algumas evidências convincentes de que temos neutrinos provenientes de fora do Sistema Solar”, disse o co-autor Nathan Whitehorn, físico da Universidade de Wisconsin-Madison.

O número de eventos é demasiado pequeno para identificar a origem dos neutrinos, no entanto.

“Nós ainda não temos um número de neutrinos suficiente para determinar sua origem”, disse Uli Katz, físico de partículas da Universidade de Erlangen-Nuremberg, na Alemanha, que não estava envolvido com a pesquisa e que está liderando o projeto de um outro observatório de neutrinos chamado KM3net, que será construído sob o Mar Mediterrâneo.

Fonte: Science

Experimento não detecta matéria escura

Os primeiros resultados do experimento LUX (Large Underground Xenon) foram nulos, indicando que a matéria escura que se acredita compor uma grande parte do Universo é ainda mais elusiva do que acreditavam muitos especialistas.

© Laboratório Sanford (o Grande Detector Subterrâneo de Xenônio)

Enterrado a cerca de 1,5 km de profundidade em uma mina de ouro reformada na Dakota do Sul, que atualmente é a Instalação de Pesquisa Subterrânea Sanford, o experimento LUX procura sinais de partículas de matéria escura colidindo com os átomos em um tanque de xenônio líquido. Durante seus primeiros três meses de operação o detector não encontrou qualquer tipo de sinal. “Nós procuramos muito por essas partículas de matéria escura e não vimos nada”, declara o físico Rick Gaitskell da Brown University.
Os resultados eliminam várias massas e características possíveis para as partículas que compõem a matéria escura, e também conflita com experimentos anteriores que relataram possíveis sinais de matéria escura.
Cerca de um quarto do Universo parece ser composto de matéria escura, que faz sua presença ser sentida através da gravidade, apesar de não poder ser vista ou tocada. Uma das principais explicações da matéria escura postula que ela é composta de partículas chamadas de WIMPs (Partículas Massivas de Interação Fraca, em inglês). Se existirem, um bilhão dessas WIMPs provavelmente atravessam seu corpo a cada segundo sem que seus átomos percebam. A reticência dessas partículas em interagir com a matéria conhecida apresenta um desafio a físicos que pretendem detectar a matéria escura. Hipóteses sugerem, porém, que em situações muito raras WIMPs devam se chocar com átomos convencionais em vez de passarem pelo espaço entre eles. 
Pesquisadores do LUX esperam captar esses impactos escassos ao medir fótons emitidos por um átomo de xenônio que for atingido por matéria escura. Para reduzir as chances de qualquer outra coisa fazer o xenônio emitir luz, como partículas espaciais carregadas, chamadas de raios cósmicos, o detector fica altamente protegido e enterrado no fundo da mina. Em termos de radioatividade de fundo, os raios cósmicos e outros contaminantes, o centro do tanque do LUX, 368 kg de xenônio líquido resfriado a -150°C, é o lugar mais silencioso do mundo.
O experimento é duas vezes mais sensível a partículas hipotéticas de matéria escura com grandes massas que outros detectores, e é ainda melhor se as partículas de matéria escura forem relativamente leves. O fato de o LUX ainda não ter registrado nenhum impacto desse tipo indica que as partículas no espectro de massa a que ele é sensível, entre 5 e 10 mil vezes a massa de um próton, interagem de maneira extremamente rara com a matéria comum. A massa do próton é cerca de 0,94 GeV, enquanto que a massa do bóson de Higgs é da ordem de 125 GeV.
Os novos resultados do LUX também lançam dúvidas sobre alegações anteriores de possível detecção de matéria escura. O projeto italiano DAMA (DArk MAtter) alegou ter observado sinais de WIMPs há mais de uma década, e mais recentemente o CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) e o experimento CoGeNT (Coherent Germanium Neutrino Technology), ambos em Minnesota, observaram alguns eventos que podem ser atribuíveis à matéria escura.

Juan Collar da University of Chicago, que dirige o projeto CoGeNT, declara acreditar que a equipe do LUX não levou adequadamente em conta efeitos de campo elétrico e que, portanto, podem ter subestimado a sensibilidade do detector de xenônio para WIMPs de pouca massa.
Blas Cabrera da Stanford University, que dirige o projeto CDMS, também sustenta que o que seu projeto observou ainda pode ser matéria escura. “É improvável que o LUX tenha descartado toda a região de interesse para WIMPs de pouca massa, porque o xenônio não é tão sensível quanto outros materiais à matéria escura nesse espectro de massa”, aponta ele. (O CDMS usa detectores de silício e de germânio).

A competição é acirrada para descobrir qual será o primeiro experimento a encontrar matéria escura. O LUX é o experimento mais recente em uma série de buscas que estão em andamento há mais de três décadas, e nenhuma delas encontrou evidências conclusivas de matéria escura. O LUX continua a coletar dados, e os pesquisadores já estão planejando um detector de xenônio ainda maior, chamado de LUX-ZEPLIN.

Os cientistas esperam produzir as WIMPs ou outras evidências de "supersimetria" no Grande Colisor de Hádrons (LHC), instalado na Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear (CERN), na fronteira da Suíça com a França; hoje, porém, o LHC está fechado para manutenção, o que deve durar até 2015. Até agora, ninguém viu uma única WIMP no espaço ou no subsolo.

Um artigo foi submetido para publicação à Physical Review Letters.

Fonte: Scientific American

Higgsogênese pode explicar matéria escura

Um enigma fundamental da cosmologia talvez possa ser solucionado pela descoberta do bóson de Higgs, em 2012.

© CERN (interações bósons-antibósons de Higgs)

Dois físicos sugerem que o Higgs teve um papel crucial no Universo primitivo ao produzir a diferença observada entre o número de partículas de matéria e antimatéria e determinar a densidade da misteriosa matéria escura que compõe cinco sextos da matéria no Universo.
Em um artigo aceito para publicação em Physical Review Letters, Sean Tulin, da University of Michiganem Ann Arbor, e Géraldine Servant, do Instituto Catalão de Pesquisa e Estudos Avançados em Barcelona, na Espanha, afirmam que pode ter havido uma assimetria entre o bóson de Higgs e seu complemento de antimatéria, o antibóson de Higgs, no Universo jovem.
Acredita-se que atualmente o Higgs não tenha uma antipartícula, mas o modelo cosmológico padrão permite a existência tanto de bósons de Higgs quanto de antibósons de Higgs no Universo muito jovem. A proposta de Tulin e Servant é que havia um desequilíbrio no número dessas partículas. Como o Higgs interage com a matéria comum, o desequilíbrio numérico entre as partículas e antipartículas de Higgs pode ter se manifestado através de uma assimetria na quantidade de matéria e antimatéria. “Realmente consideramos o Higgs um elemento-chave, ao passo que em muitas outras teorias cosmológicas ele é tido apenas como um subproduto”, diz Tulin.
Os cientistas apelidaram a ideia de Higgsogênese, nome inspirado na bariogênese, um processo no Universo jovem que, segundo a proposta, teria criado mais bárions (partículas que incluem prótons e nêutrons) que antibárions. “A Higgsogênese é uma alternativa”, sugere Tulin.
Partículas Perdidas
Tulin e Servant mostram que se o Higgs também interagiu com a matéria escura, por exemplo ao gerar partículas de matéria escura quando decai, ele poderia ter produzido uma proporção entre matéria escura e matéria visível exatamente igual à que observamos no Universo atual.
De acordo com Servant, uma consequência dessa forma de interação seria um novo teste em potencial para detectar a matéria escura que até agora provou ser tão difícil de ser observada diretamente.
Quando o Higgs decai e origina outras partículas no Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês) no CERN, o laboratório europeu de física de partículas perto de Genebra, na Suíça, ele ocasionalmente forma partículas indetectáveis de matéria escura. Os decaimentos do Higgs no LHC ainda não foram suficientemente bem estudados para sabermos se isso de fato acontece, mas esse estudo pode acontecer futuramente, observa Servant.
Há outros grupos estudando a Higgsogênese.
Em julho, a teórica Sacha Davidson, da Universidade de Lyon, na França, e seus colegas divulgaram um artigo em que examinaram o que seria necessário para produzir a assimetria entre os bósons e antibósons de Higgs para dar início à Higgsogênese no Universo jovem. Eles constataram que uma teoria relativamente simples, em que o modelo padrão da física de partículas inclui todas as partículas normais além de dois Higgs mais uma partícula extra parecida com a de Higgs, porém inobservável, pode produzir uma assimetria do tipo proposto por Servant e Tulin.
Manoj Kaplinghat, um físico teórico da University of California em Irvine, aprecia a proposta dos dois físicos devido à sua simplicidade. “Sabemos que o Higgs existe, sabemos que há uma assimetria entre matéria e antimtéria, e eles estão tentando juntar três fatos empíricos”, explica ele. “É uma abordagem minimalista e é isso que a torna interessante”.

Fonte: Nature

Novo modelo hipotético para Universo curvo

Vivemos em um Universo inclinado?!

© ESA/Planck Collaboration (oscilação da radiação cósmica de fundo)

Foi isso que os cosmólogos concluíram ao examinar a estrutura detalhada da radiação remanescente do Big Bang. Dois cosmólogos acabam de mostrar que os dados são consistentes com um Universo ligeiramente curvo, lembrando o formato de uma sela. Se o modelo estiver correto, a antiga convicção de que o cosmos é plano seria invalidada.
Em uma escala ampla, as medições de precisão da radiação cósmica de fundo (CMB) feitas pela sonda Wilkinson de Anisotropia em Microondas (WMAP) da NASA forneceram os primeiros sinais de uma assimetria em 2004.
Alguns especialistas ponderaram se a descoberta teria sido um erro sistemático que seria corrigido quando a sucessora da sonda da NASA, o satélite Planck da ESA mapeasse a CMB novamente com maior precisão. Mas os resultados do Planck, divulgados em março deste ano, confirmaram a anomalia.
Para explicar esse resultado, Andrew Liddle e Marina Cortês, da University of Edinburgh, no Reino Unido, propuseram um modelo de inflação cósmica, um período hipotético de rápida expansão logo após o Big Bang, em que o Universo expandiu exponencialmente em magnitude numa pequena fração de segundo.
A teoria da inflação cósmica mais simples afirma que o Universo é plano e que sua expansão é impulsionada por um único campo quântico chamado inflaton. Nesse modelo, o inflaton tem duas funções: ele desencadeou uma hiperexpansão e gerou minúsculas flutuações de densidade que se ampliaram e se tornaram sementes de galáxias.
Essa versão, porém, não explica a assimetria do Universo, exceto como uma casualidade estatística, algo parecido com uma chamada “moeda honesta” (em que a probabilidade de dar cara ou coroa é de 50% para as duas) que por acaso resulta em muito mais caras que coroas quando lançada mil vezes. Se as anomalias da CMB não são casuais, elas poderiam oferecer uma janela inédita para a estrutura detalhada dos primórdios do Universo, observa Liddle.
Como muitos teóricos antes deles, os dois pressupõem um segundo campo quântico, o curvaton, para estabelecer as flutuações primordiais de densidade no Universo jovem, restringindo a ação do inflaton apenas à era da hiperexpansão.
Os pesquisadores mostraram que o campo curvaton geraria as flutuações assimétricas de densidade que foram observadas se o espaço tivesse uma curvatura ligeiramente negativa em grandes escalas. Isso significa que se fosse possível “desenhar” grandes triângulos no espaço, a somatória de seus ângulos internos seria inferior a 180º. (Em um Universo plano os ângulos somariam exatamente 180º e em um Universo curvado positivamente a somatória seria mais que 180º.)
O trabalho dos autores é o primeiro a explicar a assimetria por meio do “primeiro princípio” (axioma ou premissa que não pode ser deduzida de qualquer outra proposição), comentou Adrienne Erickcek, uma teórica da University of North Carolinaem Chapel Hillque não participou do estudo.
No cenário de Liddle e Cortês, a assimetria da CMB derivaria de uma falta de uniformidade na megaescala do Universo, codificada no campo curvaton. Em 2008, Erickcek e seus colegas propuseram um mecanismo similar, mas seu modelo não supôs um Universo curvado negativamente.
Embora numerosas observações indiquem que o cosmos de fato é plano, os desvios nos dados da radiação cósmica de fundo previstos pelo modelo mais recente, que os autores admitem ser especulativo, poderiam ser suficientemente pequenos para se encaixar nos limites impostos pelas medições do satélite Planck, explica Liddle. Futuros experimentos com medições mais precisas poderão determinar quem está certo.

Fonte: Physical Review Letters

Polarização na radiação cósmica de fundo

Astrônomos detectaram um sinal de polarização previsto há muito tempo nas ondulações do Big Bang.

© NASA/COBE (anisotropia da radiação cósmica de fundo)

O sinal, conhecido como polarização de modo B, é provocado pelo arrasto gravitacional da matéria sobre fótons de microondas deixados pelo Big Bang.
Sua detecção, feita por um telescópio de microondas no Polo Sul aumenta as esperanças de que o sinal possa ser usado para mapear a quantidade de matéria do Universo e determinar as massas de três tipos de neutrinos; na prática, usando a astronomia para atingir um dos principais objetivos da física de partículas. A detecção também sugere que pode ser possível detectar outro tipo de modo B, que poderia ser evidência de que o Universo, no momento após o Big Bang, passou por uma violenta expansão conhecida como inflação.
“O motivo de ninguém ter conseguido ver isso antes é que esse é um sinal muito pequeno, cerca de uma parte em 10 milhões”, explica Duncan Hanson, astrofísico da McGill University em Montreal, no Canadá, que liderou o trabalho, usando receptores ultra-sensíveis no Telescópio do Polo Sul (TPS), de 10 metros. Em comparação, as primeiras medidas de ondulações na radiação cósmica de fundo, divulgadas em 1992 por pesquisadores usando o satélite COBE (Cosmic Background Explorer) da NASA, registrava diferenças de quatro partes em 100 mil.
Outros instrumentos também estão tentando detectar modos B, incluindo o experimento POLARBEAR e o Telescópio Cosmológico do Atacama (TCA), ambos em Chajnantor, no Chile.
“Eles nos derrotaram, e eu tiro o chapéu para eles”, elogia Lyman Page, astrônomo da Princeton University, em Nova Jersey, e principal pesquisador do ACT. “Esse é um sinal intrinsecamente claro, e todos nós acreditamos que ele se tornará uma ferramenta importante para medir o conteúdo do Universo”.
David Spergel, astrofísico teórico também de Princeton, concorda. “Essa é a primeira vez em que a polarização foi usada para identificar estruturas de grande escala no Universo”, observa ele.  
O TPS, ativado em 2007, usa a radiação cósmica de fundo para mapear as posições de galáxias e aglomerados estelares. Seus sensíveis receptores de microondas foram instalados em 2012 e conseguiram detectar variações no sinal de modo B por escalas muito pequenas no céu, aponta John Carlstrom, astrofísico da University of Chicago, em Illinois, e principal pesquisador do SPT. Para usar o sinal para localizar as massas de neutrinos, que compõem uma porção desconhecida da matéria sendo mapeada, astrônomos terão que varrer um trecho do céu muito maior que os 100 graus quadrados mapeados pelo TPS. Mesmo assim, Carlstrom lembra que não é impossível que telescópios determinem a massa de neutrinos nos próximos anos, antes que experimentos planejados para a física de partículas tentem fazer a mesma coisa com feixes de neutrinos na Terra.
Mas o objetivo final dos experimentos de polarização de microondas não é fazer física de partículas, mas cosmologia. Eles estão perseguindo uma classe diferente de modos B “primordiais”, que acredita-se serem gerados pela rápida expansão do espaço durante a inflação. Qualquer detecção seria uma confirmação definitiva da inflação – uma das principais teorias da cosmologia – e estabeleceria sua escala de energia, o que seria útil para físicos que trabalham para desenvolver teorias da gravidade quântica.
Mas modos B primordiais existiriam como pequenas variações em grandes escalas com mais de um grau de diâmetro, grandes demais para que o TPS encontre importância estatística com o trecho celeste relativamente pequeno que ele observa.
O satélite Planck da ESA que varre o céu inteiro, pode ser capaz de identificá-los.
Também é possível que eles sejam discerníveis em conjuntos de dados menores, como o TPS, uma vez que modos B gravitacionais tenham sido mapeados e removidos, com o potencial de revelar qualquer sinal primodial abaixo. De acordo com Spergel, a observação mais recente do TPS sugere que essa abordagem para detectar modos B é um bom prospecto.

Um artigo sobre a pesquisa foi publicado na revista Nature.

Fonte: Scientific American Brasil

A quebra o limite de Chandrasekhar?

As anãs brancas que se formam em campos magnéticos extremos podem ser estabilizadas, permitindo-lhes a se tornarem maiores antes de explodirem, de acordo com uma equipe de pesquisadores na Índia.

© NASA/MPIA/Calar Alto Observatory (supernova Tycho - SN 1572)

As supernovas do tipo Ia, causada pela explosão de anãs brancas, são muitas vezes utilizadas por astrônomos como “velas padrão” para calcular a distância de um ponto no espaço, porque eles são extremamente brilhantes e geralmente têm luminosidade semelhante. Mas algum tipo anormalmente brilhante de supernova Ia  pode ter sido observada recentemente e o novo trabalho pode fornecer uma explicação.
Uma anã branca é uma estrela que tem usado todo seu hidrogênio e hélio e está no estágio para queimar carbono. Por conseguinte, colapsou em um estado extremamente denso. Com nenhuma fonte de energia, que brilha somente por causa do calor residual, e ao longo de bilhões de anos, vai esfriar e se tornar uma anã negra, se permanecer em repouso.
Em 1935, o astrofísico indiano Subrahmanyan Chandrasekhar mostrou que uma estrela não geraria uma anã branca se sua massa fosse maior do que 1,44 massas solares, porque a temperatura do núcleo seria suficiente para inflamar a fusão de carbono. Se a massa de uma estrela aumentasse para além deste “limite de Chandrasekhar” depois do colapso para formar uma anã branca, a estrela encolhe ainda mais. A perda de energia potencial gravitacional provoca um aumento da temperatura, e um processo de fusão de fuga começa, criando uma grande explosão termonuclear que destrói a estrela em segundos.
Porque supernovas do tipo Ia são quase sempre formada pela explosão termonuclear de um objeto com aproximadamente a mesma massa, elas têm quase sempre o mesmo brilho. Observações de supernovas do tipo Ia distantes provou que a expansão do Universo estava se acelerando, uma descoberta recompensada com o Prêmio Nobel 2011 de Física. No entanto, houve um pequeno número de observações preocupantes recentemente nas proximidades de supernovas do tipo Ia que são anormalmente brilhante, e que parecem ter sido formadas pela detonação de uma anã branca bem acima do limite de Chandrasekhar. A ausência de um modelo satisfatório para a forma como estas poderiam ser produzidas colocou um ponto de interrogação sobre o uso de supernovas do tipo Ia como “velas padrão” para a observação de galáxias distantes.
Na nova pesquisa, Upasana Das e Banibrata Mukhopadhyay do Instituto Indiano de Ciência, em Bangalore sugerem que estas anãs brancas “super-Chandrasekhar” podem ocorrer em campos magnéticos muito altos. Tais campos poderiam estabilizar uma anã branca de massa até 2,58 massas solares por um processo conhecido como quantização Landau. Isto iria aumentar a resistência do remanescente estelar do colapso gravitacional, permitindo que ele continue a acreção de massa até atingir um limite superior.

Mas como tais campos magnéticos podem ser gerados?

Das e seus colegas destacam que os campos magnéticos de 10⁷–10⁸ G (Gauss) podem ser detectados em cerca de 25% de anãs brancas durante a acreção. Se tal estrela colapsa, o fluxo magnético é conservado, ao passo que o raio é reduzido drasticamente. Os campos magnéticos, por conseguinte, tornam-se ordens de magnitude mais forte.
Mukhodpadhyay acredita que a equipe precisa se concentrar em observar uma amostra maior de anãs brancas altamente magnetizadas na esperança de observar campos acima de 10⁹ G. Porém, um aumento no campo pode não ser detectável durante a acreção da anã branca devido à blindagem magnética.
A existência anãs brancas “super-Chandrasekhar” é uma grande mudança de paradigma na compreensão da existência de anãs brancas e vários dos resultados relacionadosdeverá examinado sob essa luz. É cedo inferir que o modelo tem quaisquer implicações diretas para a taxa de expansão do Universo.
Jeffrey Silverman, um astrofísico da Universidade do Texas, em Austin, diz que o trabalho apresenta “um aumento impressionante na massa da anã branca que corresponde as observações recentes”. Ele é mais cético, no entanto, sobre as reivindicações dos pesquisadores de uma mudança de paradigma. Temos visto muito poucos destes objetos “super-Chandrasekhar”. É altamente improvável que os cálculos da história do Universo apresente muitos desses objetos!

Fonte: Physical Review Letters

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

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

Explosões de raios gama liberam menos partículas

As erupções de raios gama são explosões que acontecem em galáxias distantes e liberam enormes quantidades de energia.

© NASA (ilustração de uma erupção de raios gama)

Até recentemente, eram vistas como o evento de maior energia em todo o Universo, mas um estudo publicado pela revista científica Nature pode mudar esta concepção.

A colaboração científica IceCube da NSF (National Science Foundation) descobriu que o fluxo de partículas, constituído de neutrinos, associado ao surgimento das erupções de raios gama é, pelo menos, 3,7 vezes menor do que se previa.

A descoberta pode ter dois significados. Ou estas erupções não são responsáveis pelos raios cósmicos de maior energia no Universo, ou elas produzem muito menos neutrinos do que a teoria previa.

© NSF (IceCube Lab)

O IceCube Neutrino Observatory, instrumento utilizado na pesquisa, é um detector de neutrinos localizado na Antártica. Ele possui mais de 5 mil sensores óticos dentro de uma região de um quilômetro cúbico para medir a direção e a energia de partículas chamadas múons, que se colidem com o gelo. A partir destas medições, os cientistas fazem descobertas sobre a física de partículas.

Fonte: G1 e Nature

Gravidade quântica pode ser testada

Os físicos acreditam que a teoria da gravidade de Einstein e a física quântica vão coalescer em uma teoria única nas chamadas escalas de Planck.

© U. Viena (pulso de laser usado para testar a gravitação quântica)

Nessas escalas, de altíssimas energias e dimensões inimaginavelmente pequenas, acredita-se que ocorram fenômenos que não ocorrem em outras escalas.

O problema é que as escalas de Planck estão tão fora da dimensão humana que a maioria dos estudiosos afirma que é virtualmente impossível testar experimentalmente a gravidade quântica, a não ser em eventos cósmicos muito raros e difíceis de observar.

Um fator preponderante é que o comprimento de Planck é cerca de 1,6 x 10^-35 metro. Se você der um zoom nessa dimensão, e torná-la do tamanho de 1 metro, então um único átomo terá o tamanho do Universo inteiro.

A energia de Planck, por outro lado, é tão descomunal que faz o acelerador do LHC parecer uma pilha descarregada; um acelerador de partículas capaz de produzir a energia de Planck seria enorme.

Outro fator intrigante é a massa de Planck, que é 2,17 × 10^-8 kg, mais ou menos a massa de um grão de poeira, que parece ser grande demais para os fenômenos quânticos.

Fica então, de um lado, a teoria de Einstein especulando sobre dimensões muito grandes e, de outro, a mecânica quântica indagando sobre moléculas, átomos e coisas ainda menores, ambas falando muito bem em suas respectivas áreas, mas inconciliáveis.

Uma equipe internacional de físicos afirma que se pode testar experimentalmente algumas predições da teoria da gravidade quântica observando os efeitos quânticos em um sistema com a massa de Planck.

Na mecânica quântica, é impossível saber, ao mesmo tempo, onde uma partícula está e a que velocidade ela está se movendo.

Apesar disso, é possível fazer duas medições consecutivas: uma medição da posição da partícula, seguida por uma medição do seu momento, ou vice-versa.

Conforme a sequência usada - primeiro a posição e depois a velocidade, ou vice-versa -, serão obtidos resultados experimentais diferentes.

De acordo com várias teorias da gravidade quântica - ou candidatas a teoria da gravidade quântica - essa diferença entre as duas medições se altera dependendo da massa do sistema, uma vez que o comprimento de Planck, uma espécie de quantum do comprimento, coloca um limite à medição de distâncias.

A equipe de físicos agora demonstrou matematicamente que, embora essas diferenças sejam muito pequenas, elas podem ser verificadas usando sistemas quânticos muito maciços, utilizando a gigantesca massa de Planck.

Mas isso não é um problema assim tão grande, uma vez que a própria equipe da Universidade de Viena já conseguiu estabelecer uma interação entre um fóton e um ressonador micromecânico, criando o chamado acoplamento forte, capaz de transferir efeitos quânticos para o mundo macroscópico.

Ou seja, para eles, é possível testar a gravidade quântica em laboratório.

O experimento proposto lembra um pouco uma técnica usada recentemente para produzir luz a partir do vácuo.

A ideia principal é usar um pulso de laser para interagir quatro vezes com um espelho em movimento para avaliar com exatidão a diferença entre as duas medições - medir primeiro a posição e depois medir o momento, em comparação com medir primeiro o momento e depois medir a posição.

Segundo a equipe, atingindo a precisão adequada, é possível mapear o efeito no pulso de laser, lendo os resultados com técnicas de óptica quântica.

"Qualquer desvio do resultado previsto pela mecânica quântica será muito excitante," afirmou Igor Pikovski, da Universidade de Viena, idealizador da técnica, "mas mesmo se não for observado nenhum desvio, os resultados poderão ajudar na busca por possíveis novas teorias."

Fonte: Nature Physics e Inovação Tecnológica

Ondas de rádio torcidas em múltiplos canais

Um grupo de pesquisadores italianos e suecos parece ter resolvido o problema do congestionamento dos canais de transmissão de dados via rádio ou transmissões wireless.

© Revista Física (ondas eletromagnéticas torcidas)

Celulares, internet sem fio e TVs digitais estão provocando um esgotamento rápido do número de frequência de rádio disponíveis para transmitir informações, embora a adoção da era digital esteja longe de atingir seu potencial.

A saída pode ser trançar as ondas de rádio, girando-as em seu próprio eixo, até que elas assumam o formato da rosca de um parafuso.

Uma onda pode ser girada ao redor de seu eixo um certo número de vezes, tanto no sentido horário quanto anti-horário, o que permite montar inúmeras configurações de ondas diferentes, que podem compartilhar a mesma banda de transmissão, ou a mesma frequência.

Agora, Fabrizio Tamburini e seus colegas das universidades de Pádua (Itália) e Uppsala (Suécia) demonstraram que isso também é possível de se fazer na prática com as ondas de rádio.

As ondas de rádio torcidas permitem que um número praticamente infinito de canais possa ser transmitido e recebido em uma mesma área. O mecanismo funciona para rádio, TV e WiFi.

Para demonstrar a técnica, a equipe transmitiu ondas de rádio torcidas, na banda de 2,4 GHz, por uma distância de 442 metros, entre uma casa na Ilha de São Jorge e um prédio na região continental de Veneza, na Itália.

Os dois canais inseridos na transmissão foram detectados e separados perfeitamente.

"É possível usar a multiplexação, como na TV digital, em cada um dos feixes, para implementar ainda mais canais nos mesmos estados, o que significa que se pode obter 55 canais na mesma banda de frequência," disse Tamburini.

A descoberta tem efeitos também na astrofísica.

Os buracos negros, por exemplo, estão girando constantemente. Conforme as ondas passam por eles, elas são forçadas a girar, alinhando-se com o buraco negro.

De posse dos novos cálculos, os astrofísicos poderão tirar mais informações da luz captada, em diversos comprimentos de onda, vinda desses e de outros corpos celestes.

"Nós descobrimos que isso cria um novo efeito relativístico que estampa um momento angular orbital nessa luz," afirma o grupo, em um outro artigo que estabelece os fundamentos teóricos da descoberta.

Fonte: New Journal of Physics e Nature Physics

Átomo simula asteroides troianos de Júpiter

Físicos construíram um modelo preciso de uma parte do Sistema Solar no interior de um único átomo de potássio.

© Minor Planet Center (asteroides troianos)

A imagem acima mostra as órbitas dos planetas Mercúrio, Vênus, Terra, Marte e Júpiter (azul claro); asteroides do cinturão principal (pontos verdes); os "Near Earth Objects" (círculos em vermelho); os asteroides troianos (pontos azul escuro); e os cometas (quadrados em azul claro).

Eles fizeram com que um elétron orbitasse o núcleo do átomo exatamente da mesma forma que os asteroides troianos de Júpiter orbitam o Sol.

Os átomos são comumente representados como sistemas planetários, graças ao modelo criado por Niels Bohr em 1913.

© TU Vienna (modelo atômico de Bohr)

Contudo, apesar de o modelo de Bohr ser bem ilustrativo, a mecânica quântica estabelece que o elétron pode ser encontrado em muitos lugares, o que transforma sua órbita em um espaço grande, difuso e incerto.

Na física quântica, o elétron é definido como uma onda, ou uma "nuvem de probabilidades". Simplesmente não faz sentido perguntar qual é a "posição real" de um elétron, porque ele está situado em todas as direções possíveis ao redor do núcleo ao mesmo tempo.

Mas, os cientistas da Áustria e dos Estados Unidos descobriram que os átomos têm algo em comum não apenas com os sistemas planetários, mas com o nosso Sistema Solar em particular.

Mais especificamente, eles descobriram que um tipo especial de átomo pode simular os asteroides troianos de Júpiter, asteroides que viajam à frente e atrás do planeta, em pontos de equilíbrio gravitacional conhecidos como pontos de Lagrange.

Da mesma forma que Júpiter estabiliza a órbita dos seus asteroides troianos, a órbita dos elétrons ao redor do núcleo atômico pode ser estabilizada usando um campo eletromagnético.

No experimento, a influência estabilizadora da gravidade de Júpiter foi substituída por um campo magnético precisamente ajustado. O campo oscila precisamente com a frequência correspondente ao período orbital do elétron ao redor do núcleo.

Isso estabelece um ritmo para o elétron, de forma que o elétron-onda é mantido em um ponto específico por um longo tempo.

Com isto, o elétron pode até mesmo ser empurrado para outra órbita - mais ou menos como se os asteroides troianos de Júpiter fossem subitamente forçados a orbitar Saturno.

Para fazer isto, o grupo usou um raio laser para excitar o elétron mais externo do átomo de potássio para números quânticos - descritivos da "órbita" do elétron - entre 300 e 600, criando um átomo de Rydberg.

Isto significa que eles construíram um átomo gigante, eventualmente o maior átomo do mundo - o elétron orbita o núcleo a uma distância tão grande que o átomo inteiro ficou do tamanho de um ponto ".".

Os cientistas se entusiasmaram com o feito, e agora planejam preparar átomos com vários elétrons se movendo em órbitas planetárias ao mesmo tempo.

Isto permitirá que eles estudem como o mundo quântico dos objetos em escala atômica correspondem ao mundo clássico, como nós o percebemos com nossos sentidos.

"A zona de transição entre a mecânica quântica e a física clássica é a mais fascinante e menos compreendida fronteira da física," afirmou Joseph Eberly, membro da equipe.

Fonte: Physical Review Letters