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

A descoberta do bóson de Higgs ganha Nobel

O belga François Englert e o escocês Peter W. Higgs foram outorgados com o Prêmio Nobel de Física de 2013, pela teoria de como as partículas adquirem massa.

© AFP (François Englert e Peter Higgs)

Em 1964, eles propuseram a teoria de forma independente um do outro (Englert, juntamente com o seu colega já falecido Robert Brout). A tentativa de Englert era a de usar o conceito de campos, como o campo elétrico e o magnético, para descrever também a maneira com que as partículas adquirem massa. Assim como a força eletromagnética é explicada pela interação com os fótons (partícula da luz), a massa seria explicada pela interação das partículas com uma outra partícula e outro campo. Englert lançou essa ideia, mas Higgs foi o primeiro a falar sobre propriedades dessa partícula, por isso o bóson acabou ganhando seu nome. A diferença entre o campo de Higgs e um campo elétrico é que o primeiro não está circunscrito a um determinado espaço, mas permeia todo o Universo, ou seja é um campo escalar.

Em 2012, estas hipóteses foram confirmadas pela descoberta de uma chamada partícula de Higgs no laboratório CERN perto de Genebra, na Suíça.

A teoria premiada é uma parte central do Modelo Padrão da física de partículas que descreve como o mundo é construído. De acordo com o Modelo Padrão, tudo, desde flores e pessoas até estrelas e planetas, é composto por apenas alguns blocos de construção: partículas de matéria.

Todo o Modelo Padrão também repousa sobre a existência de um tipo especial de partículas: o bóson de Higgs, também conhecido como a "partícula de Deus". Esta partícula se origina de um campo invisível que preenche todo o espaço. Mesmo quando o Universo parece vazio este campo está lá. Sem ela, nós não existiríamos, porque é a partir do contato com o campo que as partículas adquirem massa. A teoria proposta por Englert e Higgs descreve este processo.

Em 4 de julho de 2012, no laboratório de física de partículas do CERN, a teoria foi confirmada pela descoberta de uma partícula de Higgs. O colisor de partículas do CERN, o LHC (Large Hadron Collider), é provavelmente a maior e mais complexa máquina já construída pelo homem. Dois grupos de pesquisa de cerca de 3.000 cientistas cada um, ATLAS e CMS, conseguiram extrair a partícula de Higgs de bilhões de colisões de partículas no LHC.

© Johan Jarnestad (bóson de Higgs complementa o Modelo Padrão)

Mesmo que seja uma grande conquista ter encontrado a partícula de Higgs, a peça que faltava no quebra-cabeça do Modelo Padrão, o Modelo Padrão não é a peça final do quebra-cabeça cósmico. Uma das razões para isso é que o Modelo Padrão trata certas partículas, neutrinos, como sendo praticamente sem massa, enquanto que estudos recentes mostram que eles realmente têm massa. Outra razão é que o modelo descreve apenas a matéria visível, o que representa apenas um quinto de toda a matéria no cosmos. Para encontrar a misteriosa matéria escura é um dos objetivos que os cientistas continuam na perseguição de partículas desconhecidas no CERN.

Higgs agradeceu ao prêmio em um comunicado divulgado pela Universidade de Edimburgo, onde é professor de Física Teórica. "Espero que este reconhecimento da ciência fundamental ajude a aumentar a consciência sobre a importância da pesquisa imaginativa", completou, ao agradecer a Real Academia de Ciências.

Fonte: The Royal Swedish Academy of Sciences

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

Detecção de um decaimento raro

O CMS (Compact Muon Solenoid) detectou um importante e raro decaimento previsto pelo Modelo Padrão da física de partículas.

© CMS (produção de mésons B_s)

A medida do decaimento de mésons B_s em pares de muons, foi anunciada ontem na conferência bienal da Sociedade Europeia de Física, em Estocolmo (Suécia), e chega depois de uma espera de cerca de 25 anos. 
Em cada bilhões de mésons B_s produzidos, espera-se que apenas três decaiam em dois muons, primos mais pesados do elétron.

Não obstante o sucesso do Modelo Padrão da física de partículas ao longo de décadas, obtido através de múltiplas previsões que foram verificadas experimentalmente, sabemos que pode não ser uma teoria completa: não oferece uma explicação para a evidência cosmológica da matéria escura, nem explica o domínio da matéria sobre a antimatéria no Universo. Se a fronteira da física estiver ao seu alcance, o LHC irá revelá-la, e o CMS tem procurado sistematicamente indicações de várias extensões propostas para o Modelo Padrão.

O decaimento de mésons B (compostos de um quark “bottom” e um outro quark mais leve) em dois muons (μ) é um canal ideal para procurar evidência indireta de novas descobertas na física. Os decaimentos de dois tipos de mésons B – B⁰ (composto de um quark “bottom” e um quark “down”) e mésons B_s (composto de um quark “bottom” e um quark “strange”) – em pares de muons são muito suprimidos no Modelo Padrão. No entanto, várias extensões do Modelo Padrão  preveem um desvio significativo das taxas de decaimento em ambos os sentidos (aumento ou maior supressão). Se a medida da taxa de decaimento de um destes mésons B for incompatível com a previsão do Modelo Padrão, teremos um sinal de nova física em ação. Durante quase 25 anos, várias experiências em diversos aceleradores de partículas procuraram estes decaimentos raros. Os limites superiores na taxa de decaimento estabelecidos experimentalmente melhoraram quatro ordens de grandeza ao longo do tempo, com a sensibilidade das experiências aproximando-se, recentemente, dos valores previstos pelo Modelo Padrão. No caso do decaimento B_s → μμ, o LHCb (Large Hadron Collider beauty), durante a colisão próton-próton com energia de 8 TeV (8,5 × 10^-7 J) mostrou no final do ano passado a primeira evidência experimental da sua existência com uma significância de 3.5σ.

A emoção desta fantástica medida experimental traz consigo uma ponta de desilusão para aqueles que procuram uma nova física. Grande parte do interesse no estudo do decaimento B_s → μμ reside no seu potencial para revelar as imperfeições do Modelo Padrão. No entanto, a história está longe de terminar. Com a continuação do programa de física do LHC, mais colisões estarão disponíveis para análise, e a precisão com que o CMS e outras experiências poderão medir estes e outros decaimentos raros poderá apenas melhorar. Maior precisão será útil para limitar as possibilidades da nova física e poderá apontar o caminho futuro para a física de altas energias. Por exemplo, o recomeço do LHC em 2015 colocará a sensibilidade do CMS ao nível de poder medir a taxa de decaimento de B⁰ → μμ conforme prevista pelo Modelo Padrão.

Observar este decaimento raro do mesão B_s representa um marco importante em 25 anos de uma longa viagem, deixando à nossa frente muito território por explorar no mundo da física de partículas.

Um artigo que apresenta o resultado foi submetido para publicação na revista Physical Review Letters.

Fonte: CERN

O sutil comportamento nuclear com neutrinos

Neutrinos são conhecidos por serem pouco interativos, quase sempre passando por átomos de matéria sem interagir.

© Fermilab/MINERvA (detector de neutrinos)

Mas uma nova pesquisa indica que, na rara ocasião em que um neutrino e um núcleo atômico fazem contato, a interação é surpreendemente intensa.
Lançando um feixe de neutrinos em um alvo plástico, pesquisadores do experimento MINERvA, do Laboratório Nacional do Acelerador Fermi em Batavia, no estado de Illinois, descobriram que quando um neutrino colide com um átomo ele frequentemente libera não apenas um próton ou nêutron, mas dois. Algumas das partículas dentro dos núcleos atômicos, ao que parece, estão se juntando em vez de se moverem independentemente, apenas para se soltarem em pares quando um neutrino as atinge. Os resultados terão implicações para medições precisas de neutrinos, que frequentemente dependem de reconstruir cuidadosamente a física de colisões raras entre neutrinos e átomos.
O MINERvA, um aparato do tamanho de um trailer, fica localizado no caminho do feixe de neutrinos do Fermilab, quase todos os neutrinos passam tranquilamente através do detector e atingem outro experimento de neutrinos, chamado MINOS.
O detector do MINERvA contém uma variedade de materiais diferentes, incluindo camadas de chumbo e ferro cobrindo o material plástico de hidrocarboneto do detector interno. “Ele é borrachudo do lado de dentro e crocante do lado de fora”, brinca Deborah Harris, física do Fermilab. “Um dos objetivos é medir a interação de neutrinos com vários núcleos diferentes”.
Agora o experimento produziu seus primeiros resultados físicos, uma análise de interações de neutrinos com núcleos de carbono na porção plástica do detector.
Em dois novos estudos que aparecerão no periódico Physical Review Letters, a colaboração MINERvA relata vários meses de operação experimental em 2010 e 2011.
As análises se concentram no chamado ‘espalhamento quase-elástico’, que no caso mais simples envolve um neutrino colidindo com um nêutron de um dos átomos de carbono.
A interação dessas duas partículas eletricamente neutras produz duas partículas com cargas opostas, um próton com carga positiva e um múon com carga negativa, que se espalham para fora como bolas de bilhar. “Ele ejeta um próton, e deixa o resto do núcleo basicamente intocado”, observa Harris. “Em algumas frações de tempo, parece que mais de um próton está saindo de lá”.
A aparição de um próton extra junto de um nêutron transformado em próton indica que neutrinos tendem a atingir pares de partículas. “Em 25% das vezes, com alguns erros, prótons ficam viajando por aí com nêutrons”, explica Harris.
Os físicos observaram uma tendência semelhante em reações análogas envolvendo antineutrinos, a contraparte de antimatéria dessas partículas. “Digamos que o núcleo de carbono realmente tenha seis pares de prótons e nêutrons” em vez de uma dúzia de partículas independentes, propõe Harris, “então sempre que você atingir um próton, você também estará atingindo um nêutron. Essa é uma espécie de imagem extrema do que pode estar acontecendo no núcleo”.
Neutrinos e antineutrinos vêm em três ‘sabores’ – elétron, múon e tau – cada um deles é associado com uma partícula elementar carregada com o mesmo nome.
Mas enquanto um neutrino viaja pelo espaço quase à velocidade da luz, ele oscila entre os três sabores possíveis, um fenômeno que vários experimentos ao redor do mundo estão investigando atualmente.
A tendência direcionada a pares nucleares documentada no MINERvA poderia informar a análise desses experimentos de oscilação de neutrinos. “Isso não está explicado nas simulações de interações de neutrinos em todos esses experimentos de oscilação”, observa Harris. “Para prever qual era a energia do neutrino ao chegar, você tem que fazer algumas suposições sobre o que estava acontecendo no núcleo naquele momento. 
O físico John Arrington, do Laboratório Nacional Argonne, não envolvido na nova pesquisa, adiciona: “Você realmente tem que entender esses mecanismos de reação para saber o que está acontecendo em experimentos onde neutrinos se espalham a partir do núcleo atômico. Isso simplesmente não era possível com os tipos de experimentos de espalhamento de neutrinos que foram realizados no passado”.

Fonte: Scientific American Brasil

Nova partícula subatômica é descoberta

Uma equipe internacional de cientistas que operam o Experimento BESIII no Beijing Electron Positron Collider na China recentemente descobriu uma uma nova partícula.

© Chinese Academy of Sciences (BES III)

O estudo visa a compreensão da partícula anômala Y (4260). Durante uma observação notável e inesperada, o grupo relatou que a partícula Y (4260) decaiu numa nova partícula, e talvez ainda mais misteriosa, que deram o nome de Zc (3900).
Desde a sua descoberta de 2005 pelo experimento BaBar no SLAC National Laboratory em Stanford, na Califórnia, a partícula Y (4260) continua a mistificando os pesquisadores. Enquanto as outras partículas que partilham certas semelhanças com o Y (4260) têm sido explanadas como exemplos de um par de quarks (quark charm e anti-quark charm) emparelhados numa interação devido a força forte da física de partículas, as tentativas para integrar o Y (4260) a este modelo falharam, e sua natureza subjacente permanece desconhecida.
No final de dezembro de 2012, a equipe BESIII embarcou em um programa de pesquisa para produzir um grande número de partículas Y (4260) aniquilando elétrons e anti-elétrons (pósitrons) com uma energia total que corresponde à massa do Y (4260). Uma vez produzido, o Y (4260) decai rapidamente, e seus produtos de decaimento são medidos com o detector de partículas BESIII. Segundo o Prof Xiaoyan Shen, do Instituto de Física de Altas Energias, da Academia Chinesa de Ciências, "o objetivo do nosso programa é entender os vários processos pelos quais os Y (4260) decai com a esperança que isso irá fornecer pistas sobre a sua estrutura interna e, assim, produzir novos conhecimentos sobre o funcionamento da força forte, que é responsável por manter os quarks juntos dentro de partículas subatômicas."
Embora comumente conhecidas as partículas subatômicas, como o próton e do nêutron, são compostos relativamente quarks leves up e down, o experimento BESIII é especializado para o estudo da matéria que contém os quarks charm mais pesados. A partícula J/ψ, por exemplo, que é conhecida por ser composta por um quark charm e um anti-quark charm unidos pela força forte, pode ser copiosamente produzidas no colisor em Beijing. "Até o momento, o BESIII tem produzido mais de um bilhão de partículas J/ψ na aniquilação elétron-pósitron", segundo o professor Fred Harris, da Universidade do Havaí. A partícula J/ψ é fundamental no sistema de várias configurações possíveis de quarks charm e anti-quarks charm, chamada de méson "charmonium. Mas as recentes descobertas de várias novas partículas, incluindo a Y (4260) e agora o Zc (3900)  sugerem que estruturas mais complexas têm que ser considerados.
Estudos anteriores sobre a Y (4260) utilizaram feixes de elétrons e pósitrons com uma energia total, que era muito superior ao que corresponde à massa do Y (4260). Nestas experiências, os mésons Y (4260) foram produzidos através do processo relativamente raro em que um elétron ou pósitron do feixe original irradia uma alta energia de raios gama, diminuindo assim a energia total da aniquilação para a região de massa da Y (4260). Quando elétrons e pósitrons colididem com uma energia correspondente à massa Y (4260), ela pode ser formada, e isto, na verdade, levou à sua descoberta inicial.
As partículas anômalas de charmonium, como a Y (4260) e, agora, o Zc (3900), parecem ser membros de uma nova classe de recém-descobertas partículas subatômicas, chamadas mésons XYZ, que estão incrementando novas dimensões para o estudo da força forte em que quarks e anti-quarks exercem sobre si. Na teoria mais aceita destas forças, cromodinâmica quântica (QCD), há mais possibilidades para os mésons charmonium do que simplesmente um quark charm ligado a um anti-quark charm. Algumas teorias predizem que glúons, as partículas que mediadoras das forças entre quarks, podem eles próprios existirem dentro de mésons em um estado excitado, uma configuração denominada "charmonium híbrido". Outra possibilidade proposta é que mais do que apenas um par de quark charm e um anti-quark charm podem ser unidos para formar "tetraquark" ou mésons.
Em princípio, a QCD poderia ser utilizada para determinar as propriedades dessas configurações mais exóticas. O problema é que, quando é aplicada a QCD em situações como estas, as equações que se seguem são impossíveis de resolver, pelo menos, não por meio de técnicas normais. Algum progresso tem sido feito recentemente através de métodos numéricos com computadores muito potentes para resolver as equações aplicáveis à ​​QCD, e há indicações de que estes métodos, referidos como "rede QCD," pode vir a ser capaz de explicar a existência do Y (4260) como um estado de charmonium híbrido.
No entanto, o quadro híbrido, não pode explicar a recém-descoberta Zc (3900), que decai em méson π+ e J/ψ neutra e, portanto, apresentando uma carga elétrica. A Zc (3900) possui uma massa ligeiramente mais elevada do que a de um átomo de hélio, devendo conter um quark charm e um anti-quark charm oriundos da partícula J/ψ. Mas essa configuração é eletricamente neutra. Adicionando um glúon para formar um híbrido não ajuda, porque glúons também são eletricamente neutros. Deste modo para ter uma carga elétrica diferente de zero a Zc (3900) também deve conter quarks mais leves. Diferentes modelos teóricos têm sido propostos que tentam explicar como isso poderia acontecer. A partícula de carga positiva Zc (3900) poderia estar vinculada a um composto com quark charm, quark anti-charm, quark up e quark down. Ou, talvez, a Zc (3900) é uma estrutura constituída por dois mésons, cada um dos quais contendo um quark charm (ou anti-quark charm) ligado a um anti-quark (ou quark). Outro cenário é que o Zc (3900) é um artefato da interação entre estes dois mésons. Quando novos resultados experimentais forem obtidos como insumos para a teoria, será possível um entendimento mais completo das partículas XYZ descobertas nos últimos anos.

Um artigo sobre a pesquisa foi submetido à Physical Review Letters.

Fonte: Institute of High Energy Physics

Explorando a transição de fótons

Objetos quânticos são notavelmente esquivos. Tome um fóton como exemplo.

© CNRS (explorando a contínua transição de fótons)

O quantum de luz pode agir como partícula, seguindo um caminho bem definido como se fosse um minúsculo projétil; e no momento seguinte agir como uma onda, sobrepondo-se a outras para produzir padrões de interferência muito parecidos com ondulações na água.
A dualidade onda-partícula é uma característica fundamental da mecânica quântica, uma que não se compreende facilmente nos termos intuitivos da experiência cotidiana. Mas a natureza dupla de entidades quântico-mecânicas fica ainda mais estranha. Novos experimentos demonstram que fótons não apenas mudam de ondas para partículas, e de volta para ondas; mas que podem, na verdade, exibir tendências de ondas e partículas ao mesmo tempo. De fato, um fóton pode atravessar um complexo aparato ótico e desaparecer para sempre em um detector sem ter decidido sua identidade – assumindo uma natureza de onda ou partícula só depois de já ter sido destruído.
Há poucos anos, físicos mostraram que um fóton “escolhe” se quer agir como onda ou partícula quando é forçado a isso. Se, por exemplo, um fóton for enviado a um de dois caminhos por um divisor de feixes (uma espécie de bifurcação na estrada ótica), e cada um desses caminhos levar a um detector de fótons, o fóton terá a mesma probabilidade de aparecer em qualquer um dos detectores. Em outras palavras, o fóton simplesmente escolhe uma das rotas e a segue até o fim, como uma bolinha de gude em um tubo. Mas se os caminhos divididos se recombinarem antes dos detectores, permitindo que os conteúdos dos dois canais interfiram como ondas que fluem ao redor de um pilar e se reencontram do outro lado, um fóton demonstra efeitos de interferência ondulatória, essencialmente passando pelos dois caminhos ao mesmo tempo. Se você mede um fóton como uma onda, ele age como uma. 
Pode-se suspeitar que os fótons simplesmente assumem um ou outro comportamento – onda ou partícula – com antecedência, ou quando atingem o divisor de feixes. Mas um experimento de 2007 sobre a “escolha tardia” eliminou essa possibilidade. Físicos usando um interferômetro, um dispositivo experimental que inclui o divisor de feixes, alternaram entre combinar os caminhos e mantê-los separados. Mas eles só decidiam entre um ou outro depois de o fóton ter passado pelo divisor de ondas. Mesmo assim os fótons demonstraram efeitos de interferência quando recombinados, ainda que (pelo menos em um mundo simples) as partículas já devessem ter sido forçadas a escolher qual caminho tomar.
Agora dois grupos de pesquisa utilizaram uma versão ainda mais bizarra do experimento de escolha tardia. Em dois estudos publicados na edição de novembro da Nature, uma equipe sediada na França e um grupo da Inglaterra relataram usar um interruptor quântico para modificar o dispositivo experimental. Exceto que, nesse experimento, o interruptor só foi ativado – assim forçando o fóton a agir como onda ou como partícula – depois que os físicos já haviam identificado o fóton em um dos detectores.
Ao mudar as configurações do dispositivo, as duas equipes não apenas conseguiram forçar o fóton experimental a se comportar como partícula ou onda, mas também conseguiram explorar estados intermediários. “Podemos mudar o comportamento do fóton de teste, de onda para partícula, continuamente”, declara Sébastien Tanzilli, coautor do estudo e físico especializado em ótica quântica do Centro Nacional de Pesquisas Físicas (CNRS) em Paris, que atualmente está na Universidade de Nice Sophia Antipolis. “Entre os dois extremos, nós temos estados que surgem com interferência reduzida. Então temos uma superposição de onda e partícula”.
A chave dos dois experimentos é o uso de um interruptor quântico no aparato, que permite ao interferômetro ficar em superposição para medir comportamentos ondulatórios ou particulados. “Nos tradicionais experimentos de escolha tardia, sempre há um grande interruptor binário clássico em algum lugar do aparato”, explica Peter Shadbolt, coautor do outro estudo e aluno de doutorado em mecânica quântica da University of Bristol, na Inglaterra. “Ele tem ‘onda’ escrito de um lado e ‘partícula’ do outro. O que fazemos é substituir o interruptor clássico com um qubit, um bit quântico, que é um segundo fóton em nosso experimento”.
O interruptor quântico determina a natureza do aparato – se os dois caminhos óticos se recombinam para formar um interferômetro fechado, que mede propriedades ondulatórias, ou se permanecem separados para formar um interferômetro aberto, que detecta partículas discretas. Mas em ambos os casos a abertura ou fechamento do interferômetro – e a passagem do fóton pelo aparato como partícula ou onda, respectivamente – não era determinada até que os físicos medissem um segundo fóton. O destino do primeiro fóton estava ligado ao estado do segundo pelo fenômeno do emaranhamento quântico, em que objetos quânticos compartilham propriedades correlatas. 
No experimento do grupo de Bristol, o estado do segundo fóton determina se o interferômetro está aberto, fechado, ou em uma superposição de ambos, o que por sua vez determina a identidade de partícula do primeiro fóton. “Em nosso caso, essa escolha está mais para uma escolha quântica”, observa Shadbolt. “Sem esse tipo de abordagem, não seríamos capazes de ver essa transformação entre onda e partícula”.
O dispositivo construído pelo grupo de Tanzilli funciona de maneira semelhante, o interferômetro fica fechado para fótons verticalmente polarizados (agem como ondas) e aberto para fótons horizontalmente polarizados (que se comportam como partículas). Tendo enviado um fóton de teste pelo aparato, os pesquisadores mediram um companheiro emaranhado do fóton 20 nanosegundos depois, para determinar a polarização do fóton de teste e assim identificar em qual dos lados da divisão onda-partícula ele estava.
Graças à estrutura do experimento e à natureza do emaranhamento, a natureza de onda ou partícula do fóton de teste só foi determinada quando o segundo fóton foi medido – em outras palavras, 20 nanosegundos depois do fato. “O fóton de teste nasce no interferômetro e é detectado, o que significa que é destruído”, aponta Tanzilli. “Depois disso, determinamos seu comportamento”.  Essa ordem de operações leva o conceito de escolha tardia ao extremo. “Isso significa que espaço e tempo parecem não ter qualquer papel nesse caso”, adiciona Tanzilli.
O pesquisador de informações quânticas Seth Lloyd, do Massachusetts Institute of Technology, em um comentário para a Science que acompanhava os dois artigos, batizou o fenômeno de “procrastinação quântica”, ou “proquanstinação”. “Na presença do emaranhamento quântico (no qual os resultados das medidas são mantidos juntos)”, escreveu ele, “é possível evitar tomar uma decisão, mesmo se os eventos parecerem já terem feito isso”.
Os novos experimentos adicionam outra ruga no estranho mundo da mecânica quântica, onde um fóton aparentemente pode ser o que quiser, quando quiser. “Feynman dizia que esse era o verdadeiro mistério da mecânica quântica”, lembra Shadbolt, falando sobre a dualidade onda-partícula. A mecânica quântica é profundamente estranha, completamente sem análogos clássicos, e tudo o que podemos fazer é aceitá-la assim.

Fonte: Scientific American Brasil

Violando a simetria da inversão temporal

Prevista há meio século, a assimetria da inversão temporal na física de partículas só agora foi claramente demonstrada.

© SLAC (detector BaBar)

As interações fracas de partículas elementares têm sido conhecida por serem assimétricas sob CP, a operação combinada de P paridade e de conjugação de carga C, a substituição de partículas por suas antipartículas. Mas a invariância absoluta sob CPT, a combinação de CP com reversão do tempo T, é um teorema alicerce do modelo padrão da teoria de partículas. Por isso, prevê que as interações fracas deve violar a invariância T para compensar a violação de CP. Mas só agora tem a primeira evidência clara e direta da violação de T. Durante uma década, até seu encerramento em 2008, o PEPII colisor elétron-pósitron no SLAC National Accelerator Laboratory, operado pela Universidade de Stanford, foram produzidos 200 milhões de pares de mésons B neutros em estados quânticos emaranhados de tal forma que o modo de decaimento de um méson B instantaneamente fixa o estado de seu parceiro, talvez um milímetro de distância. Carregando o pesado quark bottom, o méson B é cerca de cinco vezes a massa do próton, e que vive um mísero picosegundo. A equipe que utilizou o detector do colisor BaBar já explorou o emaranhamento para determinar que as taxas de transição entre os autoestados do méson B dependem da direção temporal de uma forma que só pode ser atribuída à violação da simetria de T. O sinal da violação de T corresponde a uma significância de 14 desvios padrão (σ), e a sua amplitude é consistente com a preservação da simetria CPT.

Fonte: Physics Today

Medindo o formato de um fóton

Pesquisadores conseguiram pela primeira vez medir o complexo "formato" de um fóton, as assim chamadas "partículas" individuais da luz.

© M. Bellini/NIO (ilustração do formato de um fóton)

O feito teve a participação da brasileira Katiuscia Nadyne Cassemiro, professora da Universidade Federal de Pernambuco.

Em termos estritos, um fóton não é uma partícula e nem exatamente uma onda, ele é uma excitação de um campo eletromagnético.

E, como tal, a medição de sua forma promete ajudar a criar novas formas de criptografar informações.

Os pesquisadores desenvolveram uma técnica para refinar as medições de uma série de fótons individuais que estão em estados idênticos, mas arbitrários.

Isso expande também as possibilidades de usar os complicados "estados internos da luz" para transmitir dados.

Um pulso de luz tem uma grande gama de formatos possíveis, uma vez que sua forma é definida pelas amplitudes e fases de seus componentes de frequência.

Assim, é possível codificar informações no formato do fóton e transmiti-lo de um lugar para outro.

E a liberdade é tão grande que um único fóton pode não apenas representar qualquer letra do alfabeto, como até mesmo conter uma combinação quântica, uma superposição de várias letras.

O experimento agora realizado tem a ver com a leitura desse fóton, quando ele chega ao destino, o que é necessário para retirar dele a informação que ele carrega.

A técnica consiste em misturar o fóton a ser medido com um pulso de laser, permitindo que o fóton e o pulso interfiram mutuamente, reforçando ou cancelando um ao outro, dependendo do seu formato; quanto mais parecidos, maior é a probabilidade de detectar o formato preciso do fóton.

A equipe otimizou o método repetindo a mixagem várias vezes, com fótons idênticos, e redesenhando periodicamente o pulso de laser com base nas medições anteriores.

Finalmente, eles demonstraram que a técnica permite a recuperação de informações intencionalmente codificadas nos complexos estados de um fóton individual.

Fonte: Physical Review Letters

Existência do bóson de Higgs fica mais evidente

Cientistas veem fortes indícios da existência de uma partícula inédita, o bóson de Higgs, única partícula prevista pela teoria vigente da física que ainda não tinha sido detectada em laboratórios, e que vinha sendo perseguida ao longo das últimas décadas.

© AFP (representação gráfica de colisão de prótons realizada no LHC)

Pela teoria, o bóson de Higgs teria dado origem à massa de todas as outras partículas. Se sua existência for confirmada, portanto, é um passo importante da ciência na compreensão da origem do Universo. Se ele não existisse, a teoria vigente deixaria de fazer sentido, e seria preciso elaborar novos modelos para substituí-la.

Apesar do grande impacto na física teórica, a descoberta ainda não representa um avanço direcionado a nenhum campo específico da tecnologia.

O bóson de Higgs ganhou o apelido de “partícula de Deus” em 1993, depois que o físico Leon Lederman, ganhador do Nobel de 1988, publicou o livro “The God Particle” (literalmente “a partícula de Deus”, em inglês), voltado a explicar toda a teoria em volta do bóson de Higgs para o público leigo. Ainda não há edição desse livro em português.

A nova partícula tem características consistentes com o bóson de Higgs, mas os físicos ainda não afirmam com certeza sua existência. Para isso, eles vão coletar novos dados para observar se a partícula se comporta com as características esperadas do bóson de Higgs.

O anúncio foi feito em Genebra, na Suíça, sede do Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (CERN). As conclusões foram baseadas em dados obtidos no Grande Colisor de Hádrons (LHC), acelerador de partículas construído pelo CERN ao longo de 27 quilômetros debaixo da terra, na fronteira entre a França e a Suíça.

Essa máquina, considerada a mais poderosa do mundo, foi construída especificamente para estudos de física de partículas, e a descoberta desta quarta é a mais importante que já foi feita lá até o momento.

A descoberta foi confirmada por especialistas do CMS e do Atlas, dois grupos de pesquisa independentes que fazem uso do LHC. Apesar de usarem o mesmo acelerador de partículas, as duas colaborações científicas trabalham com detectores diferentes e seus resultados são paralelos. Os resultados antecipados ainda serão publicados em revistas científicas.

Os cientistas medem a massa das partículas como se fosse energia. Isso porque toda massa tem uma equivalência em energia. Se você calcula uma, tem o valor das duas. A unidade de medida usada é o gigaelétron-volt, ou "GeV".

O CMS observou um novo bóson com a massa de 125,3 GeV (entre 124,7 e 125,9 GeV) com margem de erro de 0,6 GeV para mais ou para menos com 4,9 sigmas de significância. Este valor representa uma chance menor que um em 1 milhão de que os resultados sejam mera coincidência. Por isso, os cientistas consideram esse número como uma confirmação da descoberta.

Paralelamente, o grupo Atlas afirmou que exclui a inexistência de uma partícula com a massa de 126,5 GeV, com a probabilidade de 5 sigmas. A pequena diferença entre os números dos dois grupos não é considerada tão significativa pelos físicos.

Em 2011, pesquisadores dos dois grupos de pesquisa do CERN já haviam idenficado a presença de um bóson, cuja a massa estaria entre 115 GeV e 130 GeV.

Na última segunda, pesquisadores norte-americanos também tinham encontrado evidência relevante da existência da partícula, em experiências com um acelerador Tevatron.

Um dos motivos pelos quais é tão difícil detectar o bóson de Higgs é a sua instabilidade. Essa partícula dura muito pouco tempo e rapidamente decai em outras.

Tanto o CMS quanto Atlas concentraram seus esforços em duas partículas específicas: os fótons, que é como a luz se manifesta, e os bósons Z, que medeiam a chamada força fraca. O resultado foi suficiente para identificar a existência de uma partícula inédita, mas não para caracterizá-la em detalhes.

Para confirmar se o bóson descoberto é mesmo o bóson de Higgs será necessário estudar a fundo os decaimentos. O Modelo Padrão – conjunto de teorias mais aceito para explicar as interações da natureza e as partículas fundamentais que constituem a matéria – prevê o decaimento do bóson de Higgs em diferentes partículas, cada uma em determinada quantidade.

O próximo passo dos cientistas é testar os vários decaimentos decorrentes dessa partícula. Se os resultados continuarem sendo coerentes com o Modelo Padrão, será confirmado que ela é mesmo o bóson de Higgs.

Caso haja divergências, pode ser que explicações teóricas alternativas sejam adotadas. Já existe uma, chamada de supersimetria, que faz adendos ao Modelo Padrão e prevê a existência de vários bósons de Higgs com pequenas divergências entre si. Será que a existência de dois valores de energias diferentes obtidos pelo CMS e Atlas significaria a existência de dois bósons distintos?

Enquanto estas experiências não mostrarem resultados, é impossível afirmar qual dos modelos se adéqua melhor à natureza.

Fonte: CERN e G1

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

Os férmions de Majorana

Depois de 75 anos de buscas, cientistas holandeses podem ter descoberto os férmions de Majorana.

© TU Delft (dispositivo para criar os férmions de Majorana)

O físico italiano Ettore Majorana previu, em 1937, a existência de partículas que são suas próprias antipartículas.

Quando um elétron - de carga negativa - encontra um pósitron - sua antipartícula, com carga positiva - eles se aniquilam mutuamente com a emissão de um flash de raios gama.

Já um férmion Majorana é uma partícula neutra que é a sua própria antipartícula.

Nenhum experimento até hoje, nem mesmo dos grandes aceleradores de partículas, como o LHC, reportaram qualquer avistamento de férmions de Majorana.

Mesmo não sendo partículas ordinárias, que possam existir soltas por aí, os cientistas afirmam que um acelerador de partículas poderia detectar os férmions de Majorana, embora o LHC não tenha a sensibilidade necessária para isso.

Mas muitos físicos já acreditavam que eles poderiam ser encontrados em sistemas de estado sólido.

Nos materiais condutores de eletricidade, existe um análogo da antimatéria: os elétrons (negativos) e as lacunas (positivas), um desaparecendo ao se encontrar com o outro. Ou seja, assim como partículas e antipartículas não podem coexistir, elétrons e lacunas também não.

Os físicos então idealizaram um experimento no qual elétrons e lacunas podem ser preservados sem se fundirem.

Para isso eles combinaram materiais supercondutores com isolantes topológicos, um tipo de material que conduz eletricidade apenas em sua superfície.

Quando são unidos, os dois materiais criam um padrão de campos elétricos em sua interface que pode evitar que os elétrons caiam nas lacunas, eventualmente permitindo a formação dos férmions de Majorana.

E foi isso o que fizeram Vincent Mourik e seus colegas das universidades de Delft e Eindhoven.

O grupo acredita ter localizado os férmions de Majorana dentro dos nanofios de um tipo muito estranho de transístor, construído por eles com supercondutores e isolantes topológicos. O dispositivo é formado por um nanofio de antimoneto de índio ligado a dois eletrodos, um de ouro e outro de nióbio, este supercondutor. Os férmions de Majorana foram criados na porção final do nanofio.

Quando o transístor supercondutor foi colocado sob um campo magnético, os cientistas observaram um pico de sinal de tunelamento, em energia zero. O sinal resistiu a variações do campo magnético e da tensão aplicada ao transístor.

O sinal de pico desapareceu quando foram eliminados o campo magnético, ou quando eles trocaram a porção supercondutora do transístor por um fio normal, itens necessários para a formação dos férmions de Majorana.

Segundo os autores, seus resultados oferecem evidências da existência dos férmions de Majorana em "nanofios supercondutores acoplados".

Férmions de Majorana não são partículas, ou pequenas quantidades de matéria, no sentido que são considerados os elétrons ou os neutrinos: eles são quasepartículas, como os plásmons de superfície - mas que se comportam de forma muito parecida com uma partícula "autêntica", o que permite sua detecção.

A propósito, os físicos continuam tentando confirmar, como alguns teóricos propõem, se um neutrino pode ser realmente sua própria antipartícula.

Além do interesse da física fundamental, os férmions de Majorana têm grande potencial para serem usados para a criação de uma nova plataforma de computação quântica.

Quando dois férmions de Majorana são movimentados um em relação ao outro, cada um deles mantém a memória da sua posição anterior. Isto permitiria a construção de computadores quânticos excepcionalmente estáveis, praticamente imunes à influência externa.

Outros cientistas apontam para a importância dos férmions de Majorana em escala cosmológica: eles acreditam que eles possam ser o constituinte fundamental da matéria escura, uma matéria que é detectada apenas por seus efeitos gravitacionais, mas que ninguém sabe do que se trata.

A observação agora relatada dos férmions de Majorana foi indireta e, portanto, não totalmente conclusiva, embora otimizações no experimento - como a redução da temperatura do semicondutor - possam gerar resultados mais robustos no futuro.

Fonte: Science

Nova imagem do núcleo do átomo

Um conceito errôneo é visualizar o átomo como sendo análogo a um sistema planetário, admitindo o núcleo, composto por prótons e nêutrons, como sendo algo estacionário, fisicamente delimitado.

© ANL (nova imagem do núcleo atômico)

Enquanto que há muito tempo sabemos que os elétrons são "nuvens de probabilidade" ao redor dos núcleos, devido à sua peculiaridade bipolar, podendo se comportar como partículas ou ondas.

Na década de 1980 descobriu-se que alguns núcleos atômicos de elementos leves, como hélio, lítio e berílio, não têm bordas externas definidas: eles possuem halos, partículas que se destacam além das bordas do núcleo, criando uma nuvem que envolve o núcleo. A imagem abaixo mostra uma ilustração do núcleo de berílio circundado por seu halo. Segundo medições realizadas por uma equipe alemã, o halo se estende a até 7 femtômetros (0,000000000000007 metros) do centro de massa do núcleo, cobrindo uma área três vezes maior do que a parte densa do núcleo.

© Dirk Tiedemann/Uni-Mainz (núcleo de berílio rodeado por seu halo)

Agora, depois de realizar as observações mais precisas já feitas até hoje do halo nuclear, cientistas demonstraram que até um quarto dos núcleons (prótons e nêutrons) do núcleo denso de um átomo estão viajando continuamente a uma velocidade de até 25% da velocidade da luz.

"Nós geralmente imaginamos o núcleo como um arranjo fixo de partículas, quando na realidade há um monte de fatores acontecendo no nível subatômico que nós simplesmente não podemos ver com um microscópio," ressalta o físico John Arrington, do Laboratório Nacional Argonne (ANL), nos Estados Unidos.

Ele e seus colegas usaram grandes espectrômetros magnéticos para observar o núcleo de átomos de deutério, hélio, berílio e carbono.

O berílio ao contrário dos outros átomos possui dois aglomerados de núcleons, cada um parecido com um núcleo do átomo de hélio-4. Esses núcleons, por sua vez, estão associados a um nêutron adicional.

Isso desfaz completamente a figura do núcleo como uma esfera fisicamente delimitada, além de mostrar que o halo é mais complexo do que se imaginava.

Por causa dessa configuração complicada, o núcleo do berílio apresenta um número relativamente alto de colisões, apesar de ser um dos núcleos menos densos entre todos os elementos.

Os cientistas afirmam que esse efeito acelerador pode ser resultado de interações entre os quarks que formam os núcleons, sendo que cada próton e cada nêutron consiste de três quarks muito fortemente ligados.

Quando os núcleons se aproximam uns dos outros, as forças que unem os quarks podem ser perturbadas, alterando a estrutura dos prótons e dos nêutrons, possivelmente até mesmo formando partículas compostas pelos quarks de dois núcleos diferentes.

O próximo passo dos pesquisadores ao estudar este fenômeno será obter uma imagem da distribuição dos quarks quando os núcleons se aglutinam.

Fonte: Argonne National Laboratory

Descoberta a partícula mais leve

Uma nova partícula nuclear fundamental (do núcleo atômico) foi descoberta por dois pesquisadores da Universidade de Coimbra e do Instituto Superior Técnico (IST).

© BNL/RHIC  (simulação de uma sopa de quarks e glúons)

A E(38), como foi designada, é a partícula subatômica mais leve conhecida e, de acordo com os seus descobridores, ela ajuda a explicar as partículas nucleares enquanto micro-universos. Eef van Beveren, da Universidade de Coimbra, e George Rupp, do IST, já submeteram o artigo científico anunciando a descoberta à revista Physical Review Letters.

A E(38) é um hádron, mas ao contrário dos outros hádrons conhecidos, este não possui quarks (partículas ainda mais pequenas) na sua constituição, mas apenas glúons, as partículas que funcionam como cola para manter juntos os quarks. "No nosso modelo dos micro-universos, esta partícula é a que gera os próprios micro-universos", explicou o pesquisador de Coimbra, que coordenou o estudo, sublinhando que "o sinal da sua presença nos dados experimentais é muito claro".

A descoberta desta nova partícula não constitui propriamente uma surpresa para Eef van Beveren. Já há mais de 30 anos que o pesquisador holandês, ainda durante o doutoramento no seu país, abordou a existência dos quarks, que nunca aparecem isolados, mas confinados num espaço fechado, enquanto parte dos tais micro-universos. "É uma coisa fechada, de onde nada pode entrar ou sair". Mas este modelo está baseado na hipótese de existência de uma partícula fundamental - como a que agora foi descoberta. O físico holandês esperava que ela existisse, mas não havia sinais da sua presença.

Foi por isso que decidiu reanalisar os dados experimentais da física de partículas nos grandes aceleradores do mundo, como o de Stanford, nos Estados Unidos, do Japão e do CERN. Ao mesmo tempo, em colaboração com George Rupp desenvolveu um método matemático de análise e comparação de dados e foi então que viram o sinal de que estavam à espera. A experiência COMPASS (COmmon Muon Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy), realizada no CERN, para produzir hádrons.

Nessa análise foram registrados uma quantidade de 46 mil eventos com 13 sigma de significância, que é um indicador de relevância estatística. Isto é mais que suficiente, ou seja, superior a 5 sigma, para declarar-se a existência de uma partícula. A seguir a figura mostra a evidência da partícula num diagrama do número de eventos em relação à massa.

© U. Coimbra (evidência da partícula)

"Há 30 anos previ que a massa desta partícula devia ser ao redor de 30 MeV (Mega-elétronVolts), mas o aperfeiçoamento do método matemático fez subir um pouco este valor, para 38 MeV", explica van Beveren, sublinhando que "com esta massa, ele é o hádron mais leve que existe". O hádron mais leve que até agora se conhecia, chamado píon, é três vezes mais pesado. O próton é 25 vezes mais pesado que a partícula E(38).

A E(38) é como uma bola de sabão ínfima, em que não existem quarks, e a sua película externa é feita de glúons. Que propriedades terá, ainda vai ser estudado, mas van Beveren antecipa que esta poderá ser a longo prazo uma nova fonte de energia nuclear limpa.

Um miligrama desta matéria fornecerá um megawatt durante um ano!

Fonte: Centro de Física Teórica da Universidade de Coimbra

Transmissão de mensagem através de neutrinos

Os neutrinos talvez não sejam mais rápidos do que a luz, mas podem se tornar as estrelas de uma nova forma de comunicação.

© Fermilab (antena de transmissão)

Cientistas do Projeto Minerva demonstraram na prática que é possível transmitir uma mensagem usando neutrinos.

E como neutrinos são capazes de atravessar virtualmente qualquer coisa, isto significa que as mensagens podem ser enviadas diretamente através da Terra.

Neste experimento pioneiro, a palavra "neutrino" foi transmitida a uma distância de 1 km, incluindo 210 metros de rocha sólida.

A esfericidade da Terra exige múltiplas torres de repetição para a transmissão de dados por ondas eletromagnéticas.

Se remetente e destinatário estiverem longe o suficiente, a solução mais viável é transmitir a mensagem para um satélite artificial, que está no alto para captar os dois e servir de ponte para a comunicação.

Uma alternativa é ligar todos os pontos por redes de fibras ópticas.

Mas uma mensagem de neutrinos pode ser enviada diretamente, simplesmente mirando na posição do destinatário e disparando o feixe, não importando se há montanhas, oceanos, ou mesmo se o destinatário está do outro lado da Terra.

Neutrinos são partículas eletricamente neutras e quase sem massa - sua massa é tão desprezível que um neutrino é capaz de atravessar um cubo de chumbo sólido, com 1 ano-luz de aresta, sem se chocar com um só átomo.

Isso, obviamente, impõe um desafio para uma futura comunicação por neutrinos: construir uma antena capaz de detectá-los.

Felizmente os físicos vêm fazendo isso há anos, para criar os observatórios que permitam estudá-los.

Ainda são detectores muito sensíveis, que precisam ser instalados em compartimentos subterrâneos, capazes de isolá-los de outros tipos de radiação.

© Fermilab (detector Minerva)

Neste experimento, os cientistas usaram como antena de recepção o detector Minerva, que pesa nada menos do que 170 toneladas. O transmissor foi o feixe de neutrinos NUMI (Neutrinos Main Injector).

Ambos são parte do acelerador de partículas Fermilab, nos Estados Unidos.

Embora pareça interessante, dificilmente as mensagens por neutrinos terão uso prático: a velocidade atingida na transmissão foi de 0,1 bit por segundo.

Ou seja, levou mais de duas horas para que a palavra "neutrino" fosse transmitida.

A mensagem foi codificada de forma binária, onde transmitir neutrinos significava 1, e não transmitir neutrinos significava 0.

Embora o feixe de transmissão dispare trilhões de neutrinos de cada vez, o detector só raramente consegue detectá-los.

A palavra neutrino consistia de 25 pulsos, separados entre eles por um período sem transmissão de 2 segundos. Isso foi repetido 3.500 vezes ao longo de 142 minutos.

Em média, a "antena" detectou 0,81 neutrino a cada pulso, com uma taxa de erro de 1% - apenas 1 em cada 10 bilhões de neutrinos foi detectado.

Fonte: Fermilab e Inovação Tecnológica

Experimento em usina nuclear chinesa

Neutrinos são pequenas partículas esquivas. Apenas no final da década de 1990 foi descoberto que eles têm massa, após anos de indicações duvidosas nesse sentido.

© Roy Kaltschmidt (detector de neutrinos Daya Bay)

Podem oscilar entre três tipos, ou "sabores", mudando a identidade durante o trajeto. Talvez o que lhes tenha trazido mais fama é que foram acusados, no ano passado, de quebrarem a lei cósmica de viajar mais rápido que a luz (o júri ainda não deliberou, mas a absolvição parece iminente).
Agora, cientistas estão mais próximos de descobrir o modus operandi do neutrino. A colaboração de físicos possibilitou medir um dos descritores essenciais da mudança de comportamento, que troca o sabor do neutrino, um número chamado θ 13 (lê-se “teta um três”). Esse número, conhecido como ângulo de mistura, descreve a probabilidade de uma antipartícula de neutrino do elétron, o antineutrino do elétron, oscilar para outro sabor, percorrendo uma distância relativamente curta (cada um dos três sabores de neutrinos – do elétron, do tau e do múon – tem sua própria antipartícula parceira). Dois outros parâmetros de oscilação de neutrinos, ou ângulos de mistura, já foram medidos, mas o θ 13 é relativamente pequeno se comparado com os outros dois e provou ser mais difícil de definir.
Desde o ano passado, um grupo de físicos tenta medir o θ 13 rastreando antineutrinos emitidos por uma grande usina nuclear Chinesa. A colaboração do experimento do Reator de Neutrinos Daya Bay construiu seis detectores, alguns perto dos reatores e outros a mais de um quilômetro de distância, para acompanhar como antineutrinos do elétron se transformam em outros sabores ao viajar através do espaço. Já que os detectores são ajustados para identificar apenas antineutrinos do elétron, qualquer oscilação significa que os neutrinos não serão detectados, isto é, eles parecem desaparecer. Outros experimentos tomaram o rumo oposto, procurando o surgimento de neutrinos do elétron em um feixe que transporta outros tipos de neutrinos.
Em apenas dois meses de dados, o conjunto distante de detectores registrou mais de 10 mil visitas de antineutrinos do elétron. Isso, porém, corresponde a apenas 94% do quanto seria ingenuamente esperado por extrapolação a partir dos detectores mais próximos dos reatores nucleares. Isso significa que uma fração substancial oscilou para outro sabor em sua viagem relativamente curta. “O que vemos agora é que este desaparecimento (de antineutrinos do elétron) está em 6%”, afirma o físico de neutrinos Karsten Heeger, da Universidade de Wisconsin-Madison, membro da colaboração Daya Bay. “É um efeito bastante grande”. Heeger apresentou os resultados experimentais em 8 de março em um simpósio na Universidade Duke, e o grupo submeteu seu estudo para a Physical Review Letters.

Fonte: Scientific American Brasil

O sinal para o Bóson de Higgs ganha força

Essa semana, os dois principais experimentos do Large Hadron Collider (LHC), o acelerador de partículas mais potente do mundo, apresentaram os resultados das últimas análises.

© CERN (colisão de partículas no detector CMS)

Os novos artigos corroboram o anúncio de dezembro, do possível sinal do Higgs, mas não nos animemos muito.
Primeiro, não há dados novos: o LHC cessou a colisão de prótons em novembro e estes últimos resultados são apenas revisões de etapas anteriores. No caso do Compact Muon Solenoid (CMS), físicos foram capazes de observar outro tipo possível de decomposição do Higgs, permitindo a ampliação do sinal de 2,5σ para 3,1σ. Tomados em conjunto com os dados de outro detector, o Atlas, o sinal global do Higgs, não oficialmente, se encontra em cerca de 4,3σ. Em outras palavras, se acreditarmos nas estatísticas, então esse sinal tem quase 99,996 % de chance de estar certo.
Após o reinício do LHC, em abril deste ano, estaremos muito mais perto de saber o que realmente ocorre. Agora, cientistas se reúnem em Chamonix, na França, para decidir a potência a usar então no acelerador. Os últimos rumores dizem que o aparelho impulsionará de 7-8 TeV e que aumentará ainda a luminosidade (o número de colisões por passagem).

A significância com maior excesso (em 124 GeV) aumentou ligeiramente para um desvio padrão de 2,1. Não há nenhuma mudança substantiva nas conclusões: a questão da existência do bóson de Higgs referente ao Modelo Padrão só poderá ser resolvido com a coleta de mais dados durante este ano.

Fonte: Scientific American Brasil e CERN

A influência da gravidade no positrônio

Os cientistas David Cassidy e Allen Mills, da Universidade da Califórnia, irão produzir um experimento usando átomos de positrônio.

© UC (aparelho utilizado para produção do positrônio)

O positrônio é um átomo exótico, feito de matéria e de antimatéria: um elétron e um pósitron (anti-elétron) ligados um ao outro, mas sem um núcleo.

O pósitron é a antimatéria do elétron, tendo a mesma massa, mas com uma carga positiva. Se um pósitron se encontra com um elétron, os dois se aniquilam, emitindo dois fótons de raios gama.

O que os dois físicos fizeram foi separar ligeiramente o pósitron do elétron em um átomo de positrônio, de forma que essa partícula instável possa resistir à aniquilação por um tempo suficiente para seja possível fazer experiências com ele.

"Usando lasers, nós excitamos o positrônio para aquilo que é conhecido como estado de Rydberg, que torna muito fraca a coesão do átomo, com o elétron e o pósitron muito distantes um do outro," explica Cassidy.

Isso evita que os dois se destruam, dando tempo para que os cientistas façam os experimentos para estudar o comportamento da antimatéria em relação à gravidade.

No estado de Rydberg, o tempo de vida do positrônio aumenta por um fator que varia de 10 a 100.

Mas isto ainda não é suficiente, pois provavelmente são necessários de um fator de 10.000.

"Agora nós pretendemos usar essa técnica para dar um elevado momento angular para os átomos de Rydberg. Isso tornará ainda mais difícil para que os átomos decaiam, e eles poderão viver por até 10 milissegundos," explica Cassidy.

Então, finalmente será possível testar a influência da gravidade sobre a antimatéria, o que será feito observando o movimento do pósitron para ver se a gravidade está curvando esse movimento.

"Se nós descobrirmos que a antimatéria e a matéria não se comportam da mesma forma, será algo muito chocante para o mundo da física," diz o cientista.

A física atual considera que matéria e antimatéria se comportam basicamente do mesmo jeito.

"Esse pressuposto leva à consideração de que as duas deveriam ter sido criadas em quantidades iguais no Big Bang. Mas nós não vemos muita antimatéria no Universo," diz Cassidy.

Se a matéria atrai a antimatéria, então o Universo poderia ter desaparecido em um flash de raios gama logo depois de sua criação. Mas se a antimatéria "cai para cima", ou seja, se possui uma anti-gravidade, algo diferente poderia ter acontecido.

Ou seja, um comportamento desigual entre matéria e antimatéria poderia ser muito relevante, mas também poderia abrir caminhos para explicar a inexistência da antimatéria no Universo atual.

Fonte: Physical Review Letters