O valor da constante de acoplamento forte

O valor de um dos parâmetros fundamentais da física, a constante de acoplamento forte (que conecta quarks e glúons, dando origem a hádrons, como os prótons e os nêutrons), determinado pelo pesquisador da Universidade de São Paulo (USP) Diogo Boito e colaboradores, acaba de ser acolhido pelo Particle Data Group (PDG), rede internacional que estabelece as medidas de várias grandezas físicas.

© D. Boito (esquema do decaimento do lépton tau)

A imagem acima mostra o esquema do decaimento do lépton tau feito pelo pesquisador. O tau decai em um neutrino e em um bóson W (em azul). Os quarks são produzidos pelo W e interagem fortemente (bolha rosa), formando os hádrons que são detectados (píons e káons). O processo possibilita determinar um valor para a constante de acoplamento forte.

Boito é professor do Instituto de Física de São Carlos (IFSC-USP). E o valor por ele determinado havia sido publicado há cerca de um ano na revista Physical Review D: “Strong coupling from the revised ALEPH data for hadronic τ decays”.

“A interação entre quarks e glúons é descrita pela Cromodinâmica Quântica (Quantum Cromodynamics – QCD). E, nessa teoria, a constante de acoplamento forte, α_s (alpha_s), desempenha papel fundamental. Mas, como essa constante não pode ser medida diretamente, vários grupos de pesquisadores procuram determiná-la de modo indireto, confrontando as predições teóricas com diferentes dados experimentais. Nosso valor foi obtido por meio do decaimento do lépton tau,” disse o pesquisador.

Boito conduz atualmente a pesquisa “Determinação precisa de parâmetros fundamentais da QCD”, apoiada pela FAPESP por meio do programa Jovens Pesquisadores em Centros Emergentes.

A interação forte é a mais poderosa força conhecida. Em uma situação típica, essa interação chega a ser centenas de vezes maior do que a da interação eletromagnética e até 10¹¹ vezes maior que a interação fraca e 10³⁹ vezes maior que a interação gravitacional. Por isso, os quarks e os glúons ficam confinados nos volumes diminutos dos hádrons (da ordem de 10^-13centímetros), e não podem ser encontrados livremente na natureza. “Esse confinamento é um dos fatores que tornam tão difícil a determinação da constante de acoplamento forte”, explicou Boito.

O recurso utilizado por ele e por seus colaboradores foi trabalhar com dados obtidos no decaimento do lépton tau (τ). Essa partícula é da mesma natureza do elétron, porém possui massa aproximadamente 3.500 vezes maior. É produzida nos grandes aceleradores de partículas, por exemplo, pela colisão de elétron e antielétron, e dura, em média, apenas 2,9 x 10^-13 segundos. Ao decair, o tau produz várias partículas de massa menor. Em um dos decaimentos possíveis são produzidos, entre outras partículas, o quark up e o quark down, que interagem fortemente. Foi esse tipo de decaimento que possibilitou a Boito determinar, indiretamente, um valor para α_s.

Um aspecto singular dessa determinação decorreu do fato de a massa do tau ser relativamente baixa. Isso fez com que fosse possível verificar uma previsão teórica conhecida como “liberdade assintótica”, que deu o Prêmio Nobel de Física de 2004 a David Gross, David Politzer e Frank Wilczek. Segundo essa previsão, o valor de α_s é menor em energias mais altas e maior em energias mais baixas; ou seja, o valor não é propriamente constante. “Nossa determinação contribui para corroborar essa previsão na região de energias baixas,” afirmou o pesquisador.

Como a determinação pode ser feita também de outras maneiras, valores ligeiramente diferentes são obtidos por diversos grupos de pesquisa. As determinações são avaliadas pelos especialistas do PDG e, quando consideradas consistentes, seus valores são incorporados ao rol acolhido pela colaboração internacional. A partir dessa lista, o PDG publica um valor médio internacional, que serve de referência para todos os pesquisadores da área e que é atualizado a cada dois anos. A constante de acoplamento forte é um número puro, adimensional. O último valor médio, publicado em fevereiro de 2016, que agrega o resultado de Boito e colaboradores, foi de α_s = 0,1181 ± 0,0013.

Fonte: FAPESP (Agência)

Buraco negro de plasma de quarks e glúons

Por meio de simulação computacional, pesquisadores do Instituto de Física da Universidade de São Paulo, no Brasil, e do Departamento de Física da Columbia University, nos Estados Unidos, determinaram pela primeira vez, de forma quantitativa, como a carga bariônica se difunde através do plasma de quarks e glúons.

© Brookhaven National Laboratory (colisão de núcleos de ouro)

A imagem acima mostra o evento de uma única colisão de íons de ouro, acelerados até a energia de 200 GeV (giga elétron-volts), medida pelo rastreador de vértice de silício do detector PHENIX, do Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC).

A carga bariônica é definida pela diferença entre o número de quarks e antiquarks em um dado meio. Supõe-se que o plasma de quarks e glúons tenha predominado no Universo durante uma pequeníssima fração de segundo após o Big Bang, muito antes que o processo de expansão e consequente resfriamento do cosmo reconfigurasse várias vezes seu conteúdo material e energético, até chegar ao estágio atual. Fazendo o caminho inverso, é possível produzir o plasma de quarks e glúons a partir da matéria ordinária, aquecendo-a a temperaturas milhares de vezes superiores à mais alta temperatura registrada no Sol.

Porém, no ambiente terrestre, o patamar de energia necessário para isso só é alcançado, e por um ínfimo lapso de tempo, nas colisões relativísticas [próximas da velocidade da luz] de núcleos pesados, produzidas nos dois maiores colisores de partículas da atualidade, o Large Hadron Collider (LHC), na Europa, e o Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), nos Estados Unidos.

“Simulando em computador as propriedades de 250 mil buracos negros pentadimensionais, calculamos como a carga bariônica se difunde através desse plasma quando o sistema passa a conter mais matéria do que antimatéria”, disse Noronha. “Para isso, utilizamos um modelo teórico baseado na chamada ‘dualidade holográfica’, que estabelece uma surpreendente equivalência entre certas teorias quânticas definidas no espaço-tempo usual, de quatro dimensões estendidas, e a física de supercordas em um espaço-tempo curvo, de cinco dimensões estendidas.”

A “dualidade holográfica”, descoberta pelo físico argentino Juan Maldacena em 1997, é considerada uma das maiores revoluções da física teórica em anos recentes, porque possibilita que alguns fenômenos quânticos de difícil entendimento no espaço-tempo usual, de quatro dimensões, sejam estudados como hologramas de fenômenos gravitacionais mais simples ocorrendo em um espaço de cinco dimensões.

Esses fenômenos pentadimensionais são descritos pela teoria de supercordas, que é, atualmente, a principal candidata à teoria da gravitação quântica, superando o problema até agora insolúvel de compatibilizar a teoria quântica com a teoria da relatividade geral, os dois pilares da física contemporânea. Os partidários da teoria de supercordas consideram que ela poderá desempenhar um papel fundamental no entendimento de configurações em que a matéria-energia se encontra comprimida em densidades extremas, como no universo primordial ou no interior de buracos negros.

“A teoria de supercordas preconiza que as partículas fundamentais que identificamos no Universo correspondam, na verdade, a diferentes modos de vibração de minúsculas cordas existindo em um espaço-tempo de 10 dimensões. Como o Universo a que temos acesso por meio dos instrumentos de observação e dos experimentos se apresenta como um espaço-tempo com quatro dimensões estendidas [as três direções espaciais e o tempo], conjectura-se que as seis dimensões extras previstas pela teoria de supercordas devam estar compactadas em objetos extremamente reduzidos, que não podemos sondar diretamente com a tecnologia atual”, explicou o pesquisador.

Em princípio, haveria um grande número de compactações possíveis para as dimensões extras, a cada uma correspondendo um universo diferente. O Universo conhecido seria apenas um deles.

“O que Maldacena descobriu foi uma importante relação matemática entre certas teorias quânticas definidas no espaço-tempo plano usual, de quatro dimensões estendidas, e supercordas existindo em um contexto formado pela composição de um espaço-tempo curvo de cinco dimensões estendidas [chamado de ‘Anti-de-Sitter’ ou AdS] e uma hiperesfera com cinco dimensões compactadas. A relação matemática descoberta por Maldacena recebe o nome de dualidade holográfica”, informou Noronha.

Uma das principais aplicações da “dualidade holográfica” é utilizar as propriedades físicas de buracos negros definidos em um espaço AdS pentadimensional para calcular, de forma aproximada, as características do plasma de quarks e glúons, produzido experimentalmente nos dois grandes colisores.

“A expressão ‘plasma de quarks e glúons’ precisa ser melhor explicada”, ponderou o pesquisador. “A palavra ‘plasma’ designa um gás de íons, isto é, de partículas eletricamente carregadas. Ao passo que os glúons são eletricamente neutros e os quarks possuem carga elétrica fracionária (o que os distingue de todas as demais partículas, que apresentam carga elétrica inteira ou nula).

Outro aspecto bastante peculiar dos quarks e glúons é que, sob as condições habitualmente observadas na natureza, essas partículas fundamentais se encontram confinadas no interior de partículas compostas, chamadas de hádrons, como os prótons e os nêutrons, que compõem os núcleos atômicos. Quando núcleos atômicos pesados, compostos por vários prótons e nêutrons, são colididos a altíssimas energias, como ocorre no LHC e no RHIC, os quarks e os glúons são temporariamente liberados, formando o meio que, por comodidade, chamamos de plasma de quarks e glúons.”

“Esse ‘plasma’ corresponde, de fato, a gotículas de volumes minúsculos, com raios da ordem de 10^-15 metros, e temperaturas altíssimas, em torno de 250 mil vezes a temperatura do centro do Sol, estimada em 10⁷ Kelvin. De fato, essas gotículas, formadas nos grandes colisores, constituem o fluido mais perfeito, de menor tamanho e mais quente já produzido pelo ser humano. Duram apenas uma diminuta fração de segundo, antes que o resfriamento faça com que os quarks e glúons sejam novamente confinados em hádrons. Esse meio corresponderia à condição do Universo poucos instantes após o Big Bang”, descreveu Noronha.

Neste trabalho os pesquisadores utilizaram a dualidade holográfica e a simulação computacional para investigar, pela primeira vez na literatura, como a carga bariônica se difunde através do plasma de quarks e glúons. E calcularam também a condutividade associada a essa carga, além de outras grandezas observáveis, de grande importância para a caracterização física desse estado da matéria.

Um artigo descrevendo o estudo intitulado “Suppression of Baryon Diffussion and Transport in a Baryon Rich Strongly Coupled Quark-Gluon Plasma”, assinado por Rômulo Rougemont e Jorge Noronha, da USP, e por Jacquelyn Noronha-Hostler, de Columbia, foi publicado no periódico Physical Review Letters.

Fonte: FAPESP (Agência)

Achado novo bóson mais pesado que o Higgs?

Os dois experimentos que descobriram o Bóson de Higgs em 2012 sentiram uma intrigante possibilidade de uma nova partícula elementar.

© CERN/CMS (pares de fótons produzidos pelo novo bóson)

Os pares de fótons (verde) produzidos em colisões no Large Hadron Collider (LHC) sugerem a existência de um Higgs com uma massa de 750 GeV (giga elétron-volts).

Ambas as colaborações anunciaram suas observações em 15 de Dezembro, quando publicaram os primeiros resultados significantes.

Os detectores CMS e ATLAs do LHC nos arredores de Geneva, Suíça, observaram em restos de colisões de próton-próton um excesso inesperado de pares de fótons carregando em torno de 750 GeV de energia combinados. Isso poderia ser o sinal da história de uma nova partícula, também um bóson, mas não necessariamente similar ao de Higgs, decaindo em dois fótons de energia equivalente. Seria em torno de quatro vezes mais massivo do que a próxima partícula mais pesada descoberta até então, o quark top, e seis vezes mais massiva que o Higgs.

Em cada caso, a significância estatística era bem pequena. Marumi Kado, do Linear Accelerator Laboratory na Universidade de Paris-Sud, disse que o seu experimento, ATLAS, viu em torno de 40 pares de fótons acima do número esperado do modelo padrão de partículas da física; Jim Olsen da Universidade de Princeton, Nova Jersey, reportou que o CMS viu apenas dez. Nenhum deles teria sequer mencionado o excesso caso os outros experimentos não tivessem visto pistas quase que idênticas.

“É um pouco intrigante. Mas pode ocorrer por coincidência,” diz o representante do ATLAS Dave Charlton, da Universidade de Birmingham, Reino Unido.

Em física de partículas, tropeços estatísticos como esse vem e vão todo o tempo. Se isso acabar sendo uma partícula real, seria “uma mudança completa no jogo”, diz Gian Francesco Fiudice, um teórico do CERN, que não é membro nem do ATLAS nem do CMS. Físicos experimentais passaram décadas validando o modelo padrão, e o Higgs era a última peça faltante no quebra-cabeça. Uma partícula mais pesada abriria um capítulo inteiramente novo no campo. Tiziano Camporesi, um físico no CERN que representa o CMS, diz que não sabe o que concluir com os dados até então. A diferença apareceu conforme a equipe do CMS procurava por uma partícula não relacionada chamada de gráviton.

Maxim Perelstein, um físico teórico do campo de partículas na Universidade de Cornell em Ithaca, Nova Iorque, diz que apesar de que um bóson de 750 GeV não é o que os físicos do LHC tem procurado, teóricos não necessariamente o consideraria como exótico. Por exemplo, poderia ser uma partícula similar a Higgs, apenas mais pesada. “Eu não iria achar isso uma grande surpresa caso venha a ser verdade,” diz Perelstein.

Enquanto isto, buscas por partículas previstas pela supersimetria, extensão favorita dos físicos para o modelo padrão, continuam sem encontrar nada. Para o físico teórico Michael Peskin, do Acelerador Nacional SLAC em Menlo Park, California, a parte mais relevante da discussão trata da falha em encontrar a partícula supersimétrica gluino no alcance de massas possíveis até 1.600 GeV. Isto força a supersimetria perto de um ponto onde muitos físicos talvez desistam dela, diz Peskin.

Em relação aos dois fótons, Camporesi diz que em 2016 o LHC deve estabelecer conclusivamente se os dados foram apenas outro tropeço estatístico ou uma nova partícula. Vai ser a maior prioridade para a próxima rodada de coleta de dados, marcada para começar em março, diz ele. “Se existe um fenômeno natural por trás das flutuações, nós saberemos,” conclui Camporesi.

Charlton concorda: “Nós esperamos dez vezes mais dados no próximo ano, o que deve ajudar a resolver essa questão, mas provavelmente irá criar outras novas!”

Fonte: Nature

A longevidade dos elétrons

O tempo de vida mínimo dos elétrons, de acordo com as medições recentes é de 6,6 × 10²⁸anos (66.000 yotta-anos), o que corresponde a cerca de cinco quintilhões de vezes a atual idade do Universo.

© INFN (detector Borexino)

Um elétron é a partícula subatômica mais leve, com massa de cerca de 9,11 x 10^-31 kg, que transporta uma carga elétrica negativa. Não há componentes conhecidos nele, e é por isso que os elétrons são considerados uma partícula elementar.

Uma equipe de pesquisadores de diversas nacionalidades que trabalham no experimento Borexino, um detector de neutrinos que opera no Laboratori Nazionali del Gran Sasso, na Itália, buscava sinais de elétrons decaindo em partículas mais leves, mas, como esperado, não foi encontrado nada. Isso é bom, porque confirma o que físicos vem suspeitando há muito tempo. Se eles encontrassem evidências de que elétrons decaem em fótons e neutrinos, estas últimas são partículas elementares com ainda menos massa, isto violaria a conservação da carga elétrica. Tal descoberta sugeria uma nova física muito além do modelo padrão.

O decaimento departículas é muito natural na física; partículas pesadas tendem a decair em mais leves. Um nêutron sozinho, por exemplo, vai decair em um próton, um elétron e um anti-neutrino em alguns minutos. Porém, a carga elétrica total não altera. As únicas partículas que são mais leves do que elétrons são eletricamente neutras: fótons (desprovido de massa), neutrinos, glúons e grávitons. Se existisse outra partícula leve carregada, já teria sido detectada. Isto sugere que não há possibilidade do elétron decair.

Os detalhes do trabalho foram publicados no jornal científico Physical Review Letters.

Fonte: Physics World

Partícula feita apenas de força nuclear forte

Há décadas, os cientistas procuram pelas chamadas “glueballs”. Parece que, enfim, acharam.

© TU WIEN (nucleons e glueball)

A imagem acima mostra, à esquerda, nucleons que consistem de quarks (partículas de matéria) e glúons (partículas de força), e à direita, uma glueball que é constituída apenas de glúons.

Uma glueball é uma partícla exótica feita inteiramente de glúons, as partículas “pegajosas” que mantém juntas as partículas nucleares. As glueballs são instáveis e só podem ser detectadas indiretamente, por meio da análise de seu decaimento. No entanto, esse processo de decaimento ainda não é totalmente compreendido.

O Professor Anton Rebhan e Frederic Brünner da Universidade Técnica de Viena (TU Wien), na Áustria, empregaram uma nova abordagem teórica para calcular o decaimento de uma glueball. Seus resultados coincidem extremamente bem com dados obtidos em experiências em aceleradores de partículas. Há fortes indícios de que uma ressonância, chamada “f0(1710)”, encontrada em várias experiências, seja de fato a tão procurada glueball. Em poucos meses devem sair novos resultados experimentais.

Prótons e nêutrons consistem de partículas ainda mais elementares, chamadas quarks. Esses quarks são ligados pela Força Nuclear Forte. Na física de partículas, toda força é mediada por um tipo especial de partícula e a partícula da força nuclear forte é o glúon.

Os glúons podem ser encarados como versões mais complexas do fóton. Os fótons sem massa são os responsáveis pelas interações eletromagnéticas, enquanto que oito tipos diferentes de glúons desempenham uma função similar para a força nuclear forte. No entanto, existe uma importante diferença: os glúons interagem com eles mesmos, enquanto os fótons, não.  Por isso não existem fótons no estado ligado, mas uma partícula composta somente de glúons é, de fato, possível.

Em 1972, pouco depois que a teoria de quarks e glúons foi formulada, os físicos Murray Gell-Mann e Harald Fritsch especularam sobre possíveis partículas compostas somente de glúons (originalmente chamadas de “gluonium”; atualmente chamadas de “glueball”). Várias partículas, encontradas em experiências em aceleradores de partículas, foram consideradas como candidatas viáveis para glueballs, porém nunca houve um consenso científico sobre se esses sinais seriam ou não uma dessas misteriosas partículas feitas inteiramente de partículas de força. Os sinais detectados poderiam ser, ao invés de uma glueball, uma combinação de quarks e antiquarks. As glueballs são efêmeras demais para serem diretamente detectadas. Se elas existirem, teriam que ser identificadas pelo estudo de seu decaimento.

“Infelizmente, o padrão de decaimento das glueballs não pode ser calculado com rigor”, lamenta Anton Rebhan. Cálculos com modelos simplificados mostraram que há dois candidatos realísticos para glueballs: os mésons chamados f0(1500) e f0(1710). Por muito tempo, o primeiro foi considerado o candidato mais promissor. O segundo tem uma massa maior, o que concorda mais com as simulações computadorizadas, porém, quando decai, produz muitos quarks pesados, denominados quarks strange. Para muitos cientistas de partículas, isto parecia implausível, porque as interações dos glúons não fazem, usualmente, distinção entre quarks mais leves e mais pesados.

Anton Rebhan e seu estudante de PhD, Frederic Brünner, deram um grande passo à frente na solução desse enigma, usando uma abordagem diferente. Existem conexões fundamentais entre as teorias quânticas que descrevem o comportamento das partículas em nosso mundo tridimensional e certos tipos de teorias gravitacionais em espaços com mais dimensões. Isso significa que certas questões de física quântica podem ser respondidas, se usarmos ferramentas da física da gravidade.

“Nossos cálculos mostram que é efetivamente possível que as glueballs decaiam preferencialmente em quarks strange”, afirma Anton Rebhan. Surpreendentemente, o padrão de decaimento calculado, em duas partículas mais leves, é extremamente concordante com o padrão de decimento medido para o f0(1710). Além disto, outros decimentos em mais de duas partículas são possíveis. Esses padrões de decaimento também foram calculados.

Até agora, esses decaimentos alternativos para as glueballs não foram medidos, porém, dentro dos próximos meses, novos dados serão obtidos em duas experências do LHCb e TOTEM no Large Hadron Collider (LHC) do CERN e um acelerador em Beijing (BESIII). “Esses resultados serão cruciais para nossa teoria”, diz Anton Rebhan. “Para esses processos multi-partículas, nossa teoria prevê taxas de decaimento muito diferentes dos outros modelos mais simples. Se as medições concordarem com nossos cálculos, isto será um notável sucesso para nossa abordagem”. Seria um indício definitivo de que o méson f0(1710) é mesmo uma glueball. E, mais do que isso, será demonstrado que uma gravidade em número superior de dimensões pode ser utilizada para responder questões da física de partículas, de uma forma que significaria mais um enorme sucesso para a Teoria da Relatividade Geral de Einstein que completa 100 anos no próximo mês.

Um artigo foi publicado na revista Physical Review Letters.

Fonte: Technische Universität Wien

A metamorfose do neutrino

O Prêmio Nobel de Física de 2015 foi concedido a Arthur B. McDonald, 72, da Queen's University, do Canadá, e Takaaki Kajida, 56, da Universidade de Tóquio, no Japão pela descoberta de que os neutrinos, um tipo de partícula elementar, mudam de classe e possuem massa.

© U. de Tóquio/Super-Kamiokande (evento da detecção de neutrinos)

Os dois pesquisadores dividem os 8 milhões de coroas suecas (US$ 963 mil) do prêmio. Ambos trabalharam em experimentos importantes para detectar e estudar essas partículas, muito difícieis de capturar por não possuírem carga elétrica e terem massa extremamente leve.

O estudo de neutrinos que se deslocam no espaço e atravessam a Terra como fantasmas era um quebra-cabeça para a física antes dos trabalhos de McDonald e Kajida. Físicos acreditavam que essas partículas, prduzidas no Sol e por raios cósmicos que incidem sobre a atmosfera terrestre, estavam sumindo durante a trajetória, pois boa parte delas não estava sendo detectada.

Neutrinos são as partículas elementares conhecidas mais numerosas do Universo depois dos fótons, as partículas de luz, e chegam à Terra vindas de todos os lados. Nossos corpos são atravessados por trilhões deles a cada segundo.

Cientistas haviam calculado quantas das partículas solares deveriam chegar à Terra, mas os primeiros experimentos de detecção só acharam um terço dos neutrinos esperados, e os físicos não sabiam por quê. Neutrinos produzidos na atmosfera também pareciam estar desaparecendo. Isso desafiava princípios básicos da física, porque partículas elementares não somem sem deixar pista.

Elaborando experimentos sofisticados com detectores ultrassensíveis em cavernas profundas para evitar interferências externas, Kajida e McDonald levaram à detecção das partículas desaparecidas. Os neutrinos estavam, na verdade, mudando de um tipo para outro, o que dificultava a investigação. O problema é que os neutrinos produzidos no Sol, por exemplo, são de uma classe específica, associada aos elétrons, as partículas de carga negativa nos átomos.

Os experimentos dos dois físicos ganhadores do Nobel de 2015 mostraram que os neutrinos do elétron também poderiam se transformar em "neutrinos do tau" ou "neutrinos do múon", associados a outras partículas elementares. Uma implicação disso era que essas partículas possuem massa, algo que não era esperado.

O experimento no qual Kajida trabalhou foi o Super-Kamiokande, um conjunto de dectores de 40 metros de altura construído numa mina de zinco a 1 km de profundidade. Esse projeto, perto de Tóquio, estudava neutrinos produzidos por raios cósmicos na atmosfera terrestre.

© K. MacFarlane (Takaaki Kajita & Arthur B. McDonald)

McDonald trabalhou no Observatório de Neutrinos de Sudbury, que estudava neutrinos produzidos pelo Sol. O projeto consistia em detectores instalados dentro de uma caverna aberta por uma mina de níquel no estado canadense de Ontario, a 2 km de profundidade.

A confirmação de que neutrinos têm massa contrariava aquilo que era sugerido pelo Modelo Padrão, a teoria vigente da física de partículas, sugerindo que ele não é uma descrição completa da física fundamental. Antes disso, acreditava-se que os neutrinos fossem entidades sem massa, como os fótons.

Esta descoberta trata de uma física que está além do Modelo Padrão.

Agora, os experimentos continuam em intensa atividade em todo o mundo, a fim de capturar neutrinos e examinar suas propriedades. Novas descobertas sobre os seus segredos mais profundos são esperados para mudar nossa compreensão atual da história, estrutura e destino futuro do Universo.

Fonte: The Royal Swedish Academy of Sciences

A natureza dos neutrinos de alta energia

A Colaboração IceCube anunciou uma nova observação de neutrinos de alta energia originários de fora do nosso Sistema Solar.

© IceCube (eventos de neutrino mais energéticos e o IceCube Lab)

Este estudo, que procurou neutrinos vindos do Hemisfério Norte, confirma a sua origem cósmica bem como a presença de neutrinos extragaláticos e a intensidade da taxa de neutrinos. A primeira evidência de neutrinos astrofísicos foi anunciada pela colaboração em novembro de 2013.

"A procura por neutrinos do múon que chegam ao detector, passando pelo interior da Terra, é o modo como o IceCube faz astronomia de neutrinos e, com este estudo, prova-o," afirma Francis Halzen, pesquisador principal do IceCube e professor de física da Universidade de Wisconsin-Madison. "Não é como o CMS (Compact Muon Solenoid) ou o ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), ambos do LHC (Large Hadron Collider), mas é tão perto de uma confirmação independente quanto possível para um único instrumento."

Os neutrinos são partículas subatômicas que viajam por todo o Universo quase sem serem influenciados pela matéria, apontando diretamente para as fontes de energia onde foram criados. E para os neutrinos mais energéticos, essas fontes deverão ser os ambientes mais extremos do Universo: poderosos geradores cósmicos, como buracos negros ou a explosão de estrelas gigantescas, objetos capazes de acelerar os raios cósmicos para energias mais de um milhão de vezes superiores àquelas alcançadas pelos aceleradores feitos pelo Homem, como o LHC no CERN.

"Os neutrinos cósmicos são a chave para partes ainda inexploradas do nosso Universo e poderão finalmente revelar as origens dos raios cósmicos mais energéticos," afirma Olga Botner, porta-voz da colaboração e da Universidade de Uppsala. "A descoberta de neutrinos astrofísicos aponta para o início de uma nova era na astronomia."

Os neutrinos nunca são observados diretamente, mas o IceCube é capaz de ver os subprodutos de uma interação entre um neutrino e o gelo da Antártida. Este detector com um quilômetro cúbico regista cem mil neutrinos por ano, a maioria produzidos pela interação dos raios cósmicos com a atmosfera da Terra. Bilhões de múons atmosféricos criados nas mesmas interações também deixam vestígios no IceCube. De todos estes, os pesquisadores procuram apenas algumas dúzias de neutrinos astrofísicos, que vão ampliar a nossa compreensão atual do Universo.

A pesquisa apresentada há poucos dias pela Colaboração IceCube usa uma velha estratégia para um telescópio de neutrinos: observa o Universo através da Terra, usando o nosso planeta para filtrar o grande fundo de múons atmosféricos. Entre maio de 2010 e maio de 2012, foram encontrados nos dados mais de 35.000 neutrinos. À energia mais alta, acima dos 100 TeV (teraelétrons-volt ou trilhões de elétrons-volt), a taxa medida não pode ser explicada por neutrinos produzidos na atmosfera da Terra, indicando a natureza astrofísica dos neutrinos de alta energia. A análise apresentada nesta pesquisa sugere que mais de metade dos 21 neutrinos acima dos 100 TeV têm origem cósmica.

© IceCube (mapa celeste dos 21 eventos mais energéticos)

Esta observação independente, com uma significância de 3,7 sigma e em boa concordância com os resultados anteriores da Colaboração Icecube, também confirma a elevada taxa de neutrinos astrofísicos. Apesar dos cientistas ainda os contarem "ao punhado", os resultados do IceCube estão perto dos valores máximos com base nas fontes potenciais de raios cósmicos. A intensidade deste fluxo mostra que as fontes de raios cósmicos são geradores eficientes de neutrinos. E, portanto, estas pequenas partículas são ainda mais tidas em conta como as ferramentas perfeitas para explorar o Universo extremo.

Os neutrinos de alta energia observados pertencem a uma nova amostra de neutrinos, tendo apenas um evento em comum com os primeiros resultados anunciados em 2013, que procurou neutrinos de alta energia que tinham interagido com o gelo dentro do IceCube durante o mesmo período de obtenção de dados. A pesquisa atual focou-se apenas nos neutrinos do múon. Estes neutrinos produzem um múon quando interagem com o gelo e têm uma assinatura característica no IceCube, que chamam de "track", o que os torna fácil de identificar. É esperada a mesma forma para um múon atmosférico, mas ao observar apenas o Hemisfério Norte, os cientistas sabem que um múon detectado só pode ter sido produzido pela interação de um neutrino.

Estas "tracks" induzidas por neutrinos têm uma boa resolução de apontamento, que podem usar para localizar as suas fontes com uma precisão inferior a 1 grau. No entanto, os estudos do IceCube ainda não encontraram um número significativo de neutrinos provenientes de uma única fonte. O fluxo de neutrinos medidos pelo IceCube no Hemisfério Norte tem a mesma intensidade que o fluxo astrofísico medido no Hemisfério Sul. Isto suporta a ideia de uma grande população de fontes extragaláticas, caso contrário as fontes na Via Láctea dominariam o fluxo em torno do plano galáctico.

Além disso, esta nova amostra de neutrinos de alta energia, quando combinada com as medições anteriores do IceCube, permitem as medições mais precisas, até à data, do espectro de energia e da composição do fluxo de neutrinos extraterrestres.

O IceCube, gerido pela Colaboração Icecube, é um detector de partículas localizado perto da Estação Amundsen-Scott no Pólo Sul. Está enterrado abaixo da superfície e estende-se até uma profundidade de aproximadamente 2.500 metros. Uma rede à superfície, o IceTop, e um subdetector interno mais denso, DeepCore, melhoram significativamente as capacidades do observatório, tornando-o numa instalação multiusos.

Os resultados são a primeira confirmação independente desta descoberta e foram publicados agora na revista Physical Review Letters. E também um segundo artigo foi publicado na revista The Astrophysical Journal.

Fonte: University of Wisconsin-Madison

A descoberta do pentaquark

Cientistas do Large Hadron Collider beauty (LHCb) anunciaram a descoberta de uma nova partícula, batizada de pentaquark.

© CERN (ilustração de uma partícula pentaquark)

A ilustração acima mostra um pentaquark de uma configuração possível de quarks composta por dois quarks up, um quark down, um quark charm e um antiquark charm.

O LHCb é um dos detectores de partículas construídos no acelerador LHC no European Organization for Nuclear Research (CERN), um acelerador de partículas gigantesco que fica na fronteira entre a França e a Suíça.

O LHCb é um experimento desenvolvido para medidas precisas da violação da simetria CP e decaimentos raros de mésons com o quark bottom ou sua antipartícula.

A simetria CP, é uma simetria quase exata das leis da natureza sobre o efeito do transformação entre partículas em antipartículas, a assim chamada conjugação de Carga, e a inversão das coordenadas espaciais, a Paridade, como por exemplo um elétron de spin-up transformando-se num pósitron de spin-down.

A ideia da simetria CP surgiu quando da descoberta da violação da paridade em certas reações de radioatividade nos anos 1950, mas só foi realmente estabelecida em 1964 quando a interação fraca violava esta simetria.

A primeira previsão da existência do pentaquark foi feita na década de 1960, mas, assim como o Bóson de Higgs, os cientistas não conseguiram detectar o pentaquark durante décadas.

Em 1964, dois físicos, Murray Gell-Mann e George Zweig, propuseram, separadamente, a existência de partículas subatômicas conhecidas como quarks.

Esta teoria afirmava que as propriedades mais importantes de partículas conhecidas como bárions e mésons poderiam ser melhor explicadas se elas fossem formadas por partículas ainda menores. Zweig chamou estas partículas menores de "ases", um nome que não ficou muito popular. Gell-Mann as chamou de "quark", o nome pelo qual elas são conhecidas hoje.

O modelo proposto pelos cientistas também permitiu a descoberta de outros estados dos quarks, como o pentaquark. Esta partícula, que anteriormente tinha uma concepção puramente teórica, é composta de quatro quarks e um antiquark. Isto é equivalente à descoberta de uma nova forma de matéria.

Durante a primeira década dos anos 2000, várias equipes de cientistas alegaram ter detectado os pentaquarks, mas estas descobertas foram questionadas por outros experimentos.

"Existe uma história e tanto com os pentaquarks, por isso estamos sendo muito cuidadosos ao apresentar esta pesquisa," afirmou Patrick Koppenburg, físico coordenador do LHC no CERN.

"É só a palavra 'pentaquark', que parece ser amaldiçoada de alguma forma, pois foram feitas muitas descobertas que, em seguida, foram superadas por novos resultados que mostravam que as anteriores eram flutuações, e não sinais verdadeiros (da existência da partícula)," acrescentou.

Os físicos estudaram a forma como uma partícula subatômica, a Lambda b, se transformou em outras três partículas dentro do LHC. A análise revelou que estados intermediários estavam envolvidos, em algumas ocasiões, na produção das três partículas. Estes estados intermediários foram denominados de P_c⁺(4450) e P_c⁺(4380).

"Examinamos todas as possibilidades para estes sinais e concluímos que eles só podem ser explicados pela existência dos estados de matéria pentaquark," afirmou o físico do LHC Tomasz Skwarnicki, da Universidade de Syracuse, nos Estados Unidos.

Experiências anteriores tinham medido apenas a chamada distribuição de massa, na qual um pico estatístico pode aparecer contra o ruído de fundo, um possível sinal da existência de uma nova partícula.

Mas, o colisor permitiu que os pesquisadores analisassem os dados de outras perspectivas, principalmente os quatro ângulos definidos pelas direções diferentes das trajetórias das partículas dentro do LHC.

"Não tem como o que vimos ser devido a qualquer outra coisa que não a adição de uma nova partícula que não tinha sido observada antes," disse Koppenburg.

"O pentaquark não é apenas uma nova partícula qualquer. Representa uma forma de agregar quarks, os principais componentes dos prótons e nêutrons comuns, em um padrão que nunca foi observado antes em mais de 50 anos de buscas experimentais", afirmou Guy Wilkinson, porta-voz do LHC.

Estudar suas propriedades pode permitir uma melhor compreensão de como a matéria comum, os prótons e nêutrons, são constituídos.

O Grande Colisor de Hádrons foi ligado novamente em abril depois de um desligamento que durou dois anos para completar um programa de reparos e atualizações, efetuando colisões com energia de 13 TeV ((teraelétrons-volt ou trilhões de elétrons-volt).

Um artigo foi divulgado na revista especializada Physical Review Letters.

Fonte: CERN

Sinal galáctico na busca da matéria escura

Essa é uma das observações mais disputadas da física. Mas logo poderá haver uma explicação para um misterioso excesso de fótons de alta energia no centro da Via Láctea.

© A. Mellinger/T. Linden/NASA (raios γ do Centro Galáctico)

A análise mais recente sugere que o sinal poderia vir de partícula de matéria escura com a massa necessária exata para ser encontrada no maior acelerador de partículas do mundo.
O Grande Colisor de Hádrons (LHC), localizado no laboratório CERN de física de partículas perto de Genebra, na Suíça, deve voltar a colidir prótons neste verão boreal após um hiato de dois anos. Os cientistas pretendem tornar a busca por essa partícula uma das principais metas da segunda ativação do colisor.
Uma detecção positiva esclareceria a fonte dos raios γ (gama) galácticos. Também revelaria a natureza da matéria escura, substância invisível que se acredita compor cerca de 85% da matéria do Universo, seria uma evidência, procurada há muito tempo, da supersimetria, e assim, um forte argumento para se estender o atual modelo padrão da física de partículas.
“Essa poderia ser a explicação mais promissora para o Centro Galáctico já proposta até hoje”, declara Dan Hooper, do Laboratório Nacional do Acelerador Fermi (Fermilab) em Batavia (EUA), mas adiciona que “existem outras que não estão muito atrás”.
Em 2009, Hooper e Lisa Goodenough, então aluna de pós-graduação da New York University, foram os primeiros a identificar o sinal em dados do telescópio espacial de raios gama Fermi, da Nasa. Eles propuseram que a observação era uma assinatura da matéria escura. Duas partículas de matéria escura em colisão aniquilariam uma à outra, assim como ocorre com matéria e antimatéria. A aniquilação geraria uma sucessão de partículas de vida curta que acabariam produzindo raios γ.
Mas a partícula proposta, que foi batizada de hooperon ou gooperon em homenagens aos cientistas, logo encontrou problemas com a versão favorita da supersimetria. Ainda que a extensão supersimétrica mínima do modelo padrão (MSSM) permita partículas de matéria escura com a massa estimada de hooperons, cerca de 25 a 30 gigaeletronvolts (1 GeV é aproximadamente a massa de um próton), vários experimentos já sugeriram que as partículas devem ser mais pesadas que isso. Para acomodar hooperons, a MSSM teria que ser modificada o suficiente para deixar muitos físicos desconfortáveis. “Nós precisaríamos de uma teoria completamente nova”, observa Sascha Caron, físico de partículas da Universidade Radbound Nijmegen, na Holanda, que lidera a equipe responsável pelos cálculos mais recentes.
Céticos sugeriram que o excesso de raios γ observado nos dados do Fermi tinham explicações mais simples, como emissões de estrelas de nêutrons ou resquícios de explosões estelares.
Mas no final de 2014, perceberam que os cálculos para a variação da massa de partículas de matéria escura que seriam compatíveis com as observações do Fermi eram conservadores demais. Novas estimativas do ‘ruído’ de raios γ produzido por fontes conhecidas, fornecidas pela equipe científica do Fermi e outras, permitem partículas muito mais pesadas. “O excesso pode ser explicado com uma partícula de até 200 GeV”, explica Simona Murgia, física da University of California, Irvine, e uma das principais cientistas da equipe do Fermi.
Armados com essa ideia, Caron e seus colaboradores recalcularam as previsões da teoria MSSM e encontraram outra possível explicação para o excesso, um candidato existente à matéria escura chamado de neutralino. O neutralino era pesado o suficiente para não ser excluído por experimentos anteriores, mas leve o suficiente para poder ser produzido na segunda ativação do LHC.
O modelo de Caron também permite uma previsão para a quantidade de matéria escura que deveria ter sido criada no Big Bang, que é compatível com observações da radiação cósmica de fundo, a radiação remanescente do Big Bang, realizadas pela sonda Planck, da ESA. Isso não pode ser uma coincidência, afirma ele. “Eu acho isso incrível”.
A equipe de Caron não é a única reavaliando as observações do Fermi sob a perspectiva das novas estimativas. Cálculos semelhantes, mas menos detalhados, realizados pelo físico Patrick Fox, do Fermilab, e seus colegas em novembro último também revelaram o neutralino como uma possível causa dos raios γ do Fermi. E Katherine Freese, diretora do Nordita, o Instituto Nórdico de Física Teória em Estocolmo, declara que ela e seus colaboradores calcularam que o excesso poderia ser provocado por um tipo de matéria escura que faz parte de uma teoria menos popular da supersimetria.
A resolução desses problemas pode estar logo adiante. Além de ser produzido no LHC, o neutralino também poderia estar ao alcance de experimentos subterrâneos da próxima geração, prontos a detectar partículas de matéria escura que por acaso atravessem a Terra, informa o físico Albert De Roeck. Roeck trabalha no CMS, um dos dois detectores do LHC que caçarão a matéria escura. Se essa partícula realmente for a causa dos raios γ, é possível que os sinais de matéria escura sejam observados muito em breve.

Fonte: Nature

Descoberto monopolo no campo quântico

Pesquisadores da Universidade de Aalto (Finlândia) e Amherst College (EUA) tem observado um monopolo no campo quântico pela primeira vez.

© Heikka Valja (ilustração de um monopolo no campo quântico)

Esta descoberta se conecta às características importantes do elusivo monopolo magnético. Os pesquisadores realizaram um experimento em que manipularam um gás de átomos de rubídio preparados em um estado não imantado perto da temperatura do zero absoluto. Sob estas condições extremas foi possível criar um monopolo no campo da mecânica quântica que descreve o gás.
"Neste estado não magnético, foi criada uma estrutura no campo descrevendo o gás, assemelhando-se ao monopolo magnético, conforme descrito nas grandes teorias unificadas da física de partículas. Anteriormente, foi utilizada um gás para detectar um monopolo dentro de um chamado campo magnético sintético, mas não houve a ocorrência de monopolo no campo quântico que descreve o próprio gás. Agora finalmente testemunhamos a existência do monopolo da mecânica quântica!", alega o Dr. Mikko Möttönen da Universidade Aalto.

© U. Aalto (condensado de Bose-Einstein contendo o monopolo)

A imagem acima mostra um condensado de experimentalmente criado de Bose-Einstein contendo um monopolo (à esquerda) e a previsão teórica correspondente (à direita). Área mais clara tem maior densidade de partículas e as diferentes cores indicam o estado de rotação interna dos átomos. O monopolo está localizado no centro do condensado.

No estado não magnético do gás, não há remoinhos quânticos ou monopolos que são criados no campo magnético sintético. Entretanto, a ordem magnética prevalece na amostra no campo da mecânica quântica, e os cientistas foram capazes de manipular isso com ajustes para um campo magnético aplicado externamente.
"O controle desses campos magnéticos deve ser estável a uma pequena fração do tamanho do campo magnético da Terra", acrescenta o Prof. David Hall do Amherst College. "O principal desafio experimental que enfrentamos foi preparar o gás criogênico em condições altamente sensíveis, em que as flutuações do campo devido ao movimento de objetos metálicos ou variações de linha de energia podem propiciar a observação dos monopolos difíceis".
O resultado é um notável avanço na pesquisa na área quântica. É importante compreender a estrutura dos monopolos e outras entidades topológicas, porque elas aparecem nos modelos que descrevem o Universo precoce e afeta as propriedades de muitos materiais diferentes, tais como os metais.
A descoberta de uma partícula de monopolo magnético poderá ocorrer no futuro. Este novo resultado estabelece que a estrutura de um monopolo na mecânica quântica pode ser exibido na natureza e, portanto, suporta ainda a possibilidade de que existem monopolos magnéticos.

Fonte: Science

Descobertas duas novas partículas

Físicos do Large Hadron Collider (LHC) do European Organization for Nuclear Research (CERN) detectaram duas partículas subatômicas nunca vistas antes.

© APS/Alan Stonebraker (ilustração da partícula Ξb)

As partículas Ξb foram previstas pelo modelo de quarks e estima-se que possuem cerca de seis vezes a massa do próton, sendo que em experiências anteriores não foram detectadas devido à energia insuficiente para produzir essas partículas massivas. As detecções com novas medidas de precisão das massas das partículas Ξb, irão colocar restrições mais rígidas sobre a teoria da física de partículas.

O quark, na física de partículas, é uma partícula elementar e um dos dois elementos básicos que constituem a matéria. Outro é o lépton, como o elétron (e-), o múon e seus neutrinos. Os quarks se combinam para formar partículas compostas chamadas hádrons; os mais estáveis desse tipo são os prótons e os nêutrons, que são os principais componentes dos núcleos atômicos. Devido a um fenômeno conhecido como confinamento, os quarks nunca são diretamente observados ou encontrados isoladamente; eles podem ser encontrados apenas dentro de hádrons e os mésons. Existem seis tipos de quarks: up, down, strange, charm, bottom, e top. Os quarks up e down possuem as menores massas entre todos os quarks. Os quarks mais pesados mudam rapidamente para quarks up down por meio de um processo de decaimento. Devido a isso, quarks up e down são geralmente estáveis e são os mais comuns no Universo, enquanto que os quarks strange, charm, bottom e top só podem ser produzidos em colisões de alta energia, como as que envolvem os raios cósmicos e em aceleradores de partículas.

Os novos quarks descobertos vêm das três famílias: up/down, strange/charm e bottom/top. Em 2007, os físicos observaram a primeira partícula com um quark de cada família: Ξ-b, composto por um bottom, um strange, e um down, dando-lhe uma carga negativa de -1. No entanto, esta é apenas a versão de menor massa dessa combinação de três famílias de quarks. A teoria do modelo de quarks prevê a existência de dois primos de massa mais elevada de Ξ-b, chamados Ξ'-b e Ξ*-b, os quais são caracterizados pela seu spin de 1/2 e 3/2, respectivamente.

Para confirmar a existência dessas partículas Ξ-b de curta duração, o experimento Large Hadron Collider beauty (LHCb) no CERN observou a evidência do decaimento das partículas Ξ-b em dados de colisões próton-próton em energias de 7 e 8 TeV (tera-elétron-volts). Especificamente, eles investigaram o decaimento para um Ξ0b neutro e um píon de carga negativa (π-). Eles observaram assinaturas para as duas partículas com massas de 5.935 e 5.955 MeV (mega-elétron-volts), correspondendo as partículas Ξ'-b e Ξ*-b, respectivamente. Os resultados vieram como uma surpresa, já que muitos modelos previram que a Ξ'-b não era massiva o suficiente para se decompor por este caminho, e uma busca em outro experimento do CERN não tinha encontrado o decaimento equivalente a uma partícula intimamente relacionada à partícula Ξ'0b. Usando as novas medições muito precisas de massa, os teóricos serão capazes de aperfeiçoar os seus modelos, especificamente aqueles que prevêem a massa de outras partículas à base de quarks.

Fonte: Physical Review Letters

Partícula de Majorana em ferro supercondutor

Desde a década de 30, cientistas procuram partículas que sejam ao mesmo tempo matéria e antimatéria.

© Princeton University (microscópio de tunelamento por varredura)

Físicos usaram um microscópio de tunelamento por varredura para produzir imagens de uma fina cadeia de átomos de ferro disposta sobre a superfície de um supercondutor de chumbo (barra amarela). As cores da imagem representam a probabilidade quântica de qualquer local conter uma partícula de Majorana, que é tanto matéria quanto antimatéria. A porção ampliada mostra que a probabilidade de encontrar uma partícula de Majorana aumenta muito nas extremidades do fio, como previsto em teoria.

Agora foram encontradas fortes evidências de uma entidade desse tipo dentro de um material supercondutor. A descoberta poderia representar a primeira “partícula de Majorana”, e poderia ajudar pesquisadores a codificar informações para computadores quânticos. 
Acredita-se que todas as partículas de matéria tenham uma contraparte de antimatéria com massa igual, mas carga diferente. Quando a matéria encontra seu equivalente de antimatéria, as duas se aniquilam.
De acordo com uma previsão realizada em 1937 pelo físico italiano Ettore Majorana, porém, algumas partículas podem ser suas próprias parceiras de antimatéria. Pela primeira vez pesquisadores declararam ter produzido imagens de uma dessas partículas de Majorana.
A nova partícula de Majorana apareceu em supercondutor, material em que o livre movimento de elétrons permite que a eletricidade flua sem resistência.
A equipe de pesquisa, conduzida por Ali Yazdani da Princeton University, posicionou uma longa cadeia de átomos de ferro, magnetizável, sobre a superfície de um supercondutor feito de chumbo.
O magnetismo normalmente prejudica supercondutores, que dependem da ausência de campos magnéticos para que seus elétrons fluam livremente. Nesse caso, porém, o campo magnético se transformou em um tipo especial de supercondutor, em que elétrons próximos uns dos outros coordenavam seus spins para satisfazer simultaneamente as exigências de magnetismo e supercondutividade.
Cada um desses pares pode ser entendido como um elétron e um antielétron, com carga negativa e positiva, respectivamente. Mas esse arranjo deixa um elétron em cada ponta da cadeia sem par, fazendo com que assumam as propriedades tanto de elétrons quanto de antielétrons, em outras palavras, de partículas de Majorana.  
Assim como partículas no vácuo, sem contato com outros tipos de matéria, essas entidades são chamadas de “partículas emergentes”. Elas emergem das propriedades coletivas da matéria adjacente e não poderiam existir fora do supercondutor.
O novo estudo mostra uma assinatura convincente de partículas de Majorana, declara Leo Kouwenhoven da Universidade de Tecnologia Delft, na Holanda, que não se envolveu na pesquisa mas que encontrou sinais de partículas de Majorana em um arranjo supercondutor diferente. “Mas para realmente falarmos sobre provas completas e evidências sem ambiguidade, precisaríamos de um teste”.
Esse teste deve mostrar que as partículas não obedecem às leis normais das duas classes de partículas conhecidas na natureza, férmions (prótons, elétrons e a maioria das partículas com que estamos acostumados) e bósons (fótons e outras partículas que carregam forças, incluindo o bóson de Higgs). “A melhor coisa das Majoranas é que elas podem ser uma nova classe de partícula”, adiciona Kouwenhoven. “Se for encontrada uma nova classe de partículas, adiciona-se um novo capítulo à física”.
O físico Jason Alicea do Instituto de Tecnologia da Califórnia, que também não participou da pesquisa, declara que o estudo oferece “evidências convincentes” de partículas de Majorana, mas que “nós deveríamos manter explicações alternativas em mente, mesmo se não houverem candidatos imediatamente óbvios”.
Ele elogiou a configuração experimental por sua aparente capacidade de produzir as elusivas partículas de Majorana com facilidade. “Uma das maiores virtudes de sua plataforma em relação a trabalhos anteriores é permitir que pesquisadores apliquem um novo tipo de microscópio para analisar a anatomia detalhada da física”.
A descoberta poderia ter implicações para a procura de partículas de Majorana livres fora de materiais supercondutores. Muitos físicos suspeitam que neutrinos, partículas extremamente leves com a estranha capacidade de alterar suas identidades, ou “sabores”, sejam partículas de Majorana, e experimentos estão sendo realizados para investigar essa hipótese.
Yazdani aponta que, agora que sabemos que partículas de Majorana podem existir dentro de supercondutores, pode não ser surpreendente encontrá-las na natureza. “Uma vez que o conceito esteja correto, é muito provável que ele apareça em outra camada da física. Isso é empolgante”.
A descoberta também poderia ser útil para construir computadores quânticos que façam uso das leis da mecânica quântica para realizar cálculos muitas vezes mais rapidamente que computadores convencionais.
Um dos principais problemas na construção de um computador quântico é a suscetibilidade de propriedades quânticas, como o emaranhamento (uma conexão tal entre duas partículas, que agir sobre uma delas afeta a outra), a colapsar devido à interferência externa.
Uma cadeia de partículas com Majoranas em cada extremidade seria quase imune a esse risco, porque seria necessário danificar as duas extremidades simultaneamente para destruir quaisquer informações codificadas nela. “Poderíamos construir um bit quântico com base nessas partículas de Majorana”, declara Yazdani. “A ideia é que esse bit seja muito mais robusto para o ambiente que os tipos de bits que já foram tentados até agora”.

A descoberta foi relatada na revista Science.

Fonte: Scientific American

Estranhos neutrinos solares detectados pela primeira vez

Nas profundezas do Sol, pares de prótons se fundem para formar átomos mais pesados, liberando misteriosas partículas chamadas de neutrinos no processo.

© Colaboração Borexino (detector Borexino)

Acredita-se que essas reações sejam o primeiro passo na cadeia responsável por 99% da energia que o Sol irradia, mas cientistas nunca haviam encontrados provas até agora. Pela primeira vez, físicos capturaram os elusivos neutrinos produzidos pelas reações básicas de fusão de prótons do Sol.
A Terra deveria estar repleta desses neutrinos, cálculos sugerem que aproximadamente 420 bilhões deles atinjam cada polegada quadrada da superfície de nosso planeta por segundo, mas eles são incrivelmente difíceis de encontrar.
Os neutrinos quase nunca interagem com partículas regulares e normalmente passam direto pelos espaços vazios entre os átomos de nossos corpos e de toda matéria convencional. Mas ocasionalmente eles colidem com um átomo, que solta um elétron, criando um rápido flash de luz visível apenas a detectores extremamente sensíveis. Foi assim que o experimento Borexino do Laboratório Nacional Gran Sasso, na Itália, os encontrou.
A detecção dos chamados “neutrinos pp”, os neutrinos criados pela fusão de dois prótons solares, era uma tarefa quase impossível. “A existência desses neutrinos não era questionada. O que queríamos saber era se algum grupo conseguiria construir um detector tão incrivelmente cristalino que permitisse a visualização desses neutrinos de baixa energia em tempo real, evento por evento”, explica Wick Haxton, físico da University of California, Berkeley, que não se envolveu no experimento. “O Borexino conseguiu fazer isso depois de uma longa campanha para isolar e compreender eventos de fundo”.  
O Borexino usa um tanque cheio de cintilador líquido, um material projetado para emitir luz quando recebe energia, contido em uma grande esfera cercada por mil toneladas de água, protegida por camadas e mais camadas de cobertura e enterrada 1,4 quilômetros abaixo do solo.
Essas defesas foram projetadas para impedir a passagem de tudo, menos neutrinos, assim excluindo todos outros tipos de radiação que pudessem imitar o sinal. “Infelizmente isso não é o bastante para neutrinos pp”, observa Andrea Pocar da University of Massachusetts Amherst que também é membro do Borexino e principal autor de um artigo relatando os resultados.

Parte da contaminação de fundo, no entanto, não pode ser bloqueada porque tem origem no próprio experimento. “O maior ruído vem do carbono 14 do cintilador”, explica Pocar.
O carbono 14 é um isótopo radioativo comum na Terra. Seu decaimento previsível permite que arqueólogos datem espécimes ancestrais. Quando decai, porém, o carbono 14 libera um elétron e emite luz muito semelhante à de neutrino pp. Os físicos tiveram que observar uma estreita faixa de energia em que podem distinguir neutrinos pp de decaimentos do carbono 14.
Mesmo assim, de vez em quando átomos de carbono 14 no cintilador decaem simultaneamente e a energia que eles liberam imita exatamente o brilho do neutrino pp. “Tivemos que compreender esses eventos com muita precisão para subtraí-los”, explica Pocar.
A equipe inventou uma nova maneira de contar os eventos, e coletou dados durante vários anos antes de ter certeza que haviam isolado um sinal verdadeiro. “Essa é uma medida muito difícil de realizar”, elogia Mark Chen da Queen’s University em Ontario, no Canadá, que não se envolveu no projeto. “O esforço que o Borexino fez para purificar o cintilador líquido em seu detector valeu a pena”.
A descoberta de neutrinos pp solares é uma confirmação que tranquiliza físicos em relação aos principais modelos teóricos que descrevem o Sol. Experimentos anteriores encontraram neutrinos solares de alta energia criados por estágios mais avançados do processo de fusão envolvendo o decaimento de átomos de boro. Mas os neutrinos pp de baixa energia foram mais difíceis de encontrar; sua detecção completa a ideia sobre a cadeia de fusão do Sol, além de acelerar os planos para a próxima geração de experimentos terrestres com neutrinos.

Durante as observações, foi medido um fluxo de neutrinos de 6,6 x 10¹⁰ por cm² por segundo. Isto significa que o Sol tem uma potência de 3,98 x 10²⁶ W (Watts), um valor muito semelhante ao obtido pela medição da energia da radiação solar que ilumina e aquece a Terra, que é de 3,84 x 10²⁶ W.
Uma estranha peculiaridade dessas partículas elementares é que elas existem em três sabores, chamados de elétron, múon e tau, e têm a bizarra capacidade de trocar de sabor ou oscilar. Devido às complexas particularidades nas reações de fusão de prótons, todos os neutrinos do Sol nascem como neutrinos do elétron. No momento em que atingem a Terra, porém, parte deles já se transformou em neutrinos múon e tau.
Cada sabor de neutrino tem uma massa levemente diferente, ainda que físicos não saibam exatamente quais são essas massas. Determinar as massas e como elas ficam ordenadas entre os três sabores é um dos objetivos mais importantes dos experimentos com neutrinos da atualidade. A diferença de massa entre sabores é o principal fator que afeta a oscilação dos neutrinos.
Se neutrinos estão viajando pela matéria, suas interações com ela também alteram suas taxas de oscilação. Tudo indica que as oscilações de neutrinos de  mais alta energia sofrem interferência da matéria, o que propicia maior chance de oscilação, e portanto menos deles sobreviverão como neutrinos do elétron no momento em que chegam à Terra.
O Observatório Sudbury de Neutrinos, em Ontário, e o experimento japonês Super-Kamiokande mediram esse fenômeno décadas atrás, quando detectaram os neutrinos solares de energia mais alta advindos do decaimento do boro. Agora as descobertas do Borexino confirmam o efeito: mais neutrinos de baixa energia vistos pelo Borexino permaneceram com o sabor elétron que os neutrinos de energia mais altas medidos pelos experimentos anteriores. “Isso é importante porque efeitos sobre a matéria só foram vistos no Sol até agora, mas queremos usar esse efeito na Terra em futuros ‘experimentos de linha longa com neutrinos’ para determinar completamente o padrão de massas de neutrino”, declara Haxton.
Esses experimentos, como o Long-Baseline Neutrino Experiment (LBNE) do Fermilab que deve começar em 2022, investigarão como ocorre a oscilação de neutrinos viajando pela matéria. Em vez de usar neutrinos solares, esses projetos criarão poderosos feixes de neutrinos em aceleradores de partículas e refinarão suas rotas para realizar medidas precisas.
O experimento do Fermilab gerará um fluxo de neutrinos de seu laboratório base, perto de Chicago, até a Instalação de Pesquisa Subterrânea de Sanford na Dakota do Sul. Enquanto os neutrinos atravessam cerca de 1.285 quilômetros de manto terrestre em sua jornada (a chamada “linha longa”), muitos oscilarão. Ao estudar como a matéria do manto intrage com os diferentes sabores para afetar suas taxas de oscilação, os pesquisadores esperam revelar quais sabores de neutrinos são mais leves, e quais são mais pesados.
Resolver o mistério da massa dos neutrinos, por sua vez, poderia apontar para uma teoria da física de partículas mais profunda que o Modelo Padrão atual, que não leva em conta as massas dos neutrinos. A última façanha do Borexino (medir neutrinos com precisão) sugere que os experimentos finalmente estão se tornando poderosos o suficiente para extrair esses segredos das elusivas partículas.

Um artigo divulgando os resultados foram publicados na Nature.

Fonte: Scientific American

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

Capturando partículas Z em colisor

Em abril de 2013, físicos de partículas fizeram uma inesperada descoberta: uma partícula, chamada Z_c(3900), que parece ser composta de quatro quarks ao invés das duas usuais ou três.

© APS/Alan Stonebraker (partícula Z_c)

A Colaboração Beijing Spectrometer Detector (BESIII), um dos dois grupos que primeiro detectaram a Z_c(3900), agora tem explorado um conjunto separado de reações que podem levar à produção desses estados de quatro quarks. Conforme relatado na Physical Review Letters, eles encontram fortes assinaturas de uma partícula, mas sua massa não é exatamente a da partícula Z_c(3900). Independentemente da sua verdadeira identidade, a entidade detectada pode dar um melhor entendimento de como os quatro quarks podem se unir nestas partículas incomuns.

A prova original para a partícula Z_c(3900) vem de colisões elétron- pósitron. Com energia de 4,26 GeV (giga-elétron-volts), essas colisões podem produzir uma partícula chamada Y(4260), que decai depois de algum tempo em um méson J/Ψ e dois pions. Nessas cadeias de desintegração, os físicos descobriram evidências de uma outra partícula, a Z_c(3900), com uma massa de 3,9 GeV/c².

Ainda não está claro se a Z_c(3900) é uma partícula com quatro quarks ou uma "molécula ", composta de dois estados e dois quarks .

À procura de uma nova visão sobre este problema, o experimento BESIII no Beijing Electron Positron Collider analisou uma rota diferente do decaimento da Y(4260), o que resulta em um par de mésons D e um pion. Os dados mostraram um pico numa energia específica, o que implica na criação de uma partícula com uma massa de 3,885 GeV/c². A discrepância em massa com a Z_c(3900) é pequena, mas a significância observada é 2 sigma, de modo que os pesquisadores se absteram de identificar a sua partícula com semo a Z_c(3900). No entanto, eles mediram o momento total angular e paridade de sua partícula, o que poderia ajudar a discriminar esta partícula de outras potenciais partículas de quatro quarks na mesma faixa de massa.

Fonte: Physical Review Letters

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