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

Novo modelo hipotético para Universo curvo

Vivemos em um Universo inclinado?!

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

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

Fonte: Physical Review Letters

A borboleta fractal

Após uma busca de quase 40 anos, os físicos encontraram uma prova experimental para um dos primeiros padrões fractais conhecidos da física quântica: a borboleta de Hofstadter.

© Douglas Hofstadter (a borboleta de Hofstadter)

Batizada em homenagem a Douglas Hofstadter, autor do livro Gödel, Escher, Bach, de 1979, ganhador do Prêmio Pulitzer, o padrão descreve o comportamento de elétrons em campos magnéticos extremos.
Para capturar a borboleta, os cientistas tiveram que inovar na construção de redes.
Desde maio, vários grupos vêm publicando experimentos que procuraram o padrão usando treliças hexagonais de átomos.
Em agosto, alguns cientistas relataram que estavam tentando captar o padrão com armadilhas de laser atômico. Alguns físicos afirmam que o estudo do padrão poderia ajudar no desenvolvimento de materiais com propriedades elétricas exóticas; mas a principal razão da busca foi verificar se a borboleta de fato tem o aspecto previsto.
“De início, o conceito de Hofstadter foi bastante perturbador para muita gente”, diz Cory Dean, um físico experimental no City College de Nova York. “Agora podemos dizer que sua proposta nem era tão louca assim”.
Hofstadter, que atualmente é um cientista cognitivo na Indiana University em Bloomington, esboçou o padrão nos anos 70 quando era um estudante de pós-graduação em física. Na época já se sabia que elétrons sob a influência de um campo magnético correriam em círculos, mas Hofstadter ponderou que, em teoria, se os elétrons estivessem confinados numa estrutura atômica cristalina, seus movimentos se tornariam complexos.
À medida que o campo magnético fosse incrementado, os níveis de energia que definem o movimento dos elétrons se dividiriam sucessivamente. Quando representados em um gráfico, esses níveis de energia revelaram um padrão que parecia uma borboleta e continuaram a fazer isso mesmo quando reduzidos a escalas infinitamente pequenas.
O matemático Benoît Mandelbrot ainda não tinha popularizado o termo “fractal” para esses padrões recursivos e o mentor de Hofstadter não se convenceu. “Ele desdenhosamente chamou o padrão de aninhamento que o novato alegava ter visto de ‘mera numerologia’”, conta o cientista. “Ele até me disse que eu seria incapaz de obter um PhD para esse tipo de trabalho”. Hofstadter publicou sua descrição da borboleta em 1976 após concluir seu doutorado.
A ideia era difícil de testar.
A força do campo magnético necessário depende do espaçamento entre os átomos na estrutura hexagonal (treliça). Em materiais convencionais, em que os átomos estão separados por menos de um bilionésimo de um metro, o padrão pode surgir somente em campos da ordem de dezenas de milhares de teslas. Os melhores ímãs disponíveis só conseguem chegar a cerca de 100 teslas e apenas por uma fração de segundo.
No entanto, campos menores têm suficientes treliças com espaçamentos maiores, que podem ser criados ao se empilhar materiais em camadas. Em maio, pesquisadores relataram que haviam colocado uma única folha de grafeno, em que os átomos de carbono estão dispostos como os alvéolos de um favo de mel, em cima de uma folha de nitreto de boro hexagonal (também com estrutura de favo).
As camadas criam um padrão repetitivo mais amplo para os campos magnéticos que os hexágonos existentes em cada material, magnificando efetivamente o campo.
Depois de submeterem o material a um campo magnético, os pesquisadores mediram alterações discretas na condutividade dele, com saltos que resultam de mudanças de nível de energia de seus elétrons.
Esses resultados não foram uma detecção direta do comportamento esperado de elétrons, mas uma simulação. 
A borboleta de Hofstadter ainda não tinha sido capturada, mas havia revelado sua existência. “Encontramos um casulo”, diz Pablo Jarillo-Herrero, um físico experimental no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) em Cambridge. “Ninguém duvida de que há uma borboleta lá dentro”.
Wolfgang Ketterle, o Prêmio Nobel de Física de 2001, também do MIT, está “caçando” a borboleta de outro modo, ao fazer com que átomos ajam como elétrons. Para fazer isso, ele congela átomos de rubídio a alguns bilionésimos de grau acima do zero absoluto e usa lasers para prendê-los em uma estrutura com cavidades ou bolsas, como os de embalagens de ovos.
Quando atingidos por um par de lasers entrecruzados extras, os átomos fluem de uma cavidade para outra, como em um túnel. A inclinação da grade permite que a gravidade direcione os átomos para caminhos que imitam os movimentos circulares de um elétron em um campo magnético, embora não haja campos magnéticos reais envolvidos.
O sistema pode monitorar o movimento de átomos individuais facilmente e deveria ser capaz de imitar um campo magnético suficientemente forte para produzir uma borboleta de Hofstadter. “Átomos frios nos darão uma enorme liberdade”, afirma Ketterle.
Mas o arranjo tem um problema: os lasers tendem a aquecer os átomos frios, limitando a capacidade de controlar as energias das partículas e revelar o padrão fractal.
Ainda assim, se o calor puder ser controlado e a borboleta simulada, esse sistema poderia ser um ponto de partida para estudar comportamentos quânticos em sólidos, como materiais que conduzem eletricidade na superfície, mas são isolantes no centro.
Dieter Jaksch, físico da University of Oxford, no Reino Unido, observou: “Espero que uma infinidade de novos fenômenos sejam detectados quando se explorar a borboleta”.

Fonte: Nature

Matéria pode ter movimento perpétuo?

O físico Frank Wilczek teve que defender suas ideias mais de uma vez durante a sua longa e célebre carreira.

© NPL (cristal do tempo)

Diz ele que seu trabalho sobre quarks, os menores blocos de construção da matéria, que lhe rendeu o Prêmio Nobel em 2004, originalmente foi considerado “pouco convencional”.
Ainda assim, Wilczek, atualmente no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) em Cambridge, foi pego de surpresa pela severidade de um ataque à sua mais recente proposta: um tipo de dispositivo em movimento perpétuo, chamado de cristal do tempo. Patrick Bruno, um físico teórico do Laboratório Europeu de Radiação Síncrotron (ESRF, na sigla em inglês), em Grenoble, na França, alega ter demolido a ideia com uma prova matemática publicada em agosto na revista Physical Review Letters.
“Ele está em pé de guerra”, comenta Wilczek que, imperturbável, revidou com um artigo postado em 27 de agosto no servidor de pré-impressão do arXiv na qual ele propõe uma nova forma para executar fisicamente a sua concepção.
Em seu sentido mais básico, o cristal do tempo proposto por Wilczek é qualquer coisa que possa ser observada movendo-se em um padrão que se repita a intervalos regulares ao longo do tempo sem o acréscimo de energia, essencialmente um relógio que funcione para sempre sem precisar de corda. Como os átomos em um cristal comum, que se repetem a intervalos discretos no espaço, a estrutura de um cristal do tempo se repete a intervalos discretos no tempo.
Ao procurar um exemplo para apoiar sua teoria, Wilczek idealizou um anel supercondutor em seu estado de menor energia. Os elétrons podem se mover por um anel desses sem resistência, fluindo em uma corrente perpétua que normalmente é suave e constante ao longo do tempo e, portanto, não tem uma referência (pontuação) observável para a passagem do tempo.
Em um artigo publicado em outubro de 2012, Wilczek levou a ideia um passo adiante ao imaginar um anel de partículas quânticas que interagem umas com as outras e formam aglomerações. Quando colocados em movimento por um campo magnético fraco, esses aglomerados oscilariam de um modo que satisfaria os critérios para um cristal do tempo.
A dissertação de Bruno questiona a ideia de que um sistema desses realmente está em seu estado de menor energia. Ele apresenta uma prova matemática de que qualquer sistema dessa natureza precisa receber alguma energia inicial para começar a girar. Mas ele argumenta que se as partículas não tiverem a energia mínima possível elas poderiam liberar alguma para se tornarem mais estáveis, rompendo assim o padrão de repetição de um cristal do tempo.
“Meu artigo encerra o assunto sobre cristais do tempo quânticos para uma classe bastante abrangente de sistemas”, afirma Bruno.
Uma equipe de físicos experimentais sediados nos Estados Unidos e na China discorda. Tongcang Li, da University of California em Berkeley e seus colegas estão planejando criar um cristal do tempo a partir de íons dispostos em um anel. Esses planos não mudaram apesar do artigo de Bruno. “O experimento que propusemos ajudará a resolver o debate”, declara Li.
De acordo com ele, Bruno pode ter adotado uma definição rigorosa demais para um cristal do tempo. Um sistema “metaestável”, que está quase em seu estado de menor energia, não existiria para sempre dizem os pesquisadores, mas poderia durar o tempo suficiente para ser interessante, levando talvez à criação de relógios que possam funcionar por um tempo muito longo sem qualquer estímulo.
Embora relute em desistir de sua ideia original, Wilczek admite que o conceito de um cristal do tempo talvez precise evoluir. “O assunto ainda está em um estágio exploratório e pode levar algum tempo para descobrir exatamente quais definições e sistemas são mais proveitosos”, diz ele.
Enquanto Li continua trabalhando com íons, a publicação mais recente de Wilczek descreve outro esquema, talvez mais simples, para fazer um cristal do tempo. Ele começa com dois pedaços de supercondutores conectados por um isolante não-supercondutor. Esse dispositivo, chamado de “Junção Josephson”, pode criar flutuações em correntes elétricas quando se aplica uma tensão externa. Wilczek argumenta que meramente quebrar o contato entre os supercondutores poderia criar os tipos de oscilações que caracterizam um cristal do tempo. Só o tempo dirá se isso satisfará seus críticos, e aonde tudo isso poderá levar.

Fonte: Nature

Descoberto o elemento químico 115

Uma equipe internacional de cientistas liderados pela Universidade de Lund, na Suécia, diz haver confirmado a existência de um novo elemento químico.

© Revista Física (elemento 115)

Experimentos conduzidos no centro de pesquisa GSI, na Alemanha, reforçam as evidências de que o elemento químico de número atômico 115 foi encontrado.

Os pesquisadores produziram um isótopo do novo elemento, que se transformou em outras partículas por um processo radioativo.

Os resultados confirmam medições anteriores realizadas por um grupo de cientistas na Rússia, em 2004.

Dirk Rudolph, professor da divisão de física atômica, e seus colegas da Universidade de Lund afirmam ter encontrado sinais de seu decaimento alfa bombardeando um filme fino de amerício (elemento químico de número atômico 95) com íons de cálcio (número atômico 20). Determinadas energias dos fótons estão de acordo com as energias esperadas para a radiação de raios X, que é uma “impressão digital” de um determinado elemento. Também, foram recolhidos dados sobre a estrutura e as propriedades dos núcleo atômico superpesado do novo elemento químico.

© U. Lund (sistema de detecção para registar partículas alfa)

O elemento químico 115 é altamente radioativo, que ainda não tem nome, não é estável, durando algumas frações de segundo antes de decair em elementos mais leves.

O potencial novo elemento será analisado por um comitê formado por integrantes da União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) e da União Internacional de Física Pura e Aplicada (IUPAP).

© Revista Física (tabela periódica)

O comitê vai decidir se acolhe a existência do novo elemento químico ou se mais experimentos são necessários antes da confirmação. A IUPAC ainda não incluiu o novo elemento químico na tabela periódica oficial mantida em seu site.

Fonte: Physical Review Letters

Paradoxo quântico detectado em diamante

Um efeito quântico batizado com o nome de um antigo quebra-cabeça grego foi observado em um diamante, abrindo o caminho para a utilização de cristais de diamantes em chips de computadores quânticos.

© Oliver Benson (paradoxo quântico em diamante)

O chamado “efeito Zeno quântico” leva o nome do filósofo grego de Elea, que viveu no século cinco a.C. e sugeriu que se a posição de uma flecha em movimento estiver bem definida por um momento no tempo então ela não avança naquele instante e, portanto, jamais poderá chegar ao seu destino.
Na versão quântica do paradoxo da flecha, físicos teóricos postularam, em 1977, que se um sistema quântico for medido com frequência suficiente, seu estado será incapaz de progredir; como se o ditado “panela vigiada não ferve” fosse verdadeiro.
A hipótese resulta de um postulado fundamental da teoria quântica, segundo o qual medir a propriedade de um objeto, como a sua posição, afeta o seu estado. O efeito Zeno quântico foi observado pela primeira vez experimentalmente em 1989 em íons resfriados a laser, presos por campos magnéticos e elétricos.
Agora, o físico quântico Oliver Benson e seus colegas da Universidade Humboldt, em Berlim, observaram esse efeito em um cristal de diamante, um material mais fácil de fabricar em larga escala para a computação quântica.

Os pesquisadores se concentraram nos chamados centros de vacância de nitrogênio, imperfeições que surgem em diamantes quando um átomo de nitrogênio e um espaço vazio substituem átomos de carbono em pontos adjacentes na estrutura do cristal.
A equipe utilizou microondas para mudar o estado de spin magnético de um elétron localizado em um centro de vacância de nitrogênio e depois aplicou raio laser para provocar uma emissão vermelha, que revelou em qual dos dois estados possíveis o elétron se encontrava em dado momento.
Ao medirem o centro de vacância de nitrogênio desse modo, os pesquisadores constataram que a oscilação entre os dois estados estava interrompida, exatamente como seria de se esperar se o efeito Zeno quântico estivesse em ação.
“O primeiro passo é observar que o efeito está lá; o próximo é colocar em ação portões quânticos baseados em diamantes”, diz Benson, referindo-se ao análogo quântico dos portões lógicos que formam os circuitos integrados em chips de computadores comuns.
Em computação quântica, as informações são armazenadas nos estados quânticos de transportadores como fótons ou defeitos em diamantes. Até agora, porém, a chamada decoerência, uma degradação dos estados delicados provocada por ruídos ambientais, impediu os cientistas de armazenar mais que apenas alguns bits de informações quânticas relacionadas por vez em um cristal de diamante. A medição constante dos estados poderia protegê-los da degradação descontrolada e permitir que os pesquisadores aumentem a quantidade de informações armazenadas, explica Benson.
Ronald Walsworth, um físico nuclear da Harvard University em Cambridge, Massachusetts, cuja equipe propôs teoricamente em 2010 que o efeito Zeno quântico operava em diamantes, afirma que as evidências estão aumentando. Entretanto, acrescenta que provavelmente terá de ficar mais claro que o rompimento das oscilações se deve ao processo quântico e não a outros efeitos antes que ele possa ser utilizado na computação quântica.
O físico quântico Ronald Hanson, que trabalha com centros de vacância de nitrogênio na Universidade de Tecnologia em Delft, na Holanda, diz que o experimento de Benson, juntamente com um artigo de abril mostrando que os spins em centros de vacância de nitrogênio localizados a três metros de distância podem ser ligados, indica que o diamante está ganhando terreno como um material conveniente para a computação quântica. “Em alguns anos dominaremos as armadilhas de íons”, diz ele.

Um artigo foi aceito para publicação pela revista Physical Review A.

Fonte: Nature

Vórtices magnéticos armazenam informações

Físicos conseguiram amarrar e desamarrar vórtices magnéticos microscópicos que podem resultar em uma memória de computador mais eficiente.

© U. hamburgo (vórtices torcidos na magnetização de um metal)

Esses vórtices torcidos (redemoinhos), conhecidos como skyrmions, são agrupamentos de átomos em que cada átomo age como uma barra magnética devido a uma propriedade quântica de seus elétrons, chamados spins. Um campo magnético externo normalmente tenderia a alinhar todos os átomos de uma barra magnética na mesma direção; mas no caso de um skyrmion a magnetização desses átomos está disposta em forma de um vórtice torcido.
Um skyrmion resiste a ser “desenrolado”, ou desfeito, porque, embora perturbações magnéticas possam alterar a disposição dos spins atômicos, elas não desfazem a torção.
Essa propriedade, chamada de estabilidade topológica, é compartilhada por objetos geométricos, como a fita de Möbius, uma forma que pode ser obtida juntando-se as duas extremidades de uma fita com uma meia torção no meio. Essa meia torção é “estável”, porque pode ser movida para lá e para cá, mas não pode ser desfeita, exceto se a fita for cortada, desenrolada e colada novamente.
A estabilidade topológica é atraente para os cientistas que procuram aprimorar os meios para transportar informações, diz Kristen von Bergmann, uma física da Universidade de Hamburgo, na Alemanha.
Os meios de armazenamento magnético convencionais, como a superfície de um disco rígido, contêm informações em forma de bits digitais, valores assinalados por “0” ou “1” que são representados pela magnetização dos átomos, por exemplo, com seu polo magnético Norte apontando para cima ou para baixo.
Mas quando eles são muito densamente carregados ou superaquecidos, essas magnetizações se tornam facilmente instáveis e ficam embaralhadas.
Um skyrmion oferece a possibilidade de armazenar informações de forma estável para que possam ser lidas novamente como um “0” ou um “1”, dependendo de se o nó magnético existe ou não. Para que isso funcione, porém, os cientistas precisam criar ou apagar skyrmions magnéticos conforme necessário. 
Embora a existência de skyrmions já tivesse sido prevista na década de 1960 pelo físico britânico Tony Skyrme, e desde então tenha sido demonstrada em materiais magnéticos, os pesquisadores não foram capazes de criar e apagá-los à vontade em um material magnético, até agora.
Escrevendo na revista Science, von Bergmann e seus colaboradores descrevem como criaram skyrmions em um fino filme magnético de paládio e ferro em um cristal de irídio.
Eles começaram com uma amostra em que todos os átomos dos ímãs em barra estavam alinhados.
Em seguida, a equipe usou a ponta de um microscópio de varredura por tunelamento (STM, na sigla em inglês) para aplicar uma pequena corrente de elétrons que tinham seus spins alinhados, ou polarizados, de um modo particular.
A corrente polarizada interagiu com os átomos dos ímãs em barra para torcê-los em configurações de skyrmions semelhantes a nós; cada um de apenas alguns nanômetros, ou cerca de 300 átomos de diâmetro, explica von Bergmann. Os cientistas também conseguiram usar a corrente polarizada para eliminar o nó, apagando o skyrmion.
Teoricamente, um dispositivo skyrmiônico poderia armazenar 20 vezes mais dados por unidade de superfície que os atuais discos rígidos, diz von Bergmann, mas adverte que a tecnologia ainda está muito longe de aplicações práticas.
A equipe conseguiu criar e apagar um total de quatro skyrmions de cada vez, mas a técnica só funcionou em cerca de 60% das tentativas, “o que é muito pouco para a tecnologia de dados”, observa von Bergmann.
Além disso, os pesquisadores só conseguiram controlar os skyrmions a 4,2 graus Kelvin, a temperatura do hélio líquido, o que não é uma temperatura de funcionamento prático para dispositivos eletrônicos.
Ainda assim, essa foi a primeira vez que cientistas criaram e apagaram skyrmions magnéticos individuais, diz Stefan Blügel, um físico de estados sólidos do Centro de Pesquisas Jülich, na Alemanha, acrescentando: “Com esse experimento poderemos criar skyrmions onde e quando os quisermos o que significa que poderemos imprimir um 1 ou um 0 de forma controlada”.
O mecanismo exato com que a corrente de spins torce e destorce o skyrmion continua um mistério, diz von Bergmann. Decifrá-lo exigirá novos experimentos e mais modelos teóricos.

Fonte: Nature

Medindo a temperatura de células vivas

Uma ferramenta originalmente desenvolvida para computadores quânticos agora é capaz de mapear mudanças de temperatura dentro de uma célula viva.

© Nature/Georg Kucsko (célula sendo aquecida com luz laser)

A técnica explora efeitos quânticos em minúsculos cristais de diamante, ou “nanodiamantes”, para detectar alterações de alguns milésimos de grau.

Além disso, os pesquisadores conseguiram aquecer partes selecionadas da célula com um laser. “Agora temos uma ferramenta para monitorar a temperatura a um nível celular e podemos estudar como os sistemas biológicos reagem a mudanças de temperatura”, afirma Peter Maurer, físico da Harvard University em Cambridge, Massachusetts, e membro da equipe que publicou a notícia no site da revista Nature.

O diamante revelou ser um material útil para lidar com informações quânticas. Na computação clássica, os dados são armazenados em dígitos binários, ou “bits”, que podem ser um 0 ou 1. Um bit quântico, ou “qubit”, por outro lado, pode assumir esses dois valores, além de um número infinito de intermediários.

O diamante armazena os qubits em sua estrutura de cristais de carbono como se fossem elétrons de impurezas. Tipicamente, as impurezas compreendem um átomo de nitrogênio que substituiu um dos átomos de carbono e uma lacuna, ou “vaga”, de um único átomo ao lado do nitrogênio.

Os pesquisadores manipularam com sucesso esses “ocos” de nitrogênio, o que foi um passo para usá-los para realizar cálculos quânticos.

Como os elétrons do nitrogênio são extremamente sensíveis a campos magnéticos, os cristais de diamante também se mostraram promissores para o imageamento por ressonância magnética.

E como as sondas magnéticas são muito sensíveis a pequenas variações de temperatura, os pesquisadores começaram a transformar essa potencial deficiência em vantagem, utilizando as sondas como termômetros de precisão. Agora, Maurer e seus colegas colocaram a ferramenta a serviço da biologia.

Em sua mais recente técnica, os pesquisadores usaram um nanofio para injetar cristais de diamante em uma célula embrionária humana. Em seguida, iluminaram a célula com uma luz laser verde, fazendo com que as impurezas de nitrogênio fluorescessem em vermelho.

As variações nas temperaturas locais no interior da célula afetam a intensidade da luz vermelha emitida pelos centros de nitrogênio e vazios. Os pesquisadores conseguiram medir essa intensidade e usá-la para calcular a temperatura do nanodiamante correspondente. Como o diamante é um bom condutor de calor, o nanocristal provavelmente tem a mesma temperatura que seu ambiente celular imediato.

Os pesquisadores também injetaram na célula nanopartículas de ouro e, em seguida, concentraram um laser nelas para aquecer partes diferentes da célula. Graças aos seus minúsculos termômetros de diamante, eles foram capazes de verificar com precisão onde e quanto a temperatura subia.

Um termômetro de diamante poderia ser uma ferramenta útil para a biologia básica, diz Maurer, observando que diversos processos biológicos, que vão da expressão de genes ao metabolismo celular, são fortemente afetados pela temperatura.

Os biólogos puderam estudar o desenvolvimento de organismos simples, como o nematoda Caenorhabditis elegans, por exemplo, ao controlarem a temperatura local. “Você poderia aquecer células individuais e estudar se as células vizinhas retardam ou aceleram sua taxa de reprodução”, diz Maurer.

Fonte: Scientific American Brasil

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

Radiação do corpo negro atrativa

Os corpos negros são objetos não refletores perfeitos, que produzem radiação constante quando estão a uma temperatura uniforme.

© APS (interação entre um átomo e um corpo negro)

Assim, as propriedades de um corpo negro depende da temperatura em que este se encontra, sendo a energia da radiação de corpo negro proporcional à quarta potência da temperatura, e agora esta radiação teria um efeito repulsivo. Por intermédio de num novo artigo, foi demonstrado teoricamente que a radiação de um corpo negro induz uma segunda força nos átomos e moléculas que estão na sua vizinhança que é atrativa e mais forte do que a repulsiva, a pressão da radiação. Consequentemente, os átomos e moléculas são puxados para a superfície do corpo negro por uma uma força que poderá ser superior à da gravidade. A nova força atrativa, apelidada de “força do corpo negro”, sugere que uma variedade de cenários astrofísicos sejam revisitados.

Os cientistas verificaram aspectos interessantes na sua formulação. Primeiro, essa força decai com a terceira potência da distância ao corpo negro (F ∝ 1/r³). Segundo, a força é mais forte para objetos pequenos. Terceiro, a força é mais forte para os objetos mais quentes, até certo ponto. Acima de alguns milhares de graus Kelvin, a força de atração muda para repulsão.

Neste estudo, foi demonstrado que a força do corpo negro num grão de poeira, a uma temperatura de 100 K, é muito mais forte do que a atração gravitacional sobre este grão. No entanto, para uma estrela massiva, a uma temperatura de 6.000 K, a força do corpo negro é muito mais fraca do que a força gravitacional.

Os resultados também poderiam ter aplicações experimentais, como os efeitos de superfícies quentes microestruturadas em câmaras de vácuo. No entanto, a força do corpo negro atraente vai ser difícil de medir porque será muito débil em condições de laboratório normais.

O estudo foi publicado na revista Physical Review Letters.

Fonte: Phys.Org

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

Nanografeno: a nova forma de caborno

Químicos da Boston College (EUA) e da Universidade de Nagoya (Japão) sintetizaram o uma nova forma de carbono.

© Nature Chemistry (nanografeno)

O novo material (C₈₀H₃₀) é composto por várias peças idênticas de grafeno grosseiramente deformado, cada um contendo exatamente 80 átomos de carbono unidos entre si numa rede de 26 anéis, com 30 átomos de hidrogênio na borda. Como medem pouco mais de um nanômetro de diâmetro, estas moléculas individuais são chamadas genericamente de "nanocarbonos", ou mais especificamente, neste caso, como "nanografenos grosseiramente deformados".

Até recentemente, os cientistas tinham identificado apenas duas formas de carbono puro: diamante e grafite. Em 1985, os químicos ficaram surpresos com a descoberta de que os átomos de carbono também pode se juntam para formar bolas ocas, conhecidas como fulerenos. Desde então, os cientistas desenvolveram tubos longos e extremamente finos de átomos de carbono, conhecidos como os nanotubos de carbono, e grandes folhas soltas planas de átomos de carbono, conhecidos como grafeno. A descoberta dos fulerenos foi agraciada com o Prêmio Nobel de Química em 1996, e a sintetização do grafeno foi agraciada com o Prêmio Nobel de Física em 2010.

O aspecto contorcido dessas moléculas altera as propriedades físicas, ópticas e eletrônicas do nanocarbono, o que o define como um novo material. Por exemplo, as moléculas de nanografeno são mais solúveis do que o grafeno.

"E os dois diferem significativamente na cor também. Medições eletroquímicas revelaram que os nanografenos planares e contorcidos são igualmente oxidáveis, mas o nanografeno contorcido é muito mais difícil de reduzir," disse o Dr. Lawrence Scott, membro da equipe que descobriu a nova forma de carbono.

Este novo material tem tudo para ampliar ainda mais as potencialidades do grafeno, pois as propriedades eletrônicas e ópticas das folhas planas de carbono podem ser modificadas de maneira previsível através da síntese química.

Se for possível controlar o grau de distorção das folhas de grafeno variando o número de anéis na molécula, isso permitirá o desenvolvimento de segmentos de grafeno com propriedades precisamente controladas, o que seria muito útil para a fabricação de componentes optoeletrônicos.

Fonte: Nature Chemistry

Objetos levitam entre ondas sonoras

Gotículas de água, grânulos de café, fragmentos de poliestireno e até mesmo um palito de dentes está entre os itens que andaram voando por aí em um laboratório suíço recentemente, todos eles mantidos no ar por ondas sonoras.

© D. Poulikakos (gota é levitada entre superfícies emissoras de som)

O dispositivo que realiza essa levitação acústica é o primeiro capaz de manipular vários objetos simultaneamente. Ele foi descrito esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences.
Normalmente, as técnicas de levitação utilizam o eletromagnetismo; forças magnéticas já foram usadas até para levitar sapos. Há muito tempo se sabe que ondas sonoras também anulam a gravidade, mas até agora o método não tem aplicação prática porque ele não consegue fazer mais que manter um objeto parado.
Para também mover e manipular objetos em levitação, Dimos Poulikakos, engenheiro mecânico do Instituto Federal Suíço de Tecnologia (ETH) em Zurique, e seus colegas, construíram plataformas que fazem som usando cristais piezoelétricos, que encolhem ou esticam dependendo da voltagem aplicada a eles. Cada plataforma é do tamanho de uma unha de dedo mínimo.
As plataformas emitem ondas de som que se movem para cima até atingirem uma superfície suspensa, e de lá são refletidas de volta. Quando as ondas refletidas para baixo se sobrepõem às ondas sonoras que estão subindo, as duas ‘se cancelam’ no meio, nos chamados pontos nodais. Objetos posicionados neles permanecem parados no lugar devido à pressão de ondas sonoras vindas de ambas as direções.
Ao ajustar a posição dos nodos, os pesquisadores podem arrastar objetos entre plataformas. As plataformas podem ser organizadas de maneiras diferentes para se adaptarem a vários experimentos. Em uma demonstração envolvendo um arranjo de plataformas em forma de T, os pesquisadores juntaram duas gotículas introduzidas em locais separadas e depois depositaram a gotícula combinada em um terceiro local.
O sistema também poderia ser usado para combinar reagentes químicos sem a contaminação que pode resultar do contato com a superfície de um recipiente. Ondas sonoras já são usadas na indústria farmacêutica para obter resultados precisos durante exames de drogas. Mas o método de Poulikakos é o primeiro a oferecer a possibilidade de controlar vários items simultaneamente com precisão.
Poulikakos sugere que o sistema poderia ser usado para testar reações químicas perigosas. “Nós nos divertimos demonstrando a ideia ao colidir um torrão de sódio com água, o que é obviamente uma reação agressiva”, conta ele.
Peter Christianen, físico que trabalha com levitação eletromagnética na Universidade Radboud em Nijmegen, na Holanda, declara estar impressionado com a invenção. “Eu gostei muito disso; essa é uma plataforma muito versátil, você consegue manipular quase qualquer coisa nela”.

Fonte: Nature

Força de Van der Walls é medida diretamente

Cientistas na França são os primeiros a fazer uma medição direta da força de Van der Waals entre dois átomos.

© Bjørn Christian Tørrissen (pata de lagartixa apoiada num vidro)

Eles fizeram isso, aprisionando dois átomos de Rydberg com um laser e, em seguida, mediram a força em função da distância que os separa. Os dois átomos estavam em um estado quântico coerente e os pesquisadores acreditam que seu sistema poderia ser usado para criar portas lógicas quânticas ou realizar simulações quânticas de sistemas da matéria condensada.
A força de Van der Waals entre átomos, moléculas e superfícies faz parte da vida cotidiana de muitas maneiras diferentes. Aranhas e lagartixas a utilizam para subir paredes lisas, por exemplo, e também  dentro de nossos corpos elas ocorrem na duplicação das proteínas.
Nomeada em homenagem ao cientista holandês Johannes Diderik van der Waals, quem primeiro propôs em 1873 para explicar o comportamento dos gases, é uma força muito fraca, que só se torna relevante quando moléculas e átomos  estão muito próximos uns dos outros. Flutuações na nuvem eletrônica de um átomo significa que ele vai ter um momento de dipolo instantâneo. Isto pode induzir um momento de dipolo em um átomo disponível, sendo o resultado de uma interação atrativa dipolo-dipolo.
Houve muitas medidas indiretas das forças de Van der Waals entre os átomos. Exemplos incluem a análise das forças líquidas em corpos macroscópicos ou na espectroscopia para verificar o comportamento de longo alcance da força entre dois átomos em uma molécula diatômica. No entanto, a medição direta iludiu os cientistas até agora.
Esta última pesquisa foi feita por pesquisadores do Laboratoire Charles Fabry (LCF) e da Universidade de Lille. "O que temos feito aqui, pela primeira vez ao nosso conhecimento, é medir diretamente a interação de Van der Waals entre dois átomos individuais que estão localizados a uma distância controlada", diz Thierry Lahaye, que faz parte da a equipe LCF.
Controlando a distância entre os átomos normais, enquanto se mede a força entre elas, é extremamente difícil, porque as distâncias relevantes são pequenas. Para contornar este problema, a equipe usou átomos de Rydberg, que são muito maiores do que os átomos normais. Esses átomos têm um elétron em um estado excitado. Isto significa que eles têm um grande momento de dipolo instantâneo, e, portanto, deve ter muitas interações fortes de Van der Waals em distâncias relativamente longas. Eles também têm propriedades únicas que lhes permitem ser controlado com uma grande precisão no laboratório.
A experiência começa com dois átomos de rubídio presas em dois feixes de laser focado estreitamente separadas por alguns micrômetros. A luz laser no comprimento de onda específico é então aplicada nos átomos, que leva o sistema a oscilar entre o estado fundamental e um ou dois átomos de Rydberg. A equipe descobriu que, quando as condições eram perfeitas, o sistema oscila entre o estado fundamental e um par de átomos de Rydberg, um em cada foco do laser. Ao medir essas oscilações, a equipe analisou o vigor da força de Van der Waals entre os dois átomos de Rydberg.
Ao ajustar a precisão do feixe de laser, a equipe conseguiu mover os átomos de Rydberg mais próximos ou mais distantes. Ao mudar a distância R entre os átomos, a força variou 1/R⁶, exatamente como esperado pela força de Van der Waals.
Além da medição da força, a equipe também foi capaz de mostrar que a evolução quântica do estado dos dois átomos de Rydberg interagindo foi totalmente coerente, algo que "nunca foi visto na física atômica", afirma Antoine Browaeys, membro do grupo LCF.
Assim como a lógica quântica
Esta evolução coerente de dois átomos interagindo é idêntica à de um porta lógica quântica em funcionamento em dois bits quânticos (qubits).
Com efeito, o significado a longo prazo desta experiência não é a medida da força em si, mas sim ao elevado grau de controle dos átomos de Rydberg que tenham alcançado. "Isso nos permitirá projetar pequenos sistemas quânticos de tamanho crescente, de dois a algumas dezenas de átomos de Rydberg, sobre os quais temos controle total das interações", explica Lahaye.
Tais sistemas podem encontrar uso no processamento de informação quântica ou na simulação quântica de sistemas da matéria condensada, como ímãs quânticos.
Steven Rolston do Joint Quantum Institute da Universidade de Maryland, que não esteve envolvido no estudo, chama o trabalho um marco importante para a criação de dispositivos de informação quântica, porque mostra que a interação de Van der Waals entre qubits atômicas se comporta como esperado.

Fonte: Physical Review Letters

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