Ultrapassando os limites da difração

Microscópios ópticos são amplamente utilizados em todas as áreas da ciência para ampliar a imagem de pequenos objetos.

© Tung-Yu Su/NTU (imagem de nanoestrutura)

No entanto, devido ao seu design e os limites de difração, os menores recursos que microscópios convencionais podem imagear são cerca de metade do comprimento de onda da luz que eles usam.

O físico Shi-Wei Chu, da Universidade Nacional da Tailândia, e colegas relataram uma nova técnica que supera esse limite de resolução e pode efetuar imagens de nanoestruturas, da ordem de 70 nanômetros de tamanho, inferior a um oitavo do comprimento de onda da luz visível usada em sua configuração.

O grupo montou um microscópio óptico comum com um laser e utilizou uma amostra contendo nanopartículas de ouro. O comprimento de onda do laser foi escolhido de modo que ficasse em ressonância com as partículas plasmônicas. Como consequência, a luz laser apresentou particularmente forte dispersão. Ao ajustar a intensidade do laser, os pesquisadores foram capazes de alcançar, pela primeira vez, um regime em que a luz dispersou a partir de uma partícula isolada quando foi saturada. Com técnicas de processamento de imagem apropriados, tal comportamento de saturação pode ser explorada para proporcionar imagens mais nítidas das nanoestruturas plasmônicas.

Enquanto este método apenas funciona para as nanopartículas de ouro, partículas podem ser incorporadas seletivamente de outros materiais. Embora outras técnicas recentemente demonstradas, principalmente com base em microscopia de fluorescência, permitem resolução comparável ou até melhor, este método com nanopartículas de ouro tem uma vantagem importante: as amostras podem ser fotografadas várias vezes sem danos e sem perda de intensidade de espalhamento que, nos regimes baseados em fluorescência, inevitavelmente ocorrem por causa do branqueamento das moléculas fluorescentes.

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

Experimento não detecta matéria escura

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

© Laboratório Sanford (o Grande Detector Subterrâneo de Xenônio)

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

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

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

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

Um artigo foi submetido para publicação à Physical Review Letters.

Fonte: Scientific American

Higgsogênese pode explicar matéria escura

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

© CERN (interações bósons-antibósons de Higgs)

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

Fonte: Nature

A descoberta do bóson de Higgs ganha Nobel

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

© AFP (François Englert e Peter Higgs)

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

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

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

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

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

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

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

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

Fonte: The Royal Swedish Academy of Sciences

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