Medido rastro de “chuveiro atmosférico”

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

© ASPERA (raios cósmicos ultraenergéticos)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Fonte: IFSC/USP

Elemento 117 e estabilidade de átomos

Físicos criaram um dos elementos mais pesados já vistos: um átomo com 117 prótons em seu núcleo.

© LLNL (ununséptio)

Esse gigante fica nos limites da tabela periódica, onde núcleos inflados tendem a se tornar cada vez menos estáveis. Mas a existência do elemento 117 dá esperança a cientistas: eles podem estar se aproximando da lendária “ilha de estabilidade” onde núcleos com os chamados ‘números mágicos’ de prótons e nêutrons passam a ter vida longa.
Elementos mais pesados que o urânio (que tem 92 prótons) não são comumente encontrados na natureza, mas podem ser criados em laboratórios. Um problema surge devido à configuração dos prótons, pois quanto maior um núcleo atômico se torna, mais seus prótons repelem uns aos outros com suas cargas positivas. Isso, em geral, os torna menos estáveis, ou mais radioativos. O elemento 117, por exemplo, tem uma meia-vida de 50 milésimos de segundo, o que significa que dentro desse tempo, metade dele decairá em um elemento mais leve.
Uma equipe de russos e americanos criou o elemento 117 pela primeira vez em 2010, no Instituto Conjunto de Pesquisa Nuclear em Dubna, na Rússia. O elemento ainda não é considerado oficial, e precisa ser formalmente aceito e adicionado à tabela periódica pela União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC). O livermório (elemento 116) é até agora o mais superpesado a ter sido confirmado.

A nova aparição do 117, em experimentos do Centro GSI Helmholtz de Pesquisa com Íons Pesados em Darmstadt, na Alemanha, deve ajudar o elemento a receber reconhecimento oficial. “Em contraste com a primeira descoberta, nós somos uma equipe diferente, em um local diferente, usando um dispositivo diferente”, observa Christoph Düllmann, que conduziu a colaboração do GSI. “Eu acho que isso vai mudar a visão que a comunidade científica tem sobre elemento 117. Ele deve passar de um elemento que se alegava ter sido observado, para um elemento confirmado”.
Para criar o 117, que tem o nome temporário de ‘ununséptio’, os pesquisadores fizeram núcleos de cálcio (com 20 prótons cada um) se chocarem contra núcleos de berquélio (97 prótons).
O experimento demorou a ser realizado, em parte, porque é difícil conseguir berquélio. “Nós tivemos que fazer uma parceria com o único local do planeta onde o berquélio pode ser produzido e isolado em quantidade significativa”, explica Düllmann. Esse local é o Laboratório Nacional Oak Ridge, no Tennessee, que tem um reator nuclear capaz de criar esse raro elemento com uma meia-vida de 330 dias.
A instalação precisou de aproximadamente dois anos para estocar a quantidade de berquélio necessária para o experimento; quando cerca de 13 miligramas foram acumulados, cientistas de Oak Ridge enviaram o elemento para a Alemanha, para começar a próxima fase do projeto.
No GSI, pesquisadores aceleraram íons de cálcio a 10% da velocidade da luz, e fizeram com que colidissem com o berquélio. Quando um núcleo de cálcio colidia diretamente com um de berquélio, ocasionalmente os dois se fundiam, dando origem a um novo elemento com um total de 117 prótons. “Nós produzimos cerca de um átomo por semana”, conta Düllmann.
O elemento 117 não foi observado diretamente. O que os cientistas fizeram foi procurar seus subprodutos após ele ter decaído radioativamente emitindo partículas alfa – núcleos de hélio com dois prótons e dois nêutrons. “Os núcleos pesados realizam o decaimento alfa para produzir o elemento 115, e ele também decai por meio de partículas alfa”, explica Jadambaa Khuyagbaatar do GSI.

Após alguns passos nessa cadeia de decaimento, um dos núcleos produzidos é o isótopo laurêncio-266, um núcleo com 103 prótons e 163 nêutrons que nunca fora visto antes. Isótopos anteriormente conhecidos de laurêncio têm menos nêutrons, e são menos estáveis. Essa nova espécie, porém, têm uma meia-vida incrivelmente longa de 11 horas, o que o torna um dos isótopos superpesados mais longevos conhecidos. “Talvez nós estejamos na praia da ilha de estabilidade”, brinca Düllmann.
Ninguém sabe com certeza onde fica essa ilha, ou sequer se ela existe. A teoria sugere que os próximos números mágicos além dos conhecidos ficam por volta de 108, 110 ou 114 prótons, e 184 nêutrons. Essas configurações, de acordo com cálculos, poderiam levar a propriedades especiais que permitem que átomos sobrevivem muito mais tempo que espécies semelhantes. “Todos os dados existentes para os elementos 116, 117 e 118 confirmam que o tempo de vida aumenta conforme nos aproximamos de 184 nêutrons”, declara o teórico Witold Nazarewicz de Oak Ridge, que não se envolveu no estudo.

Núcleos mágicos superpesados podem acabar tendo formas interessantes que conferem estabilidade, como a chamada “configuração bolha” com um buraco no meio. “Esses núcleos ainda não foram descobertos, mas a região que está sendo explorada no momento realmente fica na fronteira do território das bolhas”, aponta Nazarewicz.
Se uma ilha de estabilidade realmente existir, não há limite para a duração de seus núcleos. Eles podem acabar sendo estáveis o bastante para serem encontrados na natureza, mesmo que em quantidades tão pequenas que ainda não os encontramos. Vários pesquisadores estão procurando evidências dessas espécies superpesadas já existentes, que talvez tenham se formado por meio de poderosos eventos cósmicos como a fusão de duas estrelas de nêutrons. Ainda que nenhum deles tenha sido encontrado até agora, cientistas têm esperanças de que evidências da ilha de estabilidade estejam logo adiante, existindo ou não.

Um artigo relatando os resultados foi publicado em 1º de maio no Physical Review Letters.

Fonte: Scientific American e New Scientist

Mais uma partícula exótica atinge IceCube

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

© NSF/C. Pobes (IceCube)

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

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

Fonte: Scientific American

Discrepância cósmica e existência de neutrinos

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

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

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

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

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

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

Fonte: Scientific American

Novo dispositivo solar para gerar eletricidade

Paineis solares estão se tornando cada vez mais comuns. Esses dispositivos são criados com células fotovoltaicas, que absorvem os fótons da luz solar e energizam elétrons no material da célula, criando eletricidade.

© MIT (dispositivo solar termofotovoltaico)

Imagem do dispositivo em funcionamento. A brilhante faixa laranja é o cristal fotônico, aquecido pela luz solar concentrada e emitindo fótons para a célula fotovoltaica abaixo.

Atualmente, porém, a eficiência máxima de células fotovoltaicas comerciais é de aproximadamente 20%. Essa baixa eficiência vem do fato de que apenas fótons com uma certa quantidade de energia, ou seja, apenas parte do espectro solar, conseguem transferir energia suficiente para os elétrons formarem uma corrente; na prática, os outros fótons são desperdiçados.
A luz solar pode ser convertida em energia térmica, que por sua vez também pode ser usada para gerar eletricidade. A vantagem é que nenhuma parte do espectro é desperdiçada; todas podem ser convertidas em calor. Mas gerar eletricidade a partir de energia térmica solar normalmente requer um sistema de grande escala, com um arranjo de espelhos que refletem e concentram a luz do Sol em tanques ou canos cheios de água ou outros líquidos. O fluido aquecido normalmente é usado para produzir vapor, que gira uma turbina, gerando eletricidade. Ainda que a eficiência desses sistemas seja maior que a de células fotovoltaicas, cerca de 30% em alguns casos, eles não podem ser reduzidos para serem instalados no seu telhado.  
Para superar os vários obstáculos de sistemas solares térmicos e fotovoltaicos, uma equipe de pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) criou um novo dispositivo que combina os elementos dos dois. Essa invenção é conhecida como “dispositivo solar termofotovoltaico”.
Ainda que outros pesquisadores tenham desenvolvido dispositivos desse tipo no passado, a nova criação é a mais eficiente até o momento, de acordo com Evelyn Wang, professora associada de engenharia mecânica do MIT. Mas apesar do avanço, o dispositivo só atinge uma eficiência de 3%.

Mesmo assim, a conquista é notável. Há dois anos, Alejandro Datas, pesquisador da Instituto de Energia Solar da Universidade Politécnica de Madrid, que não se envolveu no estudo, construiu um dispositivo termofotovoltaico que alcançou 1% de eficiência. Ele aponta que triplicar essa eficiência em tão pouco tempo é algo significativo.
Para construir seu dispositivo, os cientistas do MIT usaram nanotubos de carbono, que absorvem luz solar com extrema eficiência; eles se aproximaram do teórico “corpo negro”, que absorve 100% da luz que os atinge.

Os cientistas usaram luz solar concentrada no absorvedor de carbono, elevando sua temperatura a aproximadamente mil graus Celsius. O absorvedor fica anexado a um cristal fotônico, composto de um conjunto de camadas de silício e dióxido de silício, que começa a brilhar em temperaturas tão altas. O cristal brilhante emite fótons, que viajam até a célula fotovoltaica subjacente. Mas ao contrário da luz solar comum, a maior parte dos fótons emitidos pelo cristal tem energia suficiente para fazer com que os elétrons gerem uma corrente elétrica. Ao converter a luz solar em calor, e depois reconvertê-la em luz, o dispositivo ajusta a energia dos fótons absorvidos pela célula fotovoltaica, maximizando seu potencial para gerar eletricidade.
Como os nanotubos de carbono absorvem a luz solar com tanta eficiência, eles não desperdiçam nenhuma parte do espectro, convertendo quase todo ele em energia térmica.
Wang explica que como a luz do Sol também é transformada em calor, essa energia pode ser armazenada com mais facilidade que a eletricidade direta produzida por células fotovoltaicas. A energia pode ser armazenada usando meios térmicos ou químicos, isso pode ser feito com a utilização de compostos químicos como sal derretido que se liquefaz quando aquecido, e em seguida libera o calor absorvido quando volta a se solidificar.
Andrej Lenert, alundo de doutorado do MIT, aponta que “a qualquer momento em que se passa por esse processo de conversão térmica, abre-se a possibilidade de armazenar essa energia na forma de calor”. Essa capacidade permite que a energia solar armazenada na forma de calor seja convertida em eletricidade no futuro, seja à noite ou quando o Sol estiver coberto. Armazenar a eletricidade de células fotovoltaicas convencionais exige baterias, que não são práticas na escala de telhados, e que têm alto custo em escalas maiores.
Além do aumento na eficiência, Lenert acredita que o trabalho de sua equipe servirá como referência para avanços futuros na área da termofotovoltaica solar. “Acredito que os procedimentos experimentais e as metodologias que estabelecemos beneficiarão o avanço da comunidade”, declara ele.
Esse grande avanço, é claro, será superar a marca de 20% de eficiência estabelecida por células fotovoltaicas.
Wang acredita que a equipe está no caminho certo. Parte do problema, de acordo com ela, é a escala. O dispositivo que eles construíram tem o tamanho de uma unha; como a área é pequena em relação ao comprimento das extremidades, perde-se mais calor por meio da inevitável dissipação. O aumento do tamanho resultará em um aumento exponencial da área em relação ao comprimento, reduzindo a perda de calor. “Se pudermos aumentar a escala, conseguiremos superar a eficiência de 20%”, conclui ela.

Fonte: Nature Nanotechnology

Experimento NOvA vê os primeiros neutrinos

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Fonte: Fermi National Accelerator Laboratory

Avanço nas pesquisas sobre fusão nuclear

Cientistas anunciaram esta semana um importante avanço na longa busca do desenvolvimento da fusão nuclear, o que para alguns representa o sonho de uma fonte de energia limpa e ilimitada.

© LLN (cápsula que contém combustível para a fusão nuclear)

Presente no Sol e em muitas outras estrelas, a fusão implica na liberação de energia por meio da união de núcleos atômicos, diferentemente da provocada pela fissão nuclear, princípio físico da bomba atômica e da energia nuclear usada atualmente nas usinas, que envolve a quebra do núcleo dos átomos.

Décadas de trabalho sobre a fusão tentaram superar um obstáculo gigantesco: a enorme quantidade de energia necessária para desencadear o processo. No entanto, experiências de laboratório, descritas atualmente por um grupo de cientistas nos Estados Unidos, permitiram fazer grandes avanços na superação desses obstáculos.

Os cientistas americanos afirmaram ter sido os primeiros a obter mais energia de uma reação de fusão do que a absorvida pelo combustível usado para provocá-la.

Eles fixaram 192 feixes de laser na direção de um ponto mais estreito do que a largura de um cabelo humano para gerar energia suficiente para comprimir uma minúscula cápsula de combustível a um tamanho 35 vezes menor que o original.

Com duração de menos de um bilionésimo de segundo, a reação liberou energia equivalente à armazenada em duas baterias AA (17 mil Joules) na última experiência realizada em novembro de 2013.

Apesar de modesta, a liberação de energia foi maior do que a energia absorvida pelo combustível, estimada entre 9 mil e 12 mil Joules.

"Isto é o mais próximo que se chegou" do sonho de gerar energia viável resultante de uma fusão, disse Omar Hurricane, chefe da equipe que realizou o estudo na estatal National Ignition Facility (NIF), da Califórnia.

A energia é dez vezes superior à alcançada anteriormente, embora haja alguns obstáculos. Não se trata de uma reação sustentada, o tão buscado momento de "ignição", e a pergunta sobre a eficiência energética, ou seja, a liberação de uma energia superior à consumida para lançar o processo, permanece sem resposta.

Neste caso, os feixes de laser liberaram 1,9 milhão de Joules de energia, o equivalente a uma pequena bateria de carro, dos quais só entre 9 mil e 12 mil Joules foram absorvidos pelo combustível.

"Só algo da ordem de 1% da energia que usamos com o laser termina no combustível, ou até menos", disse a co-autora do estudo, Debbie Callahan. "Há muito espaço para continuarmos avançando", prosseguiu.

O método precisa ser aperfeiçoado e o rendimento deve ser 100 vezes melhor "antes de que possamos chegar ao ponto de ignição", acrescentou Hurricane.

A ignição também requer auto-propagação, por meio da qual as primeiras partículas fundidas causam o calor e a pressão necessários para gerar outras, criando assim novas partículas e melhorando o rendimento.

Os últimos experimentos no NIF, um feito em setembro do ano passado e o outro em novembro, foram os primeiros a lançar provas de que as partículas deixam um pouco de energia atrás delas.

A fusão nuclear é o oposto da fissão, que apresenta como riscos a proliferação nuclear, assim como os rejeitos perigosos e duradouros.

Os núcleos de deutério e trítio, ambos isótopos obtidos a partir do hidrogênio, podem, ao contrário, se fundir para criar partículas mais pesadas.

Em teoria, a energia gerada através da fusão não resultaria em rejeitos perigosos nem contaminaria a atmosfera. Além disso, o combustível é encontrado com maior abundância: na água do mar, que cobre mais de dois terços do planeta.

O procedimento requer temperaturas extremas e pressões equivalentes às encontradas no nosso Sol e em outras estrelas ativas.

Para concretizar este objetivo, Hurricane e sua equipe dispararam seus raios laser contra um cilindro de ouro de dois milímetros de diâmetro, recoberto por dentro por uma camada congelada de combustível de deutério e trítio.

Os feixes de luz entraram através de buracos por um lado e se focaram como raios que impactaram a cobertura externa da cápsula e provocaram sua implosão, algo equivalente a reduzir uma bola de beisebol ao tamanho de uma ervilha.

O processo gera uma pressão 150 bilhões de vezes superior à exercida pela atmosfera terrestre e uma densidade de 2,5 a 3 vezes superior à do núcleo solar, disseram os cientistas. Segundo o cientista especializado Mark Herrmann, do Pulsed Power Sciences Center, de Albuquerque, trata-se de "um avanço significativo na pesquisa sobre a fusão".

Fonte: Nature

Monopolos magneticos sintéticos são gerados

Um análogo de uma partícula compreendendo um pólo magnético isolado tem sido observada por físicos nos EUA e Finlândia.

© Heikka Valja (ilustração de um monopolo magnético sintético)

Os monopolos magnéticos foram previstos por Paul Dirac em 1931, mas nunca foram vistos na natureza. Este último trabalho não prova a existência das partículas incomuns, mas mostra que um sistema físico descrito por uma matemática subjacente pode ser criado em laboratório. A pesquisa também pode ajudar os físicos a obter uma melhor compreensão de materiais exóticos, como supercondutores, e até mesmo criar materiais com propriedades novas e úteis.
Os pólos magnéticos são sempre visto em pares, não importa quão pequeno é o ímã. Um ímã de barra comum consiste de um pólo norte e um pólo sul; se o ímã é cortado em dois, em seguida, cada uma das metades resultantes também será bipolar. Na verdade, não importa quantas vezes o ímã é dividido, os pólos norte e sul permanecem acoplados, inclusive em átomos individuais, que agem como minúsculos ímãs. Isso se reflete nas equações de Maxwell, que dizem que cargas elétricas positivas e negativas isoladas existem, mas as cargas magnéticas isoladas não ocorrem na natureza.
Isso mudou quando a mecânica quântica foi formulada no início do século 20. Paul Dirac mostrou que para ocorrer naturalmente monopolos magnéticos exigiria carga elétrica em unidades discretas. Esta singularidade é visto na natureza, mas não é totalmente compreendida, e a busca de monopolos magnéticos é um campo ativo de pesquisa.
Até agora, os físicos têm tentado criar monopolos dentro de aceleradores de partículas, mas a massa do monopolo é geralmente considerada muito alta para permitir uma observação, mesmo a do Large Hadron Collider (LHC) do CERN. Outra opção era procurar ambientes imaculados, como a Lua ou na gélida Antártida, para encontrar sinais dos monopolos que as teorias da grande unificação predizem deveria ter sido criado quando o Universo esfriou e sua simetria inicial foi quebrada. Aqui também, no entanto, os pesquisadores vêm-se de mãos vazias.
A abordagem de David Hall e seus colegas no Amherst College, em Massachusetts e colaboradores da Universidade de Aalto, na Finlândia é a produção de um análogo do que é conhecido como um "monopolo de Dirac", a forma da mecânica quântica generalizada de um monopolo magnético apresentada por Dirac. Antes de 1931, ninguém tinha sido capaz de combinar eletromagnetismo e mecânica quântica clássica para permitir a existência de monopolos magnéticos, mas Dirac foi capaz de fazer isso por considerar o que acontece quando um monopolo interage com um elétron. Ele descobriu que quando um monopolo passa por uma nuvem de elétrons - a distribuição no espaço de um único elétron , como descrito pela mecânica quântica - deixa um vórtice em seu rastro, é como o escoamento da água que flui pelo ralo.
O grupo de Hall que reproduziu um vórtice em um condensado de Bose-Einstein de átomos de rubídio ultra frios. O condensado é uma onda de matéria única e permanece na nuvem de elétrons de acordo com formulação de Dirac. Para reproduzir o monopolo, os pesquisadores aplicaram um campo magnético no condensado para orientar os átomos constituintes de tal maneira que foi criado um campo magnético "sintético"no interior do condensado. Existe uma correspondência entre esse domínio sintético e o campo que seria produzido por um monopolo magnético. "Você pode obter exatamente as mesmas linhas no campo sintético e o local do monopolo onde essas linhas de campo brotam", diz Hall.
Para mostrar que eles realmente tinham produzido um monopolo de Dirac, os pesquisadores injetou um feixe de laser através do condensado. O feixe criou uma radiografia, onde a sombra projetada pelos átomos da amostra foi perfurada por uma estreita faixa de luz. Isso foi o vórtice criado por um pólo norte isolado (sendo norte ao invés de sul simplesmente por razões técnicas). Normalmente um vórtice criado dentro de um condensado de Bose-Einstein vai de um lado do condensado para outro.

Peter Holdsworth, um físico da matéria condensada na Ecole Normale Supérieure de Lyon, elogia o trabalho como "uma aplicação requintada da nanotecnologia, átomos frios, computação de alta potência e teoria inteligente". Ele ressalta que a equipe não provou a existência de monopolos magnéticos, mas forneceu a confirmação experimental da matemática de Dirac. "É um resultado importante e poderia levar a muitos outros resultados análogo ", diz ele.

Isso vai ajudar os físicos de partículas encontrar monopolos reais? Provavelmente não, mas deverá incentivá-los a continuar a procurando.
Hall reconhece os limites do trabalho de seu grupo. "Nossos monopolos não seria registrado por uma bússola. Nós não temos sido capazes de reproduzir as propriedades como a massa da partícula em nosso experimento, mas criamos um análogo da parte magnética. Isso pode fornecer algumas dicas sobre monopolos naturais", diz ele.

Ele argumenta que seu grupo chegou mais perto de imitar supostos monopolos magnéticos naturais do que outros três grupos que relataram resultados em materiais conhecidos como spin gelados em 2009. Em trabalho anterior, as coleções em forma de tetraedros de íons que compõem spin gelados foram observados sob certas condições para a aquisição de giro líquido, de modo que se assemelha tanto ao norte isolado ou pólo sul. Hall descreve estas experiências interessantes, mas sustenta que a conexão com monopolos de Dirac era bastante fraca e o fenômeno em questão era puramente clássico, em oposição ao quântico.
Este trabalho pode ajudar os físicos a realizar simulações quânticas da matéria. Este campo de rápido crescimento tem como objetivo compreender os materiais existentes e, finalmente, criar novos, talvez até mesmo supercondutores a temperatura ambiente.

Um artigo sobre a pesquisa foi publicado na revista Nature.

Fonte: Physics World

O mistério das bolas de fogo

Relâmpagos bola tem sido um dos fenômenos naturais mais misteriosos durante séculos, em parte porque é tão raro e transitório e, portanto, difícil de investigar.

© J. Cen, P. Yuan e S. Xue (relãmpago bola)

O raio bola é o ponto branco na extremidade esquerda, e seu espectro de forma irregular é a banda colorida. Mas uma observação fortuita durante experimentos de campo na China para estudar relâmpago comum, forneceu o que parece ser a primeira medição do espectro de emissão de raios globulares. Os dados sugerem que a bola brilhante foi composta de elementos de solo, de acordo com uma teoria popular.

Relâmpagos bola normalmente aparece durante as tempestades como um brilho, que vão desde o tamanho de uma bola de golfe a vários metros de diâmetro, que flutua no ar por entre um segundo e dezenas de segundos. Há muitos relatos históricos de tais "bolas de fogo" ferindo ou até mesmo matando pessoas e provocando incêndio em edifícios, conduzindo às explicações sobrenaturais.

As teorias científicas de relâmpagos bola abundam, com diferentes graus de plausibilidade. As bolas de plasma brilhantes foram criadas artificialmente pela passagem de micro-ondas intensas através do ar ou por descargas elétricas subaquáticas. Mas tais experiências de laboratório não podem ostentar qualquer relação com a formação de raios bola no meio ambiente, que se sabe muito pouco, uma vez que não houve quase nenhum dado sólido.

Uma teoria popular é que o raio bola é causado quando um raio atinge o solo e evapora alguns dos silicatos minerais no solo. O carbono no solo retira os silicatos de oxigênio através de reações químicas, criando um gás de átomos de silício energético. Os átomos se recombinam para formar nanopartículas ou filamentos que, embora ainda flutuando no ar, reagem com o oxigênio, liberando calor e emitindo o brilho. Se é assim, deve-se esperar para ver as linhas de emissão atômica de silício e outros elementos do solo no espectro.

Isso é o que Ping Yuan e colaboradores da Northwest Normal University em Lanzhou, na China, agora relatam. Eles haviam montado espectrômetros no remoto Planalto Qinghai, no noroeste da China para investigar relâmpago comum, que é frequente nesta região. Durante uma tempestade de fim de noite em julho de 2012, eles viram um raio bola aparecer apenas depois de um raio de cerca de 900 metros do seu aparelho e foram capazes de gravar um espectro e imagens de vídeo de alta velocidade da bola .

O brilho registrado tinha cerca de 5 metros de diâmetro, o tamanho real da bola era muito menor e ele mudou de branco para o vermelho durante o tempo que durou. Embora a escuridão impediu os pesquisadores de estimar a altitude da bola, eles viram que a bola deslocou horizontalmente por cerca de 10 metros e subiu cerca de 3 metros. Yuan diz que esta é a primeira vez que um raio bola foi visto sendo criado por um relâmpago nuvem-solo.

Os pesquisadores descobriram que o espectro continha várias linhas de emissão de silício, ferro e cálcio todos os elementos que deverão ser abundante no solo. Seria de esperar também a presença de alumínio, dada a sua abundância em minerais do solo. Mas não foi confirmado, pois não há linhas de emissão de átomos de alumínio neutro dentro da faixa espectral do instrumento (comprimentos de onda de 400 a 1.000 nanômetros). A equipe também usou seus dados de vídeo para traçar a intensidade do raio bola e diâmetro aparente à medida que varia com o tempo, até a escala de tempo de milissegundos. Os pesquisadores planejam simular as condições de observação e reproduzí-la em laboratório.

Fonte: Physical Review Letters

Capturando partículas Z em colisor

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

© APS/Alan Stonebraker (partícula Z_c)

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

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

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

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

Fonte: Physical Review Letters

Turbulência ao redor de um buraco negro

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

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

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

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

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

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

Fonte: Physical Review X

Gás em degenerescência profunda

O estudo de sistemas quânticos é fascinante, onde os sistemas de partículas que têm diferentes interações microscópicas ainda têm o mesmo comportamento macroscópico.

© K. Aikawa (gás de férmions em degenerescência profunda)

O físico Kiyotaka Aikawa e colegas da Universidade de Innsbruck, na Áustria, são os primeiros a esfriar um gás de férmions idênticos que apresentam dipolo dispersão universal, neste caso 60.000 átomos de érbio-167 (¹⁶⁷Er), a uma fração da temperatura de Fermi. Este sistema de átomos frios poderia ajudar os físicos a entender melhor o comportamento de outros gases dipolares, tais como moléculas frias e, possivelmente, os sistemas de física nuclear.

A imagem mostra a esquerada férmions degenerados com T/T_f = 0,71 e a direita férmions degenerados com T/T_f = 0,47.

O princípio de exclusão de Pauli impede que dois férmions idênticos ocupem o mesmo nível de energia. Como resultado, em temperatura zero, átomos fermiônicos como o ¹⁶⁷Er ocuparão uma escada de estados quânticos até a energia de Fermi. Mas a natureza anti-simétrica da função de onda fermiônica impede que átomos idênticos com interações de curto alcance de colidir em baixas temperaturas. Sem colisões para termalização do sistema, o resfriamento evaporativo, uma técnica padrão para o arrefecimento de gases atômicos, torna-se ineficaz.

Os pesquisadores Universidade de Innsbruck contornaram este impasse usando as interações dipolo-dipolo de longo alcance de átomos ¹⁶⁷Er altamente magnéticos para resfriamento evaporativo do gás com 0,2 vezes a temperatura de Fermi. Os pesquisadores foram capazes de ver o aparecimento do estado quântico degenerado pela imagem dos momentos dos átomos, e mostrando que eles seguiram uma distribuição de Fermi-Dirac. O grupo também demonstra a natureza universal da seção transversal de espalhamento deste gás. Especificamente, foi mostrado que a taxa de espalhamento entre átomos depende apenas de um único parâmetro chamado comprimento de dipolo, que é proporcional ao produto da massa do átomo e ao quadrado do seu momento de dipolo.

Fonte: Physical Review Letters

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