A descoberta do pentaquark

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

© CERN (ilustração de uma partícula pentaquark)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Um artigo foi divulgado na revista especializada Physical Review Letters.

Fonte: CERN

Sinal galáctico na busca da matéria escura

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

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

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

Fonte: Nature

Descoberto monopolo no campo quântico

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

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

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

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

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

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

Fonte: Science

Polarons viajando em material fotoativo

Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT) têm revelado um importante passo na conversão de luz em energia armazenável.

© Patrick Rinke/Aalto University (migração de polarons em ZnO)

Cientistas do Instituto Fritz Haber, em Berlim (Alemanha) e da Universidade Aalto em Helsinque (Finlândia) estudaram a formação dos chamados polarons em óxido de zinco (ZnO).

As pseudopartículas viajam através do material fotoativo até que elas são convertidas em energia elétrica ou química numa interface.

Processos de conversão da luz em energia armazenável podem contribuir de forma decisiva para um fornecimento de energia sustentável. Há bilhões de anos, a natureza vem utilizando esses processos para a fotossíntese para formar carbohidratos com a ajuda da luz. Na pesquisa, a fotocatálise que utilza a luz para acelerar processos químicos está ganhando importância. Nos últimos anos, os pesquisadores também realizaram progressos consideráveis ​​em células fotovoltaicas convertem a luz solar incidente diretamente em energia elétrica, com eficiência constantemente melhorada.
No entanto, os processos de energia fotovoltaica subjacentes dificilmente têm sido estudadas em detalhe até aqui. "A conversão de fótons, ou seja, partículas de luz, em energia elétrica tem várias etapas," explica o professor Christof Wöll, chefe do Instituto de Interfaces Funcionais (IFG) do KIT. Primeiro, a luz é absorvida num material fotoativo, onde elétrons individuais são removidos de suas posições na rede atômica e deixando lacunas. Os pares elétron-lacuna são estáveis ​​apenas durante um curto prazo de tempo. Em seguida, eles decaiem sob a emissão de luz ou são separados se movendo no material de forma independente um do outro. O destino desta partícula carregada então depende do material.
Na maioria dos materiais, as lacunas livres não são estáveis, convertendo-se em um polaron, o que pode envolver perda de energia. Um polaron é uma pseudopartícula descrita é composta por uma carga positiva e a sua interação com o seu ambiente. Pesquisadores do KIT sob a direção do Professor Christof Wöll já realizadas experiências usando material de óxido de zinco fotoactivo, a fim de estudar a formação ea migração de polarons. Os pesquisadores do KIT empregaram uma configuração experimental única a nível mundial para a espectroscopia de absorção de reflexão de infravermelha (IRRAS) com uma resolução temporal de 100 milissegundos e o infravermelho medido em monocristais de óxido de zinco, onde observaram bandas de absorção intensivos, ou seja, impressões digitais, de uma pseudopartícula até agora desconhecida. A interpretação dos dados e identificação desta nova pseudopartícula foram grandes desafios para os pesquisadores. Em cooperação com um grupo de trabalho no Instituto Fritz Haber e do Centro de Excelência para Nanociência Computacional (COMP), da Universidade de Aalto, no entanto, eles conseguiram de forma inequívoca atribuição das bandas de absorção denominadas de lacunas de  polarons. "Esta é uma importante descoberta feita em 2015, o Ano Internacional da Luz e tecnologias baseadas na Luz", diz o professor Wöll.

Esta descoberta relevante para a energia fotovoltaica foi publicada na revista Nature Communications.

Fonte: Karlsruhe Institute of Technology