O Boletim de notícias sobre pesquisas do Instituto Americano de Física, nº 879 de 19 de dezembro de 2008.

AS “DEZ MAIS” DA FÍSICA NESTE ANO

O antigo Assessor para Ciências Presidencial Vannevar Bush se referiu à ciência como uma fronteira infinita de novas descobertas. Então, quais foram as grandes descobertas na física em 2008? A lista seguinte foi escolhida por editores e escritores de ciências no Instituo Americano de Física e na Sociedade Americana de Física. Ela peneira uma série de descobertas nas seguintes dez áreas, sem qualquer ordem de precedência.

SUPERCONDUTORES

Novidade: A descoberta de uma classe pouco usual de materiais feitos de ferro e arsênio.  Os supercondutores não perdem energia quando a eletricidade passa por eles, desde que tenham sido resfriados a temperaturas muito baixas. Os supercondutores são usados em aplicações específicas, onde altas correntes elétricas são necessárias, tais como nos tomógrafos dos hospitais ou nos magnetos usados nos aceleradores de partículas. Há duas razões para que os superondutores não sejam mais largamente utilizados, como, por exemplo, a transmissão de energia elétrica: os supercondutores precisam de um monte de aparelhagens de refrigeração e é difícil de transformar o material em fios com comprimentos de quilômetros.

Os novos materiais de ferro-arsênio são os primeiros de “alta temperatura” (o que, na verdade, quer dizer algumas dezenas de graus K) que permanecem supercondutores acima dos 50 K que não contém cobre; os materiais com cobre são quebradiços. Os pesquisadores esperam que a versão ferro-arsênio possam levar a uma manufatura mais prática de fio supercondutor. Além disso, ter uma nova classe de materiais para estudar pode ajudar os teóricos a compreender como os supercondutores de “alta temperatura” funcionam, para começo de conversa.

Literatura: Um sumário do trabalho nessa área pode ser encontrado em Physics Today, edição de maio de 2008; o acompanhamento do tópico pela APS,; visão geral e um texto de artigo específico em Physical Review Letters (PRL)

GRANDE COLISOR DE HÁDRONS (LARGE HADRON COLLIDER, ou LHC)

Novidade: O LHC, o maior instrumento científico do mundo, começou a funcionar em setembro. Nesse enorme acelerador de partículas, localizado debaixo do solo perto de Genebra, Suíça, dois feixes de prótons, cada um viajando a uma velocidade sem precedentes, serão esmagados, um contra o outro. O objetivo é criar novas partículas exóticas que não podem ser observadas senão na minúscula bola de fogo criada pelas violentíssimas colisões. Essas colisões ainda não aconteceram, porém os físicos tiveram sucesso no envio de feixes de prótons em ambas as direções, em torno do anel de 27 km do LHC.  Problemas com alguns dos aparelhos forçaram um fechamento prematuro do LHC, pouco depois. O funcionamento deve recomeçar em meados de 2009.

Literatura: um sumário dos defeitos nos magnetos que paralizaram os testes em setembro e um calendário de funcionamento podem ser encontrados aqui.

PLANETAS

Novidades: Planetas orbitando estrelas distantes foram imageados diretamente e uma pletora de resultados interessantes veio de espaçonaves orbitando perto dos planetas do nosso próprio Sistema Solar. Planetas extrasolares que orbitam estrelas distantes, já tinham sido detectados de maneira indireta, por meio da observação do que acontece com a luz que vem da estrela. Porém, agora, o brilho da estrela foi suficientemente bloqueado, de maneira que se pode obter imagens do próprio planeta. Os telescópios Gemini, Keck e Hubble forneceram as imagens. Ver literatura em aqui.

Em nosso próprio Sistema Solar, em Mercúrio, a espaçonave Messenger (que será a primeira a orbitar o planeta) fez os primeiros mapas de grandes partes da superfície. Ela também estabeleceu que o campo magnético de Mercúrio é altamente simétrico. Literatura em aqui.  Em Saturno, a espaçonave Cassini descobriu geysers perto da extremidade Sul da lua Enceladus. Literatura:aqui ).

Em Marte, medições feitas por várias espaçonaves reforçaram os indícios em favor da existência de geleiras no subsolo das regiões polares. Enquanto isso, a espaçonave Venus Express obteve imagens em vários comprimentos de onda, facilitando, entre outras coisas, uma melhor compreensão das nuvens de Vênus. Imagens na faixa UV do planeta: aqui.

QUARKS

Novidades: Combinações raras de quarks foram observadas pela primeira vez. Os físicos acreditam que um átomo consiste de um ou mais elétrons que orbitam um núcleo centras. O núcleo, por sua vez, é feito de prótons e nêutrons, e estas partículas são feitas de algo ainda mais elementar: quarks, mantidos juntos por glúons.

A maior parte das partículas nucleares são compostas por dois tipos de quark: “up” e “down”. Além desses, existem quatro outros tipos de quark. Uma das descobertas foi o avistamento de uma partícula nuclear que contém o raro quark “bottom”. Na experiência D0 do Fermilab, uma partícula (uma versão com o quark “bottom”  do híperon omega) contendo dois quarks “strange” e um quark “bottom” foi detectada; literatura em Physics Today, edição de nov de 2008); resultados publicados na PRL.

O mais baixo possível estado energético de “bottomonium”, uma familia de estados entrelaçados que consiste de um quark “bottom” e um “anti-bottom”, foi observado no Detector Balbar no SLAC; literatura em Physics Today, edição de setembro de 2008; sumário e texto aqui ; press release aqui

No laboratório KEK no Japão, várias partículas parecidas com mésons que, se acredita, contenham quatro em lugar dos dois usuais) quarks, foram observadas no detector Belle; literatura em Physics Today, edição de junho de 2008).  Finalmente, houve progressos na predição das massas de partículas nucleares, utilizando simulações computadorizadas de interações entre os quarks (ver resultados na edição de 21 de novembro da Science, 21 e uma avaliação na revista Nature de 27 nov).

A COISA MAIS DISTANTE VISÍVEL

Novidade: Ver um clarão de luz vindo de 7 bilhões de anos luz além. Um dos mais brilhantes de todos os objetos celestiais são os emissores de jatos de Raios Gama, objetos esses que emitem enormes quantidades de radiação Gama, a forma mais energética de luz. O mais potente emissor de raios Gama jamais observado foi descoberto pelo satélite Swift — especialmente projetado para detectar raios Gama — e por outros telescópios também. Deduziu-se que esse jato de radiação veio de um lugar no espaço a 7 bilhões de anos luz de distância e foi brilhante o suficiente para ser observado a olho nu. Já que olhar para o espaço é o mesmo que olhar para trás no tempo, este clarão teria vindo de um instante em que o universo tinha metade de sua idade atual.

Publicado na Nature, 11 de setembro; imagem aqui

MOLÉCULAS ULTRA-RESFRIADAS

Novidade: Pela primeira vez se consegue acumular um grande número de moléculas a uma temperatura próxima do zero absoluto. Usar lasers para frear um gás de partículas até a quase imobilidade é, atualmente, um processo padrão para medir as sutis propriedades de átomos.  Steven Chu, nomeado Secretário de Energia, ganhou um prêmio Nobel pelo pioneirismo neste assunto.

Resfriar moléculas da mesma maneira é difícil, já que as moléculas, feitas de dois ou mais átomos, têm movimentos internos mais complicados. Porém, neste ano, diversos laboratórios tiveram sucesso em, primeiro, congelar os átomos e, depois, em uma temperatura próxima do zero absoluto, conseguir que eles se combinassem em moléculas.

Os laboratórios do NIST/Colorado (Science, 10 out) e da Universidade de Innsbruck (PRL, 26 set) conseguiram emparelhar átomos em moléculas e coletá-las em armadilhas em altas densidades e temperaturas muito baixas. A experiência do NIST produziu moléculas a partir de átomos de rubídio e potássio (publicado na Science). Os pesquisadores de Innsbruck colocaram os átomos de rubídio em uma grade óptica, antes de os condensarem em moléculas.

Literatura: PNU nº 875, matéria 1; figura aqui; artigo da PRL aqui

DETECTORES DE DIAMANTE

Novidade: Conseguir que pequenas imperfeições nos diamantes nos contem como os átomos se comportam como pequeninos magnetos. Os diamantes são muito queridos por conta de sua dureza e sua claridade, que os torna populares na joalheria. Mas eles também podem ser úteis na criação de um novo tipo de circuito eletrônico. Os diamantes são feitos de uma cadeia entrecruzada de átomos de carbono. Se faltar um átomo de carbono nessa rede, o buraco vazio, combinado com um átomo de nitrogênio extraviado, funciona como uma estranha molécula no meio de todos esses átomos de carbono.

Essa “molécula” pode se acender como um pequeno LED quando se aplica uma luz laser. Isso, por sua vez, pode ser usado para medir magnetismo extremamente fraco. As possíveis aplicações incluem a armazenagem de dados para computadores ou detectores de alta sensibilidade. Manipulando o spin de um elétron apanhado em um buraco em uma amostra de diamante, os cientistas da Universidade de Tecnologia de Delft (Delft, Holanda) e da Universidade da Califórnia em Santa Barbara detectaram o spin de um elétron isolado (Science, 18 de abril); enquanto isso, um grupo de Harvard (Nature, 2 out) localizou a posição de uma impureza de carbono-11 isolada no diamante em um entorno de 1 nanômetro, através das interações de spin nuclear do átomo; ver o sumário aquil.

RAIOS CÓSMICOS

Novidade: Experiências resolvem um mistério e descobrem outros. Os raios cósmicos são partículas extremamente energéticas que voam pelo cosmos. Quando elas se chocam com nossa atmosfera, se descobre que a maioria deles são partículas ordinárias, tais como prótons ou elétrons, porém com energias milhares ou milhões de vezes maiores do que as partículas aceleradas nos aceleradores de partículas existentes na Terra. Aqui estão os novos resultados.

1. Um detector de raios cósmicos, o Observatório Pierre Auger, observou, agora, uma efetiva diminuição de raios cósmicos nas faixas mais altas de energia (na faixa acima de 4 x 10¹⁹ elétron volts); isso resolve um mistério associado com algumas observações anteriores que sugeriam um excesso de tais eventos; artigo da PRL: aqui .
2. A experiência Milagro produziu um mapa celeste dos raios cósmicos incidentes. Isso estabelece um novo mistério, uma vez que alguns eventos de altíssima energia (na faixa de 10 trilhões de elétron volts) parecem vir preferencialmente de umas poucas direções no espaço (artigo da PRL em aqui ).
3. Outro mistério diz respeito às descobertas de dois detectores mantidos nas alturas — um por um balão e outro por um satélite — que procuravam por anomalias no número de antipartículas que chegam junto com as partículas normais entre os raios cósmicos que atingem a Terra. Eles constataram um excesso de tais partículas, o que alguns interpretam como um indício para a “matéria escura”, uma classe de partículas muito fracamente interativas ainda não observada. [N.T: a redação em inglês está ambígua… provavelmente é uma referência às propostas “WIMPS”, Weak Interacting Massive ParticleS]
   

Os cientistas associados com o detector a bordo do balão (ATIC) (Nature, 20 nov) e do satélite PAMELA (aqui nos arxives) relatam indícios de um excesso de raios cósmicos constituídos de elétrons (e talvez também de posítrons) em energias de centenas de GeV. Essa descoberta é atribuída em algumas expliações pela aniquilação de partículas pesadas de matéria escura (notícias na PT aqui )

LUZ PASSA ATRAVÉS DE MATÉRIA OPACA

Novidade: Fazer com que a luz se comporte de maneira diferente. Quando a luz atinge um material opaco, assim como o leite, a maior parte da radiação é espalhada; pouco dela passa pela amostra. Porém, uma experiência da Universidade de Twente na Holanda, mostrou que muito mais da luz pode ser feito atravessar o material dispersor se, previamente, a frente de onda da luz incidente for moldado por filtros especiais.

Literatura: sumário em Physics Today, set 2008); um ensaio da APS e o artigo da pesquisa estão disponíveis aqui

RESFRIAMENTO MACROSCÓPICO POR REALIMENTAÇÃO

Novidade: Os cientistas do laboratório AURIGA em Padova, Itália, resfriaram uma barra de alumínio de uma tonelada a uma temperatura abaixo de 1 milli-kelvin usando circuitos elétricos especiais. A barra é uma peça de um detector projetado para medir as ondas gravitacionais que passam, vindas do espaço.  Usando sensores magnéticos e bobinas de realimentação, a ressonância da barra (que é essencialmente um enorme diapasão) em uma freqüência característica foi resfriada de uma temperatura equivalente de 4 K (a temperatura do banho de hélio líquido no qual a barra fica imersa) até uma temperatura de cerca de 0,17 mK. Temperaturas mais baixas do que essa já foram conseguidas com essa técnica de resfriamento por realimentação, mas somente massas muito menores.

Literatura: ensaio e artigo na PRL aqui
Phillip F. Schewe
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