Como se cria um universo (versão digital)

EurekAlert

Pesquisadores modelam o nascimento do universo em uma das maiores simulações cosmológicas jamais processadas

DOE/ARGONNE NATIONAL LABORATORY

Os pesquisadores estão peneirando uma avalanche de dados produzidos por uma das maiores simulações cosmológicas jamais realizadas, liderada pelos cientistas do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia (DOE) do Governo dos EUA..

A simulação, processada no supercomputador Titan do Laboratório Nacional Oak Ridge do DOE,  modelou a evolução do universo desde apenas 50 milhões de anos após o Big Bang até os dias atuais – de sua primeira infância até sua atual maturidade. Durante o curso de 13,8 bilhões de anos, a matéria do universo se agregou, formando galáxias, estrelas e planetas, mas não sabemos exatamente como isso se deu

Este tipo de simulação auxilia os cientistas a compreender a energia escura, uma forma de energia que afeta a taxa de expansão do universo, inclusive a distribuição das galáxias, compostas por matéria comum e matéria escura, um tipo misterioso de matéria que nenhum instrumento foi capaz de medir até agora,

Levantamentos celestes Intensivos com poderosos telescópios, tais como o Sloan Digital Sky Survey e o novo Dark Energy Survey  mostram aos cientistas onde as galáxias e estrelas estavam quando sua luz foi inicialmente emitida. E os levantamentos da Radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB, na sigla em inglês), a luz remanescente de quando o universo tinha apenas 300.000 anos de idade, nos mostra como o universo começou – “muito uniforme, com a matéria se agregando ao longo do tempo”, nas palavras de Katrin Heitmann, uma física do Argonne que liderou a simulação.

A simulação visa a preencher a lacuna temporal para mostrar como o universo deve ter evoluido nesse intervalo: “A gravidade atua sobre a matéria escura que começa a se aglomerar cada vez mais e, nesses aglomerados, se formam as galáxias”, diz Heitmann.

Chamada de “Q Continuum”, a simulação envolveu meio trilhão de partículas – dividindo o universo em cubos de 100.000 km de aresta. Isso a torna uma das maiores simulações cosmológicas em uma definição tão grande. Ela rodou usando mais de 90% da capacidade do supercomputador. Para dar uma ideia, normalmente menos de 1% dos trabalhos usam 90% da capacidade do suprcomputador Mira no Argonne, disseram os administradores da Argonne Leadership Computing Facility, do DOE  Pessoal de computação, tanto do Argonne, quanto do Oak Ridge, auxiliou a adaptar o programa para rodar no Titan.

“Esta é uma simulação muito detalhada”, afirma Heitmann. “Podemos usar esses dados para examinar por que as galáxias se aglomeram desta forma, assim como estudar a física fundamental da própria formação da estrutura”.

A análise dos dois e meio petabytes de dados gerados já começou e vai continuar por vários anos, diz ela. Os cientistas podem extrair dados de fenômenos astrofísicos tais como lentes gravitacionais fortes, lentes gravitacionais fracas, lentes de aglomerados e lentes galáxia-galáxia.

O programa para rodar a simulação é chamado de Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (HACC), inicialmente escrito em 2008, mais ou menos quando os supercomputadores científicos romperam a barreira do petaflop (um quatrilhão de operações por segundo). O HACC foi projetado com uma flexibilidade inerente que permite que ele rode em supercomputadores com diferentes arquiteturas

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Os detalhes do trabalho estão contidos no estudo “The Q continuum simulation: harnessing the power of GPU accelerated supercomputers,” publcado em agosto em Astrophysical Journal Supplement Series pela American Astronomical Society. Os outros cientistas do Argonne neste estudo são Nicholas Frontiere, Salman Habib, Adrian Pope, Hal Finkel, Silvio Rizzi, Joe Insley e Suman Bhattacharya, além de Chris Sewell do Laboratório Nacional de Los Alamos (também do DOE).

 

Uma partícula feita apenas de força nuclear forte

EurekAlert
UNIVERSIDADE DE TECNOLOGIA DE VIENA

Uma partícula feita apenas de força nuclear [forte]

Há décadas, osscientistas vêm procurando pelas assim chamadas “glueballs” (“bolas de gluons”). Parece que, enfim, acharam. Uma glueball é uma partícla exótica feita inteiramente de gluons – as partículas “pegajosas” que mantém juntas as partículas nucleares. As glueballs são instáveis e só podem ser detectadas indiretamente, por meio da análise de seu decaimento. No entanto, esse processo de decaimento ainda não é totalmente compreendido.

O Professor Anton Rebhan e Frederic Brünner da TU Wien (Viena, Áustria) empregaram uma nova abordagem teórica para calcular o decaimento de uma glueball. Seus resultados coincidem extremamente bem com dados obtidos em experiências em aceleradores de partículas. Há fortes indícios de que uma ressonância, chamada “f0(1710)”, encontrada em várias experiências, seja de fato a tão procurada glueball. Em pocos meses devem sair novos resultados experimentais.

As Forças também são Partículas

Prótons e nêutrons consistem de partículas ainda mais elementares, chamadas quarks. Esses quarks são ligados pela Força Nuclear Forte. “Na física de partículas, toda força é mediada por um tipo especial de partícula de força e a partícula da forças nuclear forte é o gluon”, explica Anton Rebhan (TU Wien).

Os gluons podem ser encarados como versões mais complexas do fóton. Os fótons sem massa são oss responsáveis pelas interações eletromagnéticas, enquanto que oito tipos diferentes de gluons desempenham um papel similar para a força nuclear forte. No entanto, existe uma importante diferença: os gluons interagem com eles mesmo, enquanto os fótons, não.  Por isso não existem partículas compostas (bound states) de fótons, mas uma partículas composta somente de gluons é, de fato, possível.

Em 1972, pouco depois que a teoria de quarks e gluons foi formulada, os físicos Murray Gell-Mann e Harald Fritsch especularam sobre possíveis partículas compostas somente de gluons (originalmente chamadas de “gluonium”; atualmente chamadas de “glueball”). Várias partículas, encontradas em experiências em aceleradores de partículas, foram consideradas como candidatas viáveis para glueballs, porém nunca houve um consenso científico sobre se esses sinais seriam ou não uma dessas misteriosas partículas feitas inteiramente de partículas de forças. Os sinais detectados poderiam ser, ao invés de uma glueball, uma cominação de quarks e antiquarks. As glueballs são efêmeras demais para serem diretamente detectadas. Se elas existirem, teriam que ser identificadas pelo estudo de seu decaimento.

A candidata f0(1710) decai de modo estranho

“Infelizmente, o padrão de decaimento das glueballs não pode ser calculado com rigor”, lamenta Anton Rebhan. Cálculos com modelos simplificados mostraram que há dois candidatos realísticos para glueballs: os mesons chamados f0(1500) e f0(1710). Por muito tempo, o primeiro foi considerado o candidato mais promissor. O segundo tem uma massa maior, o que concorda mais com as simulações computadorizadas, porém, quando decai, produz muito quarks pesados (os, assim chamados, “quarks estranhos”). Para muitos cientistas de partículas, isto parecia implausível, porque as interações dos gluons não fazem, usualmente, distinção entre quarks mais leves e mais pesados.

Anton Rebhan e seu estudante de PhD, Frederic Brünner, deram um grande passo à frente na solução desse enigma, usando uma abordagem diferente. Existem conexões fundamentais entre as teorias quânticas que descrevem o comportamento das partículas em nosso mundo tridimensional e certos tipos de teorias gravitacionais em espaços com mais dimensões. Isso significa que certas questões de física quântica podem ser respondidas, se usarmos ferramentas da física da gravidade.

“Nossos cálculos mostram que é efetivamente possível que as glueballs decaiam preferencialmente em quarks estranhos”, afirma Anton Rebhan. Surpreendentemente, o padrão de decaimento calculado, em duas partículas mais leves, é extremamente concordante com o padrão de decimento medido para o f0(1710). Além disto, outros decimentos em mais de duas partículas são possíveis. Esses padrões de decaimento também foram calculados.

Novos dados são esperados em breve

Até agora, esses decaimentos alternativos para as glueballs não foram medidos, porém, dentro dos próximos meses, novos dados serão obtidos em duas experências no Grande Colisor de Hardons (Large Hadron Collider = LHC) do CERN (TOTEM e LHCb) e um acelerador em Beijing (BESIII). “Esses resultados serão cruciais para nossa teoria”, diz Anton Rebhan. “Para esses processos multi-partículas, nossa teoria prevê taxas de decaimento muito diferentes dos outros modelos mais simples. Se as medições concordarem com nossos cálculos, isto será um notavel sucesso para nossa abordagem”. Seria um indício definitivo de que o f0(1710) é mesmo uma glueball. E, mais do que isso, será demonstrado que uma gravidade em número superior de dimensões pode ser utilizada para responder a questões da física de partículas – de uma forma que significaria mais um enorme sucesso para a Teoria da Relatividade Geral de Einstein que completa 100 anos no próximo mês.

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Artigo original: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.131601

Prêmio Nobel de Física 2015: as variações dos neutrinos.

Inside Science News Service

Detector de neutrinos Super-Kamiokande
Crédito da Imagem: cortesia do Observatório Kamioka do Instituto de Pesquisas sobre Raios Cósmicos da Universidade de Tóquio. 
Original (em inglês) publicado em 06/10/2015 
Por: Ben P. Stein, Diretor do ISNS.

(Inside Science) – O Prêmio Nobel de Física de 2015 foi concedido a dois físicos, um japonês e outro canadense, pela descoberta de que as abundantes partículas subatômicas, conhecidas como neutrinos, podem mudar suas identidades, um processo que requer que as pasrtículas – antes tidas como sem massa de repouso, como o fóton – realmente tenham uma massa.

O prêmio foi concedido conjuntamente a Takaaki Kajita da Universidade de Tóquio no Japão e a Arthur B. McDonald da Queen’s University em Kingston, Canadá “pela descoberta da oscilação de neutrinos que demonstra que os neutrinos têm massas”. Os dois agraciados lideraram dois dos principais observatórios subterrâneos em lados opostos do mundo. Kajita fazia parte da colaboração Super-Kamiokande no Japão e McDonald liderava um grupo no Observatório de Neutrinos Sudbury (Sudbury Neutrino Observatory, ou SNO) no Canadá.

“Os neutrinos são um enigma e o Prêmio Nobel de Física deste ano honra um passo fundamental para descobrir a natureza do neutrino”, declarou Olga Botner, membro do Comitê para Física no Nobel e professora de física na Universidade de Uppsala na Suécia.

“Esta foi uma grande premiação”, declarou o físico Michael Turner, diretor do Instituto Kavli de Física Cosmológica da Universidade de Chicago, que observou que este é o quarto Prêmio Nobel atribuído à pesquisa sobre neutrinos,desde 1988 até 2015.

O anúncio de hoje foi “duplamente maravilhoso”, comemorou Gene Beier, professor de física na Universidade da Pennsylvania, também um porta-voz do experimento SNOt. Beier também já trabalhou na experiência Kamiokande II, a predecessora do Super-Kamiokande.

Ambos experimentos deram grandes respostas.

“Os neutrinos são partículas fundamentais”, explicou McDonald pelo telefone, durante o anúncio desta manhã do Nobel na Suécia.

“O neutrino tem uma massa e esta é mais de um milhão de vezes menor que a do elétron”, disse Botner.

“Os neutrinos têm um ‘golpe’ acima de seu peso. Eles contribuem com tanta massa quanto as estrelas”, disse Turner.

Eles são um dos tipos conhecidos mais abundantes no universo, perdendo apenas para os fótons, as partículas de luz. Ainda assim, eles são elusivos e misteriosos. Ainda que, segundo as estimativas, bilhões deles passem através das pessoas a cada segundo, eles “atravessam nosso corpo sem que sintamos ou percebamos”, acrescenta Botner.

Na década de 1930, o físico teórico Wolfgang Pauli propôs inicialmente sua existência para explicar a energia que faltava em um tipo de reação nuclear, conhecida como “decaimento beta“.  Em uma carta datada de 1930, o físico, então com 30 anos, saudava seus colegas como “Caros Senhoras e Senhores Radiativos” (em alemão). Ele depois se desculpou, chamando (segundo relatos) sua proposta de “uma coisa terrível. Eu postulei uma partícula que não pode ser detctada”. O neutrino não irradiaria qualquer forma de luz ou campo eletromagnético. Acreditava-se que o neutrino seria eletricamente neutro – o que o tornaria ainda mais difícil de detectar.

O físico Enrico Fermi deu a essa partícula o nome “neutrino”, ou “coisinha neutra” em italiano. Acreditava-se que eles viajassem perto de ou na própria velocidade da luz.

Os físicos vieram a aceitar a ideia que os neutrinos foram produzidos em abundância no início do universo, em reações nucleares no interior das estrelas e em colisões entre raios cósmicos e a atmosfera. A maioria dos neutrinos passa por dentro da Terra sem serem detectados. Ocasionalmente eles colidem com algo e podem ser detectados.

Foi somente em 1956 que os primeiros sinais de neutrinos foram detectados em reações nucleares em experiências realizadas pelos físicos Frederick Reines e Clyde Cowan nos EUA. Cowan morreu em 1974, mas Reines foi honrado com um Prêmio Nobel (compartilhado) em 1995 pela detecção do neutrino.

No entanto, muito sobre o neutrino permanecia desconhecido.

Nos anos 1960, o físico Ray Davis conduziu experiências estudando os neutrinos vindos do Sol. Na Terra, os pesquisadores detectaram apenas um terço dos neutrinos que se esperava que emanassem do Sol. Será que os cientistas não conheciam com exatidão o Sol, ou estava acontecendo alguma coisa com os neutrinos? Davis compartilhou o Prêmio Nobel de Física em 2002 pela detecção de neutrinos cósmicos, juntamente com o físico jaopnês Masatoshi Koshiba que ajudou a projetar o experimento Kamiokande no Japão para confirmar os resultados de Davis.

Os físicos trabalharam ao longo de décadas para resolver o mistério dos neutrinos que faltavam. De acordo com o [atual] Modelo Padrão da física de partículas, existem três tipos de neutrinos, conhecidos como neutrinos de elétron, neutrinos de muon e neutrinos de tauon que acompanham as partículas com carga conhecidas como elétron, muon e tauon. O Sol produz apenas neutrinos de elétron. Alguns físicos sugeriram que alguns neutrinos de elétron se transformavam nos outros tipos de neutrinos em seu caminho para a Terra.

Mas antes de resolver este problema, os cientistas precisavam construir detectores suficientemente bons. Estes teriam que ser construídos dentro de rocha sólida para bloquear os outros tipos de partículas que abafariam os sinais dos neutrinos .

Em 1996, o detector Super-Kamiokande começou a funcionar no Japão. O Super-K foi construído em uma antiga mina de zinco, debaixo de 1.000 metros de rocha sólida. Contendo 50.000 toneladas de água, o Super-K foi projetado para detectar neutrinos de muon vindos das atmosfera, tanto da atmosfera logo acima, como aqueles que tivessem transpassado todo o globo. Ocasionalmente os neutrinos colidiriam com um elétron ou com um núcleo atômico em uma molécula d’água, e assim geraria uma centelha de luz. Esse poderoso detector subterrâneo só encontrou rastros de 5.000 neutrinos em seus primeiros dois anos de funcionamento.

Anallisando os dados, os pesquisadores descobriram uma diferença entre os neutrinos de muon detectados vindos de logo acima e aqueles que tinham atravessado a Terra. Então concluiram que os neutrinos de muon que atravessavam o globo se transformavam em um tipo diferente de neutrino.

Enquanto isso, o Observatório de Neutrinos Sudbury no Canadá, se empenhava em estudar os neutrinos vindos do Sol. De maneira análoga ao Super-K, ele se localizava em uma mina de níquel. No entanto ele ficava ainda mais enterrado, debaixo de 2.000 metros de rocha. Ele detectou ainda menos neutrinos vindos do Sol – cerca de três por dia em seus primeiros dois anos.

Seu tanque era preenchido com 1.000 toneladas de água pesada. Uma molécula d’água comum contém dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio. Na água pesada os hidrogênios são substituídos pelo seu primo mais pesado, o deutério que tem um nêutron extra. Vários tipos de colisões podem ocorrer na água pesada, onde os neutrinos de elétron produzem reações diferentes dos outros tipos de neutrino, o que permitia aos pesquisadores distinguí-los. Eles descobriram os dois terços dos neutrinos que passaram despercebidos nas experiências anteriores e também descobriram indícios que alguns neutrinos de elétron estavam se transformando nos outros tipos.

“Sim, foi mesmo um momento ‘eureka’. Nós conseguimos ver que os neutrinos pareciam estar se transformando de um tipo para outro”, disse McDonald hoje, durante o anúncio do Nobel.

O físico Peter Wittich, atualmente na Universidade Cornell, escreveu sua tese de Ph.D. sobre os resultados do SNO, como relata Beier, porém teve que aguardar até que os pesquisadores verificassem tudo para eliminar possíveis fontes de erro em seu experimento. Ele escondeu sua tese do público durante um ano enquanto o SNO confirmava os resultados.

O que o público pode não perceber é que essa é “a parte dura de qualquer experiência”, diz Beier, sobre a eliminação das fontes de erros. “Obter uma resposta é mais fácil do que se assegurar que ela está correta”, acrescenta ele.

Se os neutrinos estavam se transformando, como se confirmou posteriormente, isto tinha enormes implicações. Os físicos não sabiam se os neutrinos tinhas massa nula, como os fótons, ou tinham uma pequena massa. A teoria Padrão sugeria que eles não tinham qualquer massa.  Turner observa: “Segundo o [então] Modelo Padrão, eles deveriam ter massa nula”. Entretanto, se os neutrinos estavam mudando de tipo do jeito que os cientistas estavam constatando, eles teriam que ter massa…

Isto “deu os indícios de uma física além do [então] Modelo Padrão”, reconta Turner, e mostrava “que ainda havia algo mais a compreender sobre partículas e forças”.

Então os neutrinos podiam ter a chave para a expansão de nossa compreensão da matéria. Como os físicos sabem que eles têm massa, ao contrário do que previa o [então vigente] Modelo Padrão de física de partículas?

A física quântica sugere que qualquer objeto, tal como um elétron, pode agir tanto como uma partícula sólida, quanto como uma onda. Neutrinos também. Vindos do Sol, os neutrinos podem agir como ondas e possuir características de todos os três tipos de neutrinos. Quando são detectados em um experimento, eles são registrados como partículas e têm que assumir a identidade de um dos três tipos. As quantidades relativas dos três tipos de neutrinos que são detectados, depende das diferenças de massas entre os três tipos. O fato dos neutrinos poderem ir de um tipo para o outro e serem registrados em quantidades diferentes, sugere que eles têm massas ligeiramente diferentes.

Desde então, segundo Beier, outros importantes experimentos sobre neutrino vêm sendo feitos. O KamLAND começou um pouco depois. Este confirmou que o SNO estava detectando oscilações de neutrinos.

“Nós ficamos muito satisfeitos em termos sido capoazes de adicionar ao conhecimento mundial em um nível muito fundamental”, declarou hoje McDonald durante o anúncio do Nobel.

A descoberta das oscilações dos neutrinos levanta um pouco mais o véu que encobre o misterioso neutrino e, ao mesmo tempo, abre todo um novo campo de questões ainda sem resposta.


Ben P. Stein, diretor do Inside Science, vem cobrindo a física como escritor de ciências e deitor desde 1991. Seu Twitter é @bensteinscience.

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