Tetraquark: mais uma partícula para o Zoo! (e dai?…)

Tetraquark

Ilustração de um tetraquark. Cortesia do FermiLab.

 

Ontem a página I Fucking Love Science divulgou no FaceBook a descoberta, feita por cientistas do FermiLab, de uma nova partícula composta de 4 quarks diferentes, a partir de uma notícia de Symmetry, que, por sua vez, se baseou em um artigo publicado nos arXivs. (Se você segue o ScienceBlogs-BR no FaceBook ou no Twitter, já deve saber disso).

Então os cientistas descobriram uma nova partícula?… Grande coisa!…

Bem, para começo de conversa, realmente é algo grande: tem uma massa de quase seis prótons. E, como se não bastasse, é composto por quatro diferentes tipos de quark. Para combinar quarks é preciso “equilibrar” três “cores” diferentes, ou emparelhar “cor”, com “anti-cor”.

Nuclear Force anim smaller.gif
By ManishearthOwn work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12868220

Prótons e Nêutrons são compostos por três quarks de apenas dois tipos (“up” e “down”) que ficam trocando cores o temp todo, mediante o intercâmbio de glúons (o bóson vetor da Força Nuclear Forte) E os próprios prótons e nêutrons trocam píons entre si. É por isso que os nêutrons conseguem manter núcleos dos elementos mais pesados que o Hidrogênio estáveis.

Ou relativamente estáveis, já que há diversos isótopos dos vários elementos (mesmo número de prótons, diferente número de nêutrons) e alguns deles não são tão estáveis assim. O exemplo com que você deve estar mais familiarizado(a) é o famoso “Carbono-14” que é radiativo e muito usado para fazer datações de fósseis.

Nêutrons expulsos do núcleo (como acaba acontecendo com os dois a mais no Carbono-14 que decai para o isótopo mais estável Carbono-12), eles próprios acabam deacindo para um próton e emitem um elétron e um antineutrino no processo conhecido como decaimento-beta.

Então, essa nova partícula tem que ser muito instável e exigir muita energia para sua criação, caso contrário já a teríamos descoberto há tempos. E o mais esquisito nesta nova partícula é que ela é composta por quatro tipos diferentes de quark: “up”, “anti-down”, “bottom” e “anti-strange” (no dizer do artigo do arXiv, é como se fosse uma “molécula de quarks”).

Quando o LHC do CERN começar a operar a plena força, ainda neste ano (se tudo correr bem…), é bastante provável que outros bichos estranhos apareçam. E – quem sabe? – podem aparecer até respostas para perguntas que ainda nem foram feitas…

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A “onda” das ondas gravitacionais

Acima: Amplitude estimada do efeito da onda gravitacional vinda de GW150914. Mostra todo o comprimento de onda das ondas de choque, sem filtros. A imagem inserida mostra a relatividade numérica dos modelos dos horizontes de eventos dos buracos negros, na medida em que estes coalesceram. Abaixo: a separação entre os buracos negros coalescentes medida em unidades de raio de Schwarzschild (RS=2GM/c2) e a velocidade relativa calculada pelo parâmetro pós-newtoniano v/c=(GMπf/c3)1/3, onda f é a frequência da onda gravitacional calculada com relatividade numérica e M é a massa total.
Data 11 de fevereiro de 2016
Fonte: Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 116, 061102 doi:10.1103/PhysRevLett.116.061102
Autor Abbott, B. P. et al.

Retirado da WikiMedia Commons: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Estimated_gravitational-wave_strain_amplitude_from_GW150914.png

Bem… A estas horas você, leitor, já deve estar meio saturado de tanta notícia sobre a detecção (afinal!) das ondas gravitacionais – previstas na Relatividade Geral de Einstein, mas, até agora, nunca detectadas e por um motivo óbvio: são fraquíssimas!

Você deve ter visto milhões de inforgráficos, animações, ilustrações, inclusive aquelas da analogia de um peso (normalmente uma bola de boliche sobre uma cama elástica) e as bolinhas de gude “orbitando” pelas bordas do buraco. Você leu traduções apressadas das conferências dadas pelo LIGO e Virgo – inclusive aqui… eu achei melhor perder o “furo” e esperar um press-release de uma fonte confiável; no caso o da National Science Foundation, via EurekAlert – porque, desde o fiasco dos “neutrinos mais rápidos que a luz” (que, no fim, era apenas um cabo defeituoso…), eu fiquei muito cauteloso; na verdade, a descoberta já estava correndo as redes sociais desde novembro do ano passado.

Outra coisa que você já deve ter visto, são notícias meio entusiasmadas demais… Gente falando de “uma nova janela para a astronomia”, “viagens espaciais usando dobras espaço-temporais” e sabe-se lá quantas teorias de conspiração que dizem que isso tudo é apenas uma farsa para encobrir tal ou qual plano sinistro de algum governo, da “big-pharma”, do Banco Mundial em conluio com o FMI, and you-name-it

Hora de baixar a bola e colocar as coisas na devida proporção!

Os Observatórios LIGO começaram a ser construídos em 1992 e entraram em operação de 2002 até 2010, quando passaram por uma reforma que durou cinco anos e custou 620 milhões de dólares para aumentar exponencialmente sua sensibilidade, voltando a operar em 18 de setembro de 2015. Em apenas dois meses, bingo!

Bom… Ou colisões entre buracos negros com massas entre 20 e 50 vezes a do Sol são muito mais comuns do que se pensa (esta foi a primeira vez que o fenômeno foi observado e, mesmo assim, indiretamente… “em algum lugar do hemisfério (celeste) Sul”), ou foi uma sorte dos diabos!… Como diz o press-release da NSF: “Durante a fração de segundo final, os buracos negros colidem a cerca de metade da velocidade da luz e acabam formando um único buraco negro mais massivo, convertendo parte da massa combinada dos buracos negros em energia, conforme a famosa fórmula de Einstein E=mc2. Essa energia é emitida como um forte jato de ondas gravitacionais. E foram essas ondas gravitacionais que o LIGO observou.” (o grifo é meu).

Sem querer ser chato (mentira!… é exatamente o que eu quero!) o Hemisfério Sul da Terra já não é mais tão pobre em observatórios como era no século XX. Os australianos são os “bambas” da rádioastronomia e o ESO no Atacama tem feito descobertas que vêm revolucionando o que se pensava que se sabia de astronomia. E esse canibalismo de buracos negros ainda não foi detectado?…

Se esse cataclismo cósmico foi capaz de gerar ondas gravitacionais perceptíveis aqui na Terra, certamente houve uma massiva emissão de raios eletromagnéticos ao longo de todo o espectro, desde ondas longas, até raios gama. Claro, com a distância (calculada em 6,5 bilhões de anos-luz) até os raios gama devem chegar em frequências bem mais baixas, mas eu continuo cabreiro com a ausência de confirmação. Atualizando em 17/02/2016: Cadê a luz que devia ter aparecido?

A gravidade é uma coisinha chata e difícil… Eu, na minha condição de leigo metido a besta, tenho certeza que o que chamamos de “gravidade” é um “efeito emergente” do Campo de Higgs, mas os físicos de verdade sempre me chamam a atenção para o problema de escala. Não temos conhecimentos suficientes para fazer tal afirmação (embora me pareça óbvio que o Campo de Higgs siginfique: “o espaço-tempo resiste ao movimento”, tanto que até um fóton – sem massa – tem uma velocidade máxima, “c” e o hipotético gravitron também). Mas, tomando o valor da interação eletromagnética como referência (valor = 1), a nuclear forte tem valor 60 (entre quarks), a nuclear fraca tem valor 10-4 e a gravitacional é estimada em 10-41. Ou seja: um gravitron tem a força de 0,000000000000000000000000000000000000000001 fóton…

Outra previsão da Relatividade Geral, ainda não confirmada experimentalmente, é o “arrasto do referencial”, ou, em termos leigos, o fato de que nada no universo está parado, portanto qualquer referencial inercial também se move com relação a algo mais. Dito de outra forma, o espaço-tempo em torno da Terra não é só deformado pela massa da Terra, mas também por seu movimento de rotação. Lançaram já duas sondas espaciais para checar isso (Gravity Probe A e B), mas a gravidade é algo tão fraquinho que todos os indícios de arrasto de referencial foram inconclusivos, por conta de interferências externas, inclusive e principalmente a flatulência de nosso Sol que vive ejetando massa coronal.

Um novo projeto de detecção de ondas gravitacionais está em andamento, o eLISA da ESA. Um conjunto de três satélites, dispostos em triângulo equilátero com 1 milhão de km de lado, em órbita heliocêntrica, fazendo as vezes dos lasers em “L” dos LIGO (que também devem ganhar o reforço de um terceiro observatório LIGO na Índia). Por enquanto, a ESA lançou um precursor, o LISA Pathfinder, para estudar o problema de comunicação entre os satélites eLISA e a antena em Terra.

O simples fato de que fomos capazes de detectar uma pequena perturbação no espaço-tempo, confirmando algo já sobejamente confirmado: a Relatividade Geral (se você usa GPS, fique sabendo que com a mecânica newtoniana você não chegaria até a esquina, mesmo que morasse nela), medindo uma flutuação menor do que o diâmetro de um próton, é, por si só, maravilhoso.

Mas começar a tirar ilações sobre a viabilidade da Propulsão Alcubierre, só com um “bip”, é demais para meu gosto…

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100 anos após a predição de Einstein, afinal detectaram ondas gravitacionais

EurekAlert

Link para o original: Gravitational waves detected 100 years after Einstein’s prediction

LIGO abre uma nova janela para o universo com a observação de ondas gravitacionais vindas da colisão de dois buracos negros

NATIONAL SCIENCE FOUNDATION

Pela primeira vez os cientistas conseguiram observar as ondulações na tessitura do espaço-tempo, chamadas de ondas gravitacionais, vindas de um evento cataclísmico no universo distante. Isto confirma uma predição importante da Teoria Geral da Relatividade, feita por Albert Einstein em 1915, e abre uma nova janela sem precedentes para o cosmos.

As ondas gravitacionais portam informações acerca de suas origens dramáticas e sobre a natureza da gravidade que não podem ser obtidas de outra maneira. Os físicos concluíram que as ondas gravitacionais detectadas foram produzidas na fração de segundo final da fusão de dois buracos negros que resultaram em um só buraco negro giratório mais massivo. Uma tal colisão de dois buracos negros já tinha sido prevista, mas jamais tinha sido observada.

As ondas gravitacionais foram detectads em 14 de setembro de 2015 às 09:15 (horá UTC) por ambos os detectores gêmeos do Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), localizados em Livingston, Louisiana, e Hanford, Washington. Os observatórios LIGO são financiados pela National Science Foundation (NSF), e foram projetados, construídos e operados pelos California Institute of Technology (Caltech) e Massachusetts Institute of Technology (MIT). A descoberta, aceita para publicação por Physical Review Letters, foi feita pela LIGO Scientific Collaboration (que inclui a GEO Collaboration e o Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy) e a Virgo Collaboration com dados colhidos pelos detectores LIGO.

Com base nos sinais observados, os cientistas do LIGO estimam que os buracos negros que criaram este evento ttinham massas entre 29 a 36 massas solares e que o evento aconteceu há 1,3 bilhões de anos. Cerca de três massas solares foram convertidas em ondas gravitacionais em uma fração de segundo – com um pico de emissão de cerca de 50 vezes todo o universo visível. Pelo tempo de chegada dos sinais – o detector em Livingston regsitrou o evento 7 milissegundos antes do detector em Hanford – os cientistas podem afirmar que a fonte está localizada no Hemisfério Sul.

De acordo com a Relatiividade Geral, um par de buracos negros que orbitem um em torno do outro, perdem energia através da emissão de ondas gravitacionais, fazendo com que eles gradualmente se aproximem, ao longo de bilhões de anos e muito mais rápido nos minutos finais. Durante a fração de segundo final, os buracos negros colidem a cerca de metade da velocidade da luz e acabam formando um único buraco negro mais massivo, convertendo parte da massa combinada dos buracos negros em energia, conforme a famosa fórmula de Einstein E=mc2. Essa energia é emitida como um forte jato de ondas gravitacionais. E foram essas ondas gravitacionais que o LIGO observou.

A existência de ondas gravitacionais foi inicialmente demonstrada nas décadas de 1970 e 1980 por Joseph Taylor, Jr., e colegas. Em 1974, Taylor e Russell Hulse descobriram um sistema binário composto por um pulsar orbitando uma estrela de nêutrons. Taylor e Joel M. Weisberg descobriram em 1982 que a órbita do pulsar estava lentamente ficando mais apertada por causa da energia emitida na forma de ondas gravitacionais. Pela descoberta do pulsar e por demonstrar que isto tornaria possivel medir estas ondas gravitacionais, Hulse e Taylor ganharam o Prêmio Nobel de Física de 1993.

A nova descoberta do LIGO é a primeira observação das próprias ondas gravitacionais, feita através da medição das pequeninas perturbações que as ondas causam no espaço-tempo ao passarem pela Terra.

“Nossa  observação de ondas gravitacionais atinge uma ambiciosa meta estabelecida há cinco anos de observar diretamente esse fenômeno elusivo e compreender melhor o universo, e, adequadamente, complementar o legado de Einstein no centésimo aniversário de sua Teoria da Relatividade Geral”, declarou David H. Reitze, do Caltech, diretor executivo do Laboratório LIGO.

A descoberta foi tornada possível pelo aumento das capacidades do Advanced LIGO, um melhoramento importante na sensibilidade dos instrumentos, em comparação com a primeira geração dos detectores LIGO, o que permitiu um aumento significativo do volume de universo sondado – e a descoberta das ondas gravitacionais durante seu primeiro turno de observação. A NSF é a principal financiadora do LIGO, auxiliada por organizações como, na Alemanha, a Max Planck Society, no Reino Unido, Science and Technology Facilities Council, STFC e na Australia, Australian Research Council.

Várias das tecologias chave que tornaram o Advanced LIGO muito mais sensível foram desenvolvidas e testadas pela Colaboração Angl-Germânica GEO. Recursos de computação significativos tiveram a contribuição do AEI Hannover Atlas Cluster, do LIGO Laboratory, Syracuse University e da University of Wisconsin-Milwaukee. Várias universidades projetaram, construíram e testaram peças chave para o Advanced LIGO: A Australian National University, a University of Adelaide, a University of Florida, Stanford University, Columbia University of the City of New York ae Louisiana State University.

“Em 1992, quando o financiamento inicial para o LIGO foi aprovado, foi o maior investimento até então fetio pela NSF”, lembra France Córdova, diretor da NSF. “Foi um grande risco. Mas a NSF é a agência que toma esse tipo de risco. Nós apoiamos a ciência e a engenharia fundamentais em um ponto do caminho cujo destino é totalmente incerto. Nós financiamos os abridores de trilhas. É por isso que os EUA continuam sendo um líder global no avanço do conhecimento”.

A pesquisa LIGO é realizada pela LIGO Scientific Collaboration (LSC), um grupo de mais de 1000 cientistas de universidades de todos os EUA e maisoutros 14 países. Mais de 90 universidades e institutos de pesquisas na LSC desenvolvem tecnologias de detectores e analisam dados; aproximadamente 250 estudantes são colaboradores ativos da LSC. A rede de detectores da LSC inclui os interferômetros LIGO e o detector GEO600. A equipe GEO inclui cientistas do Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute, AEI), Leibniz Universitat Hannover, juntamente com parceiros da University of Glasgow, Cardiff University, University of Birmingham, outras universidades no Reino Unido e a Universidade das Ilhas Baleares na Espanha.

“Esta detecção é o iníicio de uma nova era: o campo de astronomia de ondas gravitacionais é agora uma realidade”, declara Gabriela Gonzalez, porta-voz da LSC e professora de física e astronomia na Louisiana State University.

O LIGO foi proposto incialmente como um meio para detectar ondas gravitacionais na década de 1980 por Rainer Weiss, professor emérito de física do MIT; Kip Thorne, Professor Emérito “Richard P. Feynman” de Física Teórica do Caltech, e Ronald Drever, professor emérito de física, também do Caltech.

“A descrição desta observaçãoé lindamente exposta na Teoria da Relatividade Geral de Einstein, formulada há 100 anos e compreende o primeiro experimento da teoria em gravidade forte. Teria sido maravilhoso se pudéssemos ver a cara que Einstein faria, se houvesse um meio de contar para ele”, diz  Weiss.

“Com esta descoberta, nós, humanos, estamos embarcando em uma maravilhosa nova busca: a busca pelo lado enrugado do universo – objetos e fenômenos feitos de espaço-tempo enrugado. Buracos negros em colisão e ondas gravitacionais são os primeiros belos exemplos disto”, diz Thorne.

A pesquisa Virgo é realizada pela Colaboração Virgo, que consiste em mais de 250 físicos e engenheiros que pertencem a 19 diferentes grupos de pesquisa europeus: seis do Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) na França; oito do Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) na Itália; dois na Holanda no Nikhef; o Wigner RCP na Hungria; o grupo POLGRAW na Polônia; e o European Gravitational Observatory (EGO), o laboratório onde fica o detector Virgo próximo de Pisa, Itália.

Fulvio Ricci, porta-voz do Virgo,  observa que: “Isto é um marco significativo para a física, mas, mais importante, é apenas o começo de muitas e entusiasmantes descobertas astrofísicas que vão vir de LIGO e Virgo.”

Bruce Allen, diretor gerente do Max Planck Institute for Gravitational Physics acrescenta: “Einstein pensava que as ondas gravitacionais eram fracas demais para serem detectadas e não acreditava em buracos negros. Mas eu penso que ele não se importaria de terem provado que ele estava errado!”

“Os detectores do Advanced LIGO são um tour de force da ciência e da tecnologia, tornados possíveis por uma equipe internacional de técnicos, engenheiros e cientistas realmente notáveis”, diz David Shoemaker do MIT, líder do projeto Advanced LIGO. “Nós nos orgulhamos de ter completado este projeto da NSF dentro do prazo e do orçamento”.

Em cada um dos observatórios, o interferômetro em forma de L com 4 km usa dois feixes de laser que vão e voltam pelos braços (tubos de 1,20m mantidos em vácuo quase perfeito). Os feixes servem para moniyorar a distância entre espelhos precisamente posicionados nas extremidades dos braços. De acordo com Einstein, a distância entre os espelhos sofreria uma mudança infinitesimal quando uma onda gravitacional passasse pelo detector. Uma mudança no comprimento dos braços menor do que um décimo-milionésimo do diâmetro de um próton pode ser detectada.

“Para tornar esse fantástico marco possível, foi necessária uma colaboração global de cientistas – tecnologia de laser e suspensão desenvolvida para nosso detector GEO600 foi usada para ajudar a tornar o Advanced LIGO o detector de ondas gravitacionais mais sofisticado jamais criado”, diz Sheila Rowan, professora de física e astronomia na University of Glasgow.

Para detectar a direção do evento causador das ondas gravitacionais, são necessários observatórios bem distantes entre si, assim como para verificar que os sinais vêm mesmo do espaço e não de outro fenômeno local.

Para conseguirt isto, o laboratório LIGO trabalha em parceria com cientistas na ìndia no Inter-University Centre for Astronomy and Astrophysics, o Raja Ramanna Centre for Advanced Technology e o Institute for Plasma para estabelecer um terceiro detector Advanced LIGO no subcontinente indiano. ainda esperando aprovação do governo indiano, ele pode se tornar operacional no início da próxima década. O detector adiconal vai uamentar muti a capacidade da rede gloal de detectores para localizar fontes de ondas gravitacionais.

“Esperamos que esta primeira observação aceler a construção de uma rede global de detectores para determinar com precisão a localização das fontes em uma era de astronomia multi-mensageiros”, diz David McClelland, professor de física e diretor do Centre for Gravitational Physics da Australian National University.

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Imagens, vídeo e áudio (em inglês): https://mediaassets.caltech.edu/gwave

Histórico: https://youtu.be/MaAv2IVzqhM

Notícia: https://www.youtube.com/watch?v=wrqbfT8qcBc

Grandes problemas quânticos: tudo está conectado

Link para o texto original: Solving hard quantum problems: Everything is connected

Novos processos para cálculos de vários corpos

VIENNA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

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Ondas em um condensado de Bose-einstein: um efeito de várias partículas

CRÉDITO: TU WIEN

 

Sistemas quânticos são extremamente difíceis de analisar, se consistirem em mais do que umas poucas partes. Não é tão difícil calcular um único átomo de hidrogênio, porém, para descrever uma nuvem com milhares de átomos, normalmente são necessárias aproximações grosseiras. A razão disso é que as partículas quânticas são conectadas entre si e não podem ser descritas separadamente. Kaspar Sakmann (TU Wien, Vienna) e Mark Kasevich (Stanford, USA) agora demonstram, em um artigo publicado em Nature Physics que este problema pode ser superado. Eles tiveram sucesso em calcular efeitos em nuvens de átomos super-resfriados que só podem ser explicados em termos das correlações quânticas entre vários átomos. Essas nuvens de átomos são conhecidas como Condensados de Bose-Einstein e são um campo ativo de pesquisas.

Correlações Quânticas

A física quântica é um jogo de sorte e aleatoriedade. Inicialmente, os átomos em uma nuvem de átomos resfriada não têm uma posição predeterminada. De forma muito parecida com um dado [de jogo] lançado pelo ar, onde o número ainda não é conhecido, os átomos estão localizados em todas as posições possíveis ao mesmo tempo. Somente quando são medidos é que suas posições são fixadas. “Lançamos uma luz sobre a nuvem de átomos que a absorvem”, explica Kaspar Sakmann. “Os átomos são fotografados e isso é o que determina suas posições. O resultado é totalmente aleatório”.

No entanto, existe uma diferença fundamental entre a aleatoriedade quântica e um jogo de dados: Se lançarmos dados diferentes ao mesmo tempo, eles podem ser considerados independentes um do outro. Se sair ou não o número seis no primeiro dado, isto não influencia o número que vai sair no segundo .Por outro lado, os átomos na nuvem são fisicamente conectados pela física quântica. Não faz sentido analisá-los individualmente; eles são um grande objeto quântico. Portanto, o resultado da medição de cada posição de qualquer átomos depende das posições de todos os outros átomos de uma forma matematicamente complicada.

“Não é difícil estabelecer a probabilidade de encontrar uma partícula em uma posição específica”, diz Kaspar Sakmann. “A probabilidade é mais alta no centro da nuvem e diminui gradualmente na direção das bordas”. Em um sistema aleatório clássico, esta seria toda a informação necessária. Se sabemos que, a cada lance de um dado, cada número tem 1/6 de probabulidade de sair, também podemos calcular a probabilidade de obtermos três números 1 com três dados. Mesmo que o resultado de três números 1 se repita cinco vezes, a probabilidade permanece a mesma para a próxima vez. Na física quântica é mais complicado do que isso. .

“O problema é resolvido passo a passo”, explica Sakmann. “Primeiro se calcula a probabilidade da primeira partícula ser medida em uma certa posição. A probabilidade de distribuição espacial da segunda partícula depende de onde a primeira partícula foi encontrada. A posição da terceira partícula depende das duas primeiras e assim por diante”. Para que se possa descrever a posição da última partícula, todas as outras posições têm que ser conhecidas. Este tipo de entrelaçamento quântico torna o problema matemático extremamente desafiador.

Somente as correlações podem explicar os dados experimentais

Mas estas correlações entre várias partículas são extremamente importantes – por exemplo, para calcular o comportamento dos átomos em uma colisão entre condensados de Bose-Einstein. “As experiências mostram que tais colisões podem conduzir a um tipo especial de ondas quânticas. Em certas posições vamos encontras muitas partículas, em uma posição adjacente, podemos não encontrar partícula alguma”, afirma Kaspar Sakmann. “Se considerarmos os átomos separadamente, isto não pode ser explicado. Somente se levarmos em conta toda a distribuição quântica, com todas as suas correlações de mais alto nível, essas ondas podem ser reproduzidas por nossos cálculos”.

Outros fenômenos também forma calculados com o mesmo processo, por exemplo, condensados de Bose-Einstein agitados com um feixe de laser, de forma que emergem pequenos vórtices – outro típico efeito quântico de muitas partículas. “Nossos resultados demonstram como são importantes essas correlações e que é possível incluí-las nos cálculos quânticos, a despeito de toda dificuldade matemática”, diz Sakmann. Com certas modificações, a abordagem pode vir a ser útil para mutos outros sistemas quânticos também.

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Nós quânticos são reais

EurekAlert

Original: Quantum knots are real!

AALTO UNIVERSITY

A primeiríssima observação de nós em matéria quântica acaba de ser relatada na publicação Nature Physics  pelos cientistas da Aalto University (Finlândia) e Amherst College (EUA). Os cientistas criaram ondas solitárias atadas, ou nós de sólitons, no campo mecâncio quiântico que descreve um gás de átomos superfluidos, também conhecido como Condensado de Bose-Einstein.

Em contraste com cordas atadas, o nó quântico criado existe em um campo que assume uma direção determinada em cada ponto do espaço. O campo é segregado em um número infinito de anéis ligados, cada um com sua própria direção de campo. A estrutura resultante é topologicamente estável, uma vez que não pode ser desmembrada sem quebrar os anéis. Em outras palavras, não se pode desatar o nó dentro do superfluido, a menos que se destrua o estado da matéria quântica.

  • Para realizar esta descoberta, expusemos um condensado de Rubídio a rápidas mudanças de um campo magnético especialmente projetado, atando o nó em menos de um milésimo de segundo. Depois que aprendemos a atar o primeiro nó, nos tornamos particularmente destros em fazê-lo. Até agora, atamos várias centenas desses nós – diz o Professor David Hall, Amherst College.

Os cientistas ataram o nó, espremendo a estrutura do condensado a partir das suas bordas. Para tanto, foi necessário inicializar o campo quântico apontando para uma direção em particular, após o que o campo magnético aplicado foi subitamente redirecionado, de forma a criar um ponto nulo isolado, no qual o campo magnético desaparece, no centro da nuvem. Foi necessário esperar por menos de um milissegundo para que o campo magnético operasse seu truque e atasse o nó.

  • Ao longo de décadas, os físicos vinham fazendo previsões teóricas de que seria possível haver nós em campos quânticos, porém jamais alguém conseguiu criar um. Agora que observamos um desses bichos exóticos, estamos realmente entusiasmados para estudar suas propriedades particulares. O mais importante é que nossa descoberta se conecta a vários conjuntos de campos de pesquisas que incluem cosmologia, energia de fusão e computadores quânticos – diz o lider do grupo de pesquisas Mikko Möttönen, Aalto University.

Nós têm fascinado e sido usados pelas civilizações humanas por milhares de anos. Por exemplo, eles permitiram grandes expedições marítimas e inspiraram desenhos e padrões intincados. A antiga civilização Inca usava um sistema de nós, conhecidos como quipu, para armazenar informações. Nos tempos modernos, se acreditava que os nós deviam desempenhar um importante papel nas fundações da natureza em termos de mecânica quântica, muito embora eles até agora permaneçam ocultos na dinâmica quântica.

Na vida cotidiana, os nós são normalmente atados em cordas e fios com duas extremidades. No entanto, esses tipos de nós não são o que os matemáticos chamam de topologicamente estáveis, uma vez que podem ser desatados sem se cortar as cordas. Nos nós estáveis, as extremidades das cordas são coladas, uma com a outra. Estes nós podem ser movimentados dentro da corda, mas só podem ser destados com uma tesoura.

Em termos matemáticos, o nó quântico criado realiza um mapa, conhecido como fibração de Hopf, descoberto por Heinz Hopf em 1931. A fibração de Hopf ainda é largamente estudada na física e na matemática. Agora ela foi experimentalmente demonstrada pela primeira vez em um campo quântico.

  • Este é o começo da saga dos nós quânticos. Seria ótimo ver aparecerem ainda mais nós quânticos ainda mais sofisticados, tais como aqueles com núcleos atados. Também seria importante criar esses nós em condições onde o estado da matéria fosse inerentemente estável. Um tal sistema permitiria estudos detalhados da estabilidade do próprio nó – diz Mikko Möttönen.

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Artigo sobre a pesquisa:

D. S. Hall, M. W. Ray, K. Tiurev, E. Ruokokoski, A. H. Gheorghe, e M. Möttönen

“Tying Quantum Knots”

Nature Physics, DOI: 10.1038/NPHYS3624

Link: http://dx.doi.org/10.1038/nphys3624

(A versão submetida para publicação pode ser encontrada em http://arxiv.org/abs/1512.08981)

Vídeo e imagens:

https://www.youtube.com/watch?v=fFIAINR6rTY

http://materialbank.aalto.fi:80/public/95cc3f59c88F.aspx

Como a luz se comporta em um espaço curvo

Pesquisadores da FAU investigam como a luz se comporta no espaço curvo

UNIVERSIDADE DE ERLANGEN-NUREMBERG

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Na imagem desta experiência, um feixe laser se propaga ao longo da superfície bidimensional de um objeto com o formato de uma ampulheta, curvando-se em torno do meio do objeto. Isso é um exemplo de objeto com curvatura negativa (tal como uma sela, por exemplo), em contraste com um objeto com curvatura positiva, tal como uma esfera.
CRÉDITO DA IMAGEM: Vincent Schultheiß

Quando querem investigar a influência da gravidade sobre a propagação da luz, usualmente os pesquisadores têm que se valer de distâncias astronômicas e massas enormes. Porém os físicos da Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) e da Universidade Friedrich Schiller, Jena, demonstraram que há outro meio. Em uma recente edição da publicação Nature Photonics eles encontraram as respostas para as questões astronômicas no laboratório, mudando a abordagem para uma propriedade pouco lembrada dos materiais: a curvatura da superfície.

Segundo a Teoria da Relatividade Geral de Einstein, a gravidade pode ser descrita como uma curvatura do espaço-tempo em quatro dimensões. Nesse espaço curvo, os corpos celestes e a luz se movem ao longo de geodésicas, o caminho mais curto entre dois pontos, que frequentemente se parecem com qualquer outra coisa, menos uma linha reta, quando vistas de fora.

A equipe de pesquisadores, liderada pelo Prof. Dr. Ulf Peschel da Universidade Friedrich Schiller, Jena, se valeu de um truque especial para examinar a propagação da luz em tais espaços curvos no laboratório. Em lugar de modificar todas as quatro dimensões do espaço-tempo, eles reduziram o problema a duas dimensões e estudaram a propagação da luz ao longo de superfícies curvas. Porém nem todas as superfícies curvas são a mesma coisa. “Por exemplo, se pode facilmente abrir um cilíndro ou um cone em uma folha de papel plana. Mas é impossível abrir uma superfície esférica em um plano, sem dividí-la ou distorcê-la”, explica Vincent Schultheiß, estudante de doutorado na FAU e principal autor do estudo. “Um exemplo bem conhecido disso são os mapas do mundo que sempre retratam a superfície de modo distorcido. A curvatura da superfície de uma esfera é uma propriedade intrínseca que não pode ser modificada e tem efeitos na geometria e na física em uma superfície bidimensional como ela”.

A experiência dos pesquisadores examinou os efeitos dessa curvatura intrínseca do espaço sobre a propagação da luz. Para fazer isso, eles capturaram a luz em uma pequena área próxima da superfície de um objeto especialmente preparado e a forçaram a seguir o curso da superfície. Na medida em que a luz se propagou, se comportou da mesma forma que o faz quando é defletida por grandes massas. Mudando-se a curvatura da superfície é possível controlar a propagação da luz. Consequentemente, também é possível deduzir o grau de curvatura de uma superfície pela análise da propagação da luz. Quando se aplica isso às observações astronômicas, significa que a luz que chega até nós das estrelas distantes traz consigo valiosas informações sobre o espaço que ela atravessou.

Em seu trabalho os pesquisadores estudaram a interferometria de intensidade, campo onde os pioneiros foram os físicos ingleses Robert Hanbury Brown e Richard Twiss, que é usada para determinar o tamanho das estrelas próximas do Sol. Nesta técnica de medição, posiciona-se dois telescópios afastados entre si e focalizados na estrela a ser examinada. Então se compara as flutuações na intensidade da luz medida pelos dois telescópios. Como as flutuações da intensidade são resultantes das interferências da luz emitida separadamente pela superfície da estrela – visualizada como um padrão de pontos de luz nas imagens produzidas – isto permite tirar conclusões sobre o tamanho do objeto observado.

Como as trajetórias da luz em um espaço curvo tendem a convergir ou divergir muito mais do que em um espaço plano, o tamanho dos pontos muda em função da curvatura. Os pesquisadores demonstraram que cohecer a curvatura é crucial para a interpretação dos resultados e que a interferometria é adequada para a medição mais exata da curvatura do unverso em geral.

Se os resultados desta pesquisa irão mesmo levar a uma melhor compreensão do universo, é algo ainda escrito nas estrelas. “O principal objetivo da pesquisa era transferir as descobertas com base na Teoria da Relatividade para a ciência de materiais, por meio da cuidadosa modelagem das superfícies dos objetos”, explica o Professor Peschel. Embora esses dois campos pareçam totalmente sem relação, a uma primeira vista, projetos planos são muito mais fáceis de construir. No entanto, superfícies curvas têm um potencial que ainda não foi explorado e poderiam ser usadas para controlar a luz em sistemas óticos, por exemplo. Criar variações locais na curvatura da superfície pode frequentemente ter o mesmo efeito que mudar o próprio volume do material.  Isto pode permitir a redução no número de etapas e na quantidade de materiais empregados na manufatura de circuitos óticos integrados, ou componentes micro-óticos.

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Mais sobre a “ação fantasmagórica à distância” (agora, do NIST)

EurekAlert

Equipe do NIST comprova que a “fantasmagórica ação à distância” é mesmo real

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Krister Shalm, físico do NIST, com a fonte de fótons usados no “experimento de Bell” que dá forte apoio a uma predição chave da mecânica quântica: as “fantasmagóricas ações à distância” realmente existem. Crédito da imagem: Burrus/NIST

 

BOULDER, Colorado. – Einstein estava errado, pelo menos em uma coisa: existem de fato as “fantasmagóricas ações à distância”, conforme comprovado recentemente pelos pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (National Institute of Standards and Technology = NIST).

Einstein usou esse termo para se referir à mecânica quântica que descreve o curioso comportamento das menores partículas de matéria e da luz. Ele se referia especificamente ao entrelaçamento, a ideia que duas partículas separadas fisicamente podem ter propriedades correlacionadas, com valores incertos até que sejam medidos. Einstein duvidava que isso fosse possível e, até agora, os pesquisadores não tinham sido capazes de comprovar que isso acontecia com confiabilidade quase total.

Tal como descrito em uma artigo publicado online e apresentado para publicação na Physical Review Letters (PRL),* os pesquisadores do NIST e de várias outras instituições criaram pares de partículas de luz idênticas (fótons) e as enviaram a dois locais diferentes para medição. Os pesquisadores demonstraram que os resultados medidos não só tinham correlação entre si, como também — pela eliminação de quaisquer outras opções conhecidas — essas correlações não podem ser causadas pelas condições locais controladas do universo “realístico” onde Einstein pensava que habitamos. A descoberta implica em uma explicação diferente, tal como o entrelaçamento.

Os experimentos do NIST são chamados de experimentos de Bell, assim chamados porque em 1964 o físico irlandês John Bell demonstrou que existem limites para as correlações em medições que podem ser atribuídas às condições locais pré-existentes (ou seja, “realísticas”). Além desses limites, as correlações precisariam ou de sinais mais velozes do que a luz – coisa que os físicos consideram impossível – ou de outro mecanismo, tal como o entrelaçamento quântico.

A equipe de pesquisa alcançou este feito ao fechar simultaneamente todas as três principais lacunas que assolavam todos os testes de Bell anteriores. O fechamento das lacunas se tornou possível com os recentes avanços na tecnologia, inclusive os detectores ultra-rápidos de fótons do NIST que podem detectar com precisão ao menos 90% dos sinais muito fracos e novas ferramentas para escolher aleatoriamente as regulagens dos detectores.

“Não se pode comprovar a mecânica quântica, mas realismo local ou ações ocultas locais são incompatíveis com nosso experimento” declarou Krister Shalm do NIST. “Nossos resultados estão de acordo com as predições da mecânica quântica acerca das ações fantasmagóricas partilhadas por partículas entrelaçadas”.

O artigo do NIST foi apresentado à PRL juntamente com outro artigo da Universidade de Vienna na Áustria que usou um detector de fótons individuais de alta-performance fornecido pelo NIST para a realização de um experimento de Bell que obteve resultados semelhantes.

Os resultados do NIST têm relevância ainda maior do que os recentemente relatados pela Universidade Teconológica Delft da Holanda.

No experimento do NIST, a fonte de fótons e os dois detectores ficaram localizados em três salas diferentes e bem distantes, no mesmo piso de um grande prédio de laboratórios. Os dois detectores ficaram separados por 184 metros entre si e a 126 e 132 metros, respectivamente, da fonte de fótons.

A fonte criou um feixe de fótons por meio de um processo onde um raio laser estimula um tipo especial de cristal. Habiltualmente este processo cria pares de fótons que estão entrelaçados, de modo que a polarização de cada fóton é altamente correlacionada com a do outro fóton do par. A polarização se refere à orientação específica de fóton, tal como horizontal ou vertical (por exemplo, óculos de Sol bloqueiam preferencialmente a luz polarizada na horizontal), em analogia com os dois lados de uma moeda.

Os pares de fótons eram então separados e enviados por cabos de fibra óptica até os detectores separados nas duas salas distantes. Enquanto os fótons estavam em curso, um gerador de números aleatórios escolhia um dos dois ajustes de polarização para cada analisador. Se o fóton concordasse com o ajuste do analisador, ele foi detectado em mais de 90% das vezes.

Na melhor sequência de teste, ambos os detectores identificaram simultaneamente fótons em um total de 6.378 vezes em um período de 30 minutos. Outros resultados (tais como apenas um dos detectores disparar) ocorreram em apenas 5.749 vezes em um total de 12.127 eventos relevantes. Os pesquisadores calcularam que a chance máxima do realismo local produzir esses resultados é de apenas 0,0000000059, ou cerca de 1 em 170 milhões. Este resultado excede o padrão da comunidade da física para um significado de “5 sigma”, necessário para declarar algo como uma descoberta. Os resultados descartam firmemente as teorias de realidade local, sugerindo que a explicação da mecânica quântica do entrelaçamento é, sem dúvida, a explicação correta.

O experimento do NIST fechou as três principais lacunas conforme o seguinte:

Amostragem significativa: graças aos detectores de fótons únicos do NIST, o experimento teve eficiência suficiente para assegurar que os fótons detectados e os resultados das medições fossem representativos dos totais reais. Os detectores, feitos de nano-fios supercondutores, tinham uma eficácia de 90% e a eficácia total do sistema foi de 75%.

Exclusão da comunicação mais rápida que a luz: os dois detectores mediram os fótons de um mesmo par com umas poucas centenas de nanosegundos de diferença, encerrando a medição mais de 40 nanossegundos antes que qualquer comunicação à velocidade da luz pudesse ocorrer entre os detectores. Informações à velocidade da luz levariam 617 nanossegundos para cobrir a distância entre os detectores.

Liberdade de escolha: os ajustes dos detectores eram escolhidos mediante geradores de números aleatórios que funcionavam fora do cone de luz (ou seja, da possível influência) da fonte de fótons e, portanto, ficavam isentos de qualquer manipulação. (Na verade, o experimento demonstrou uma “máquina de violação [do teorema] de Bell” que o NIST planeja eventualmente utilizar para certificar aleatoriedade).

Para se assegurar, além de tudo, que variáveis ocultas, tais como flutuações na rede elétrica, não influenciaram os resultados, os pesquisadores realizaram sequências adicionais de testes misturados com outras fontes de aleatoriedade – dados de filmes populares, shows de TV e os dígitos de Pi. Nada disso modificou os resultados.

O experimento foi realizado no campus do NIST em Boulder, Colorado, onde os pesquisadores construíram um dos detectores de fótons e deram apoio teórico. Os pesquisadores do Jet Propulsion Laboratory (Pasadena, Califórnia) construíram o outro detector. Pesquisadores do quartel-general do NIST em Gaithersburg, Maryland, construíram geradores de números aleatórios e os circuitos a eles relacionados. Pesquisadores da Universidade do Illinois em Urbana-Champaign  e das Universidades Waterloo e de Moncton no Canadá, ajudaram a desenvolver a fonte de fótons e a realizar os experimentos. Pesquisadores do Instituto de Ciência e Tecnologia de Barcelona, Espanha, desenvolveram outro gerador de números aleatórios.

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Artigo a ser publicado: K. Shalm, E. Meyer-Scott, B.G. Christensen, P. Bierhorst, M.A. Wayne, D.R. Hamel, M.J. Stevens, T. Gerrits, S. Glancy, M.S. Allman, K.J. Coakley, S.D. Dyer, C. Hodge, A.E. Lita, V.B. Verma, J.C. Bienfang, A.L. Migdall, Y. Zhang, W.H. Farr, F. Marsili, M.D. Shaw, J.A. Stern, C. Abellan, W. Amaya, V. Pruneri, T. Jennewein, M.W. Mitchell, P.G. Kwiat, R.P. Mirin, E. Knill e S.W. Nam. A strong loophole-free test of local realism. Enviado para publicação em Physical Review Letters.

O “tecido” da realidade pode ser mais fantasmagórico do que pensamos

Inside Science News Service

Por Ben P. Stein, Diretor do ISNS
Crédito da Imagem: Nick Ares via Flickr | http://bit.ly/1iI4N68

(Inside Science) – Eu ando questionando algumas noções básicas acerca da natureza da realidade depois de ler “Spooky Action at a Distance,” (“Fantasmagórica Ação à Distância”), um novo livro escrito por meu amigo e colega George Musser. Eu me junto a vários outros em ver Musser como um dos melhores escritores de ciências que cobrem a pesquisa de ponta da física. (A título de apresentação adicional, ele pertenceu ao comitê do American Institute of Physics que aconselhava o Inside Science.) Seu livro contém ideias fascinantes que ampliam nossos horizontes, e eu passei vários dias pensando sobre elas afinal.

Fazendo uma síntese de várias ideias do “estado-da-arte” da pesquisa de física, Musser apresenta uma argumentação altamente plausível de que nossa percepção do espaço pode ser uma ilusão. Por “espaço”, eu não quero dizer apenas o espaço exterior, mas todo o mundo que nos cerca, inclusive as três dimensões de seu quarto, a colorida paisagem de sua janela e a distância entre sua casa e seu local de trabalho. É isso mesmo: seu percurso diário pode ser fundamentalmente apenas uma ilusão, de acordo com essas teorias emergentes. Ainda são necessários tempo e eenrgia para chegar onde você precisa ir, mas o que você vê da janela de seu meio de transporte pode não ser exatamente aquilo que parece.

Esse tipo de re-pensamento radical não é sem precedentes. Já passamos por uma situação similar com a gravidade. No quadro da gravidade de Isaac Newton, um que ele achou preocupante naquela época, dois objetos tais como a Terra e o Sol exerciam uma atração mútua, muito embora estivessem separados por uma grande distância: Era como se eles estivessem atuando um sobre o outro por meio de um campo de força invisível. No quadro muito diferente da gravidade de Einstein, a massa do Sol distorece a tessitura do sistema solar como uma bola de boliche sobre uma lona. A Terra e os outros planetas rolam por sobre essa lona deformada, produzindo a ainda convincente ilusão de que suas órbitas são causadas por um campo de força invisível.

Sabendo disso, não é surpresa alguma que os físicos estejam re-imaginando o conceito de espaço. Mas ainda é chocante ler a explicação de Musser de que esse “espaço” pode nem existir fundamentalmente. O livro cita o cosmologista e escritor da Caltech Sean Carroll que declarou: “O espaço é totalmente superestimado… é totalmente falso. O espaço é apenas uma aproximação que julgamos útil em certas circunstâncias”

Conquanto eu continue ao menos um pouco cético — o espaço parece funcionar perfeitamente bem na descrição do universo em torno de nós — o livro apresenta argumentos que nos fazem coçar a cabeça e reconsiderar a tessitura da realidade. Existem anomalias suficientes no universo para me fazerem parar para tomar fôlego. E, como aponta Musser, Albert Einstein foi um dos primeiros para apontá-las.

Nos anos 1930, Einstein usou a expressão “ação fantasmagórica à distância” para descrever as possíveis consequências da mecânica quântica. Na então emergente descrição do mundo submicroscópico, duas partículas, separadas em seu nascimento — criadas em um processo como o decaimento de um átomo — podem continuar a afetar uma à outra, mesmo que viajem para lados opostos do universo. Elas seriam capazes de influenciar uma a outra ainda mais rápido do que a luz poderia cobrir a distância entre elas. Um Einstein cético cunhou a expressão “fantasmagórica” para aquilo que ele via como essa previsão estranha da mecânica quântica. Ele pensava que uma teoria mais completa da natureza seria capaz de descartar essa aparente violação do limite máximo de velocidade, a velocidade da luz. No entanto, os experimentadores confirmaram esta “ação fantasmagórica” — melhor conhecida como entrelaçamento quânticorealmente acontece.

Agora, os físicos que lidam com pesquisas de ponta, estão cada vez mais descobrindo que esse tipo de fantasmagoria pode ser capaz de descrever a realidade ainda melhor do que o famoso físico poderia imaginar, o que afeta nossas mais profundas noções sobre espaço.

A distância entre objetos — ou sua proximidade — pode ser tudo uma ilusão, de acordo com a pesquisa que Musser descreve em seu livro.

Recentemente, os físicos descobriram que fica muito mais fácil calcular os resultados de deacimentos múltiplos de partículas super-complicados,  se não levarmos em conta o espaço local em torno delas. Anteriormente, os físicos (e os estudantes de pós-graduação em física) estudariam exaustivamente cada vizinho de cada partícula nesses decaimentos, porém, se ingorarmos sua aparente configuração no espaço, se pode chegar às mesmas respotas corretas de modo muito mais fácil.

E então temos a baleia branca da física — o buraco negro. Um alvo de intensos estudos, esses objetos podem guardar os segredos de várias coisas, inclusive o entrelaçamento. Os buracos negros engolem a matéria com voracidade, mas… para onde ela vai? Muito embora a teoria corrente sugira que o centro de um buraco negro contenha algo totalmente contra-intuitivo — um ponto de densidade infinita conhecido como singularidade — os físicos sabem que estão deixando escapar algo acerca de buracos negros. Pode ser que nosso conceito de espaço como um armazém de matéria, seja parte do problema?

Musser aponta o fato de que um buraco negro com dias vezes a massa de outro buraco negro, deveria ser oito vezes maior, da mesma forma que, se soprarmos um balão até que tenha o dobro do raio original, ele ficará oito vezes maior. Porém um buraco negro com o dobro do raios de outro parece ter apenas o dobro da massa, o que faz parecer que ele está armazenando menos massa do que o esperado. Isso sugere várias possibilidades, tais como a matéria ir para outro lugar no universo — ou talvez algum aspecto de sua aparência externa seja ilusório. Felizmente, o comportamento da superfície externa de um buraco negro — o horizonte de eventos — parece ser um terreno fertil para compreender todo o buraco negro e descobrir uma nova física. E isto nos traz ao que realmente pode estar acontecendo com o espaço.

Tal como a superfície externa do buraco negro pode explicar o que acontece em seu interior, a teoria do “universo holográfico” sugere que o interior de nosso universo pode ser descrito pela compreensão da física das bordas do universo que, infelizmente, não podemos acessar. Como analogia, imaginemos se pudessemos compreender absolutamente tudo o que se passa dentro da Terra, se compreendessemos o comportamento de sua superfície. A Terra tem três dimensões, mas sua superfície é descrita por duas — latitude e longitude. Similarmente, as fronteiras do universo observável teriam essa uma dimensão a menos que seu interior, porém pode ser que ela pudesse explicar completamente seu funcionamento, de acordo com o princípio holográfico.

Seguindo linhas de raciocínio similares, no livro de Musser, o filósofo Jenann Ismael se pergunta se o universo é semelhante a um caleidoscópio, onde a luz atinge objetos individuais e reflete em espelhos criando múltiplas imagens idênticas. Talvez o entrelaçamento que ocorre entre duas partículas a grandes distâncias, seja na verdade, em um nível mais fundamental, a projeção de uma única coisa sobre algo que percebemos como dois pontos distintos no espaço.

Então, será o espaço realmente uma ilusão? Nós supusemos que o espaço é um ingrediente fundamental da realidade, tal como uma tela para uma pintura. A teoria recentemente proposta, porém ainda rudimentar, da “grafidade quântica” (um torcadilho de gravidade quântica e teoria dos grafos) tenta combinar a mecânica quântica e a gravidade, ignorando o espaço e simplesmente explorando os relacionamentos entre objetos conhecidos como “grãos”, que são os “dublês” para os constituentes fundamentais tais como a matéria. Os grãos podem formar uma rede de conexões com outros grãos; um grão pode interagir com outro grão de eles tiverem energia suficiente. O que percebemos como uma distância física, seria, na verdade, a quantidade de energia para que esses dois objetos interajam.

Qual é minha opinião sobre tudo isso? Falando como escritor de ciências que cobriu um bocado de pesquisas em física, porém sem um Ph.D. em física, sem embargo, tenho algumas reservas. O espaço desempenha um ótimo serviço em nos ajudar a compreender a realidade. Eu não me sinto à vontade em descartar postulados válidos acerca do espaço, na tentativa de acomodar alguns casos importantes. Fenômenos tais como buracos negros e entrelaçamento são muito importantes, mas eles parecem representar exceções especiais e incomuns do universo e não a maior parte do que existe ou acontece. Por exemplo, os físicos lutam para construir um computador quântico porque é difícil entrelaçar mais do que uma dúzia de átomos, mesmo por um breve período de tempo. Um efeito preponderante, chamado de decoerência, não abordado no livro relativamente breve de Musser, frequentemente estraga o efeito do entrelaçamento, antes que as partículas possam fazer qualquer fantasmagoria.

Por outro lado, existem questões importantes não resolvidas no universo, inclusive como partículas parecerem poder se comunicar mais rápido que a velocidade da luz. Então, talvez precisemos de uma teoria mais abrangente para explicar tudo. No caso da gravidade, a ilusão de que o Sol puxa a Terra e os planetas, funciona bem para a maioria dos propósitos, mesmo em termos científicos. Só são basicamente necessárias as três leis de Newton para pousar na Lua. Entretanto, quando se quer explicar sutilezas tais como os estranhos movimentos de Mercúrio em torno do Sol que não podem ser resolvidos pelas equações de Newton, precisamos da relatividade geral de Einstein.

Se o espaço não é o que parece, então o que é? Minha melhor analogia seria um grupo de crianças jogando “Minecraft” em diferentes computadores. Elas podem perceber que estão construindo juntas uma bela casa em 3-D, uma que todas podem ver, mas o que fundamentalmente está acontecendo é que elas estão dando inputs em seus computadores e recebendo outputs dele. A casa não existe realmente — o que realmente acontece é apenas uma série de inputs e outputs em seus computadores.

Como alternativa, imagine estar no holodeck de Star Trek, uma câmara na qual são projetadas imagens de forma a causar uma ilusão de realidade em 3-D. O holodeck parece completamente real para aqueles que estão dentro dele e os personagens de Star Trek têm experiências válidas nele. Mas na verdade é tudo uma ilusão. Dessa forma, a experiência no holodeck é inteiramente válida para aqueles imersos naquela realidade virtual, mas a realidade maior é outra coisa está realmente acontecendo.

De forma tal que é uma questão em aberto se seu trajeto para o trabalho pode ser uma questão de ter suficiente energia e tempo para chegar lá — e pode não qualquer relação com espaço. Talvez esteja na hora de pensarmos novamente no espaço — o livro de Musser certamente vai encorajá-lo a fazer isso.


Ben P. Stein é o diretor do Inside Science e cobriu ciências físicas como escritor e editor desde 1991. Seu twitter é @bensteinscience.

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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