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A Terra é composta por dois planetas fundidos, sugere nova pesquisa

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A Terra é composta por dois planetas fundidos, sugere nova pesquisa

Os astrônomos que estão investigando como a Lua se formou encontraram evidências de que ela surgiu depois de um pequeno planeta ter atingido a Terra há 4,5 bilhões de anos atrás. E a pesquisa sugere que esta colisão foi tão violenta que o tal planeta que nos atingiu, chamado de Theia, acabou fundindo-se com a Terra. A ideia de que a Lua apareceu após parte da Terra ter sido retirada em uma colisão violenta, não é nova, mas será que o corpo responsável por isso continuou vagando pelo espaço? Esse novo estudo diz que não, ou seja, Theia na verdade, nunca nos deixou.

Para chegar a tais resultados, a equipe analisou rochas lunares trazidas de volta à Terra pelas missões Apollo, assim como seis rochas vulcânicas do manto da Terra. Eles estavam olhando para que o oxigênio contidos nas rochas – o que significa que os pesquisadores estavam contando o número de prótons e nêutrons em átomos de oxigênio. Isso é importante, porque as rochas em cada corpo planetário em nosso Sistema Solar tem uma relação única – é um tipo de “impressão digital” – de isótopos de oxigênio. Por exemplo, mais de 99,9% do oxigênio da Terra é O-16, o que significa que cada átomo contém oito prótons e oito nêutrons. Mas há também pequenas quantidades de O-17 e O-18 na Terra. E é a relação entre O-16 e O-17 que os cientistas podem usar para trabalhar.

Se Theia simplesmente arrancou um lado da Terra para produzir a Lua, como previsto anteriormente, nosso satélite natural seria composto principalmente de Theia, e as rochas terrestres e lunares teriam diferentes vestígios de isótopos de oxigênio. Mas este não foi o caso. “Nós não vemos qualquer diferença entre isótopos de oxigênio da Lua e da Terra, eles são indistinguíveis”, disse o pesquisador Edward Young.

Em vez disso, as conclusões propostas em 2012, afirmam que Theia e a Terra foram realmente envolvidas em uma colisão frontal, em vez de lateral e acabou fundindo-se como resultado. Por enquanto, nós ainda não sabemos muito sobre Theia. A equipe de pesquisadores acreditam que esse “embrião planetário” foi semelhante em tamanho à Terra, enquanto outros acreditam que ele estava mais perto do tamanho de Marte.

Acredita-se que Theia estava crescendo de uma forma proporcional, e se tivesse sobrevivido ao acidente, ele teria se tornado um planeta. Se confirmada, a pesquisa vai mudar a nossa compreensão de como o nosso planeta se formou e evoluiu. Se Theia não tive colidido com a Terra, nós não chegaríamos onde estamos hoje, é fascinante pensar sobre todos os acidentes que tiveram que se unir para resultar em vida na Terra. [ScienceAlert]

Veja mais aqui http://climatologiageografica.com.br/a-terra-e-composta-de-dois-planetas-fundidos-sugere-nova-pesquisa/#ixzz3z170iuRY

Força Nuclear Forte, o que é ?

O que é a Força Forte?

O que mantém o núcleo de um átomo unido? Lembre-se que o núcleo atômico é formado por prótons e neutrons. Os neutrons não possuem carga elétrica mas os prótons são partículas dotadas de carga positiva. Deste modo, existe uma intensa força de repulsão eletromagnética entre os prótons. Porque motivo, então, o núcleo de um átomo é estável?

Na verdade, os físicos notaram que a estabilidade nuclear é produzida pela presença de um novo tipo de interação entr…e partículas, a força nuclear forte, também chamada de força nuclear, de interação nuclear ou de força forte. É esta interação que mantém o núcleo atômico unido.

A estabilidade nuclear está associada à força forte. Se ela não existisse, os núcleos atômicos não existiriam pois é ela que mantém o núcleo unido. Na ausência da força forte, a força dominante no núcleo seria a interação eletromagnética. Como os prótons possuem a mesma carga positiva, eles sofreriam uma intensa repulsão que provocaria o seu rápido afastamento impedindo que eles se aglutinassem para, juntamente com os neutrons, produzirem os núcleos. E, obviamente, se os núcleos atômicos não existissem, os átomos não existiriam, nem as moléculas (que são formadas por átomos).

Deste modo, os seres humanos, que são formados por moléculas, também não existiriam. Pior ainda, se a força forte não existisse a matéria que forma o Universo, tal como o conhecemos, também não existiria uma vez que até mesmo os prótons e os neutrons não conseguiriam se formar. Lembre-se que os prótons e nêutrons são formados por quarks e a interação entre os quarks se dá por meio da força forte.

Se a força forte não existisse o Universo ainda poderia existir só que ele seria formado por um enorme conjunto de partículas que se deslocariam através ele, eventualmente interagindo mas não produzindo as formas de matéria que hoje conhecemos.

 

Foto de Ciência e Astronomia.

O que os neutrinos revelam?

Por Euclécio Josias Rodrigues

out 17, 2015

Créditos da imagem: Kamioka Observatory, ICRR, The University of Tokyo

Por Lawrence M. Krauss no The New Yorker
Traduzido por Diógenes Henrique e Euclécio Josias

Esta semana, o Prêmio Nobel de Física 2015 foi atribuído conjuntamente a Takaaki Kajita e Arthur B. McDonald pela descoberta de que as partículas elementares chamadas neutrinos têm massa. Este é, notavelmente, o quarto Prêmio Nobel associado à medição experimental de neutrinos. Alguém pode ser perguntar porque devemos nos preocupar tanto com estas partículas fantasmagóricas, que quase não interagem com a matéria normal.

Apesar da existência de neutrinos ter sido prevista em 1930 por Wolfgang Pauli, ela não foi observada experimentalmente até 1956. Isso porque neutrinos passam quase sempre através da matéria sem parar. A cada segundo de cada dia, mais de 6 trilhões de neutrinos fluem através de seu corpo, vindo diretamente do núcleo ardente do Sol, mas a maioria deles passam diretamente através de nossos corpos e da Terra, sem interagir com as partículas a partir da qual esses objetos são feitos. Na verdade, em média, esses neutrinos seriam capazes de atravessar mais de mil anos-luz de chumbo antes de interagir uma vez sequer com algum.

O próprio fato de que podemos detectar essas partículas efêmeras é um testamento ao engenho humano. As regras da mecânica quântica são probabilísticas, sabemos que, de todos os neutrinos que vão passar através da Terra, apenas alguns vão interagir com ela. Um detector suficientemente grande pode observar tal interação. O primeiro detector de neutrinos do Sol foi construído na década de 60, no fundo de uma mina em Dakota do Sul. Uma área da mina estava cheia de cerca de 378 mil litros de solvente. Por dia, em média, um neutrino iria interagir com um átomo de cloro no líquido, transformando-o em um átomo de argônio. De uma forma incrível, o físico no comando do detector, Raymond Davis Jr., descobriu como detectar esses poucos átomos de argônio, e, quatro décadas mais tarde, em 2002, ele foi agraciado com o Prêmio Nobel de Física por esta proeza técnica incrível.

Pelo fato dos neutrinos interagirem muito fracamente, eles podem viajar distâncias imensas. Eles nos fornecem uma janela para locais que nunca seríamos capazes de ver. Os neutrinos que Davis Jr. detectou foram emitidos por reações nucleares no centro do Sol, escaparam deste lugar incrivelmente denso e quente apenas porque raramente interagem com outra matéria. Somos capazes de detectar neutrinos emergentes do centro de uma estrela explodindo a mais de 100 mil anos-luz de distância.

Os neutrinos também nos permite observar o universo em suas menores escalas – muito menor do que aquelas que podem ser sondadas mesmo com o LHC (Large Hadron Collider), em Genebra, que, há três anos, descobriu o bóson de Higgs. E é por esta razão que o Comitê do Nobel decidiu atribuir o Prêmio Nobel deste ano para mais uma descoberta do neutrino.

Quando Ray Davis observou neutrinos solares, ele só detectou cerca de um terço dos muitos ele esperava encontrar. A maioria dos físicos pensava que isso era devido ao pouco conhecimento de astrofísica do interior do Sol: possivelmente os modelos do interior solar haviam superestimado o número de neutrinos produzidos lá. No entanto, ao longo dos anos, assim como os modelos solares se tornaram melhores, o déficit de neutrinos persistiu. Os físicos começaram a considerar a possibilidade inversa: que o problema tinha a ver com a nossa compreensão dos neutrinos. De acordo com o modelo predominante de Física de Partículas – o modelo padrão – neutrinos não possuem massa. Alguns físicos argumentaram que, talvez, alguns neutrinos tinham, de fato, massa infinitesimal, e que essa massa, e as suas consequências, representam os neutrinos desaparecidos em nossos detectores.

Segundo esta teoria — a teoria de oscilações de neutrinos — existem três tipos diferentes de neutrinos na natureza, e, se o neutrino possui massa pequena, ela pode converter de um tipo para outro, enquanto viaja através do espaço. Os três tipos de neutrinos são neutrino do elétron, neutrino do múon e neutrino do tau; cada tipo de neutrino pode converter em sua correspondente partícula carregada (elétrons, múons ou léptons tau) quando interage com a matéria comum. A “oscilação” vem graças à mecânica quântica. O tipo do neutrino, qualquer que seja, não é fixo. Em vez disso, ele muda conforme o tempo passa. Um neutrino que, por exemplo, começa como um neutrino do elétron pode evoluir para um neutrino do múon, e, em seguida, voltar novamente. Desta forma, um neutrino do elétron produzido no núcleo do Sol pode “oscilar” periodicamente em um neutrino do múon, e vice-versa, em sua viagem do Sol à Terra. Uma vez que o detector de Davis só poderia detectar um tipo de neutrino — o neutrino do elétron, que poderia causar uma transmutação entre o cloro e argônio — é possível que os neutrinos desaparecidos, que não tinham sido detectados, haviam se convertido em outros tipos de neutrinos em sua longa viagem. Na década de 80, meu colega Sheldon Glashow e eu [Lawrence M. Krauss] cunhamos a frase “tão somente oscilações de neutrinos” para descrever este processo. (Como se vê, agora sabemos que os neutrinos oscilam dentro do Sol, em vez de no caminho para a Terra.)

A única maneira de ter certeza era construir um detector que trabalha com os três tipos de neutrinos. Começando na década de 90, Arthur McDonald, da Queen’s University, em Ontário, liderou uma equipe que construiu um, em uma mina, em Sudbury, Ontario. Ele continha toneladas de água pesada (óxido de deutério), fornecidas como empréstimo do governo canadense. A água pesada é uma forma de água rara que ocorre naturalmente na qual o hidrogênio, contendo um único próton, é substituído por seu primo mais pesado, o deutério, o qual contém um próton e um nêutron. O governo canadense estocou água pesada como um líquido de arrefecimento para uso em seus reatores nucleares. Todos os três tipos de neutrinos poderiam desmontar o deutério na água pesada, quebrando-o em pedaços de um próton e um nêutron, e os nêutrons poderiam, então, ser contados. O detector observou cerca de três vezes mais que o número de neutrinos encontrados por Davis — em outras palavras, eles descobriram a quantidade prevista pelos melhores modelos solares. Isto sugeriu que neutrinos do elétron podem, de fato, oscilar em outros tipos de neutrinos.

Na mesma época, outro experimento notável se desenrolava, liderado por Takaaki Kajita, da Universidade de Tóquio. Centrado em um detector criado dentro de uma mina no Japão, projetado para detectar neutrinos provenientes não apenas do Sol, mas a partir da atmosfera superior. Como os prótons de raios cósmicos colidem com a atmosfera, eles produzem chuvas de outras partículas — incluindo neutrinos do múon. Na mina, esses neutrinos do múon são desviados para fora dos núcleos de hidrogênio na água, convertendo em múons. O experimento Kajita teve uma guinada inteligente: seu detector poderia observar neutrinos vindos em duas direções. Alguns vinham de cima para baixo, diretamente da atmosfera, e outros vinham de baixo para cima, tendo passado pela Terra. A frequência para os dois eventos eram diferentes, isso mostrava aos pesquisadores que os neutrinos que tinham viajado distâncias diferentes eram os que chegaram ao detector como diferentes tipos de neutrinos. Eles estavam em pontos diferentes em seus ciclos de oscilação.

Estas são coisas exóticas e incríveis, mas por que as oscilações neutrino e a massa dos neutrinos são dignas de interesse popular ou, até mesmo, científico? A razão é simples. No modelo padrão da física de partículas, desenvolvido ao longo dos últimos cinquenta anos do século XX — modelo que descreveu corretamente todas as outras observações que tem sido feitas nos aceleradores de partículas e em outros experimentos, e que representa, talvez, a maior aventura intelectual que a ciência já vivenciou — neutrinos tem que ser sem massa. A descoberta de um neutrino massivo, portanto, nos diz que algo está faltando. O modelo padrão pode não estar completo. Existe uma nova física restante a ser descoberta, talvez no Grande Colisor de Hádrons, ou por meio de outra máquina que ainda está para ser construída.

O físico Richard Feynman sugeriu uma vez que a natureza é como uma cebola infinita. A cada nova experiência, nós descascamos outra camada da realidade; como a cebola é infinita, novas camadas continuarão a serem descobertas para sempre. Outra possibilidade é que nós vamos chegar ao núcleo. Talvez física vai acabar um dia, com a descoberta de uma “teoria de tudo”, que descreve a natureza em todas as escalas, não importa quão grande ou pequena. Nós não sabemos em qual futuro vamos viver. Mas a observação da massa dos neutrinos nos diz que a aventura de descoberta, na qual estamos atualmente envolvidos, não vai acabar aqui. Ainda há mistérios fundamentais a serem resolvidos. E são os mistérios da vida que tornam a existência tão emocionante.

Nobel de Química e Física 2015.

 

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Introdução à Filosofia Científica

Imagem do curso de Filosofia e Linguagem Moderna da Universidade de Oxford.

Por Mario Bunge
Publicado no Cien Ideas

Sabe-se que, há um par de séculos, não havia distinção entre filosofia e ciência. Os filósofos do Contra-iluminismo, em particular Hegel, Schelling e Fichte, foram os primeiros a erguer uma parede entre ambos os campos. Mesmo assim, nem todos seguiram. Por exemplo, o filósofo e matemático Bernhard Bolzano se inspirou no grande matemático e filósofo racionalista Leibniz, ao invés dos românticos.

Os neokantianos, de Cohen e Natorp a Cassirer, realizaram os primeiros passos para mostrar que a filosofia de Kant era compatível com a ciência, embora talvez necessitasse de alguma cirurgia plástica. No final do século XIX foi publicado em língua alemã uma revista trimestral de filosofia científica. E de 1927 a 1938, os neopositivistas, que reuniam-se no Círculo de Viena, mas que logo foram expatriados para os Estados Unidos, diziam-se fazer filosofia científica. Se algumas destas tentativas foram bem sucedidas é, ainda hoje, motivo de debate.

A ruptura final da filosofia com a ciência veio com a hermenêutica de Dilthey, o intuicionismo de Bergson, o neo-hegelianismo de Croce e Gentile, a fenomenologia de Husserl, o existencialismo de Heidegger e Sartre, e a filosofia linguística do segundo Wittgenstein, Austin e Strawson. É verdade que Bergson saudou o darwinismo. Mas ao mesmo tempo afirmou que a razão não pode compreender a vida, e que a ciência só pode dar conta do inanimado. Ademais, sua crítica à teoria especial da relatividade foi tão lamentável que ele mesmo pediu para retirar o seu livro de circulação.

Vale a pena tentar reaproximar ambos os campos depois de tantos fracassos e conflitos? Creio que sim, até porque toda a investigação científica pressupõe certos princípios filosóficos. Aqui está um exemplo de tais princípios tácitos: “O mundo exterior existe independentemente do sujeito e pode-se conhecê-lo em alguma medida”, “tudo é legiforme: não há milagres”, “para averiguar como é o mundo temos que exercitar a razão e a imaginação, imaginar hipóteses e teorias, e desenhar e realizar observações e experimentos”. Ou seja, os cientistas filosofam sem saber. Sendo assim, é desejável explicitar, analisar e sistematizar as ideias filosóficas que os cientistas frequentemente adotam de maneira descuidada.

Uma tarefa útil que o filósofo pode fazer é estudar e denunciar a ambivalência filosófica da maior parte dos cientistas. Refiro-me ao fato de que, ao praticar uma filosofia, muitas vezes pregam outra. Por exemplo, quando ensinam ou escrevem livros didáticos frequentemente dizem que toda a investigação começa com a observação ou “baseado” nela, e que as teorias não são nada além de dados observacionais. Mas na continuação introduzem conceitos que denotam ao inobservável, tais como os de universo, tempo, massa, peso atômico, comprimento de onda, potencial, metabolismo, aptidão, evolução e história. Ou seja, pregam o empirismo mas praticam uma síntese do empirismo com racionalismo.

No entanto, a filosofia da ciência não é o único ponto de contato entre a filosofia e a ciência. Todos os ramos da filosofia podem ser encarados de maneira científica. Isto não implica que o filósofo realizará medições ou experimentações. Implica que ele colocará a prova suas conjecturas e que, quando trabalha um problema filosófico, ele poderá encontrar resultados científicos relevantes.

Por exemplo, para resolver o problema do ser, deve-se começar por distinguir duas classes de existência: o concreto (ou material) e o abstrato (ou ideal). Se alguém quer se ocupar de objetos ideais, a pessoa terá que aprender o ABC da lógica e da matemática, que são as ciências dos objetos abstratos. Se, no entanto, alguém pretende filosofar sobre coisas concretas, tais como átomos, organismos ou pessoas, ela terá o dever de aprender o ABC da ciência que tratar delas.

Do contrário, o seu discurso será obsoleto ou obscuro, e portanto inútil. Isto ocorreu com Heidegger quando escreveu seu famoso Ser e Tempo, que poderia ter sido escrito por um monge do século anterior ao de Tomás de Aquino. O mesmo ocorre com os filósofos da mente que se negam a inteirar-se sobre as descobertas sensacionais da neurociência cognitiva, que tratam das funções mentais como processos cerebrais. Eles não estão atualizados e, portanto, não fornecem conhecimentos propriamente ditos: só fornecem opiniões e jogos acadêmicos.

Algo semelhante ocorre com os problemas de valores e das normas morais.

É sabido que alguns juízos de valor são subjetivos, enquanto que outros são objetivos. Por exemplo, eu não posso justificar que gosto muitíssimo mais de Mozart do que de Bartok. Talvez alguém possa explicar essa preferência em termos de minha educação, mas eu não posso dar razões válidas. Em vez disso, todos podemos dar boas razões para preferir a água potável à contaminada, a justiça à injustiça, a solidariedade ao egoísmo, a liberdade à tirania, a paz à guerra, et cetera.

Ou seja, há valores objetivos e, portanto, justificáveis, além dos subjetivos, que são mera questão de gosto. Sendo assim, é possível e desejável tentar fundamentar a axiologia e a ética sobre a ciência e a técnica, em vez de assegurar que os valores e as regras morais são puramente emotivos, ou convenções sociais, ou normas impostas pelo poder econômico, político ou eclesiástico.

Por exemplo, pode-se argumentar em favor de uma remuneração justa do trabalho, recorrendo não só aos sentimentos de compaixão e solidariedade, mas também as estatísticas que mostram que a longevidade e a produtividade aumentam com a renda. Ou seja, a justiça social é um bom negócio.

Procedendo desta maneira, pode-se mostrar que nem todas as doutrinas filosóficas são meras opiniões, muito menos superstições, mas que algumas delas podem apropriar-se de conceitos ou dados científicos.

Já passou do tempo da especulação filosófica desbocada. Chegou o tempo da imaginação filosófica alimentada e controlada pelos motores intelectuais da civilização moderna: a ciência e a técnica. Chegou o tempo de frequentar mais a oficina filosófica do que o museu das filosofias caducas.

Raios X emitidos por buraco negro …

Imagens da Nasa mostram buraco negro ‘arrotando’ raios-X

Satélite americano detecta pulso de energia em constelação a 8 mil anos-luz da Terra, em fenômeno detectado pela última vez há mais de 25 anos.

Da BBC

 

O buraco negro V404 Cygni estava "quieto" desde 1989 (Foto: Nasa/BBC)O buraco negro V404 Cygni estava “quieto” desde 1989 (Foto: Nasa/BBC)

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Um satélite dos Estados Unidos fotografou o que astrônomos descreveram como simplesmente o “arroto” de um buraco negro.

O Swift, controlado pela Agência Espacial Americana (Nasa), detectou um pulso de raios-X emitido por um buraco negro batizado de V404 Cygni.

Localizado na constelação de Cisne, a 8 mil anos-luz da terra, o corpo celeste já tinha “arrotado” antes, mas a última vez tinha sido em 1989.

Raridade
“Esse tipo de erupção é bastante raro. Quando detectamos um, usamos tudo o que temos para monitorar suas emissões, dos sinais de rádio aos raios gama”, explica Neil Gehrels, astrônomo da Nasa.

“No momento, V404 Cygni está mostrando uma variação excepcional nas emissões e oferece uma rara chance de observarmos (o fenômeno)”.

O Swift não é um satélite comum: ele tem a habilidade de girar rapidamente para observar as emissões de raios gama, que normalmente duram menos de um minuto, assim como outras rajadas energéticas, incluindo os raios-X. Emissões deste tipo são brilhantes, mas atingem seu pico de intensidade em apenas alguns dias.

Ocorrem quando gases são atraídos pela gravidade dos buracos negros – apesar do nome, eles são estrelas contraídas e cujo pulso gravitacional é capaz de atrair até a luz.

Os buracos negros são extremamente difíceis de serem observados e sua localização normalmente é “denunciada” pelo movimento de corpos celestes próximos.

Por isso, a oportunidade apresentada pelo V404 Cygni foi preciosa. Ainda mais porque o buraco negro voltou a “dormir”, segundo a Nasa.

Heisenberg se equivocou ?

Cientistas não têm mais certeza sobre o Princípio da Incerteza de Heisenberg

Victor de Andrade Lopes

O Princípio da Incerteza de Heisenberg foi formulado inicialmente em 1927, pelo físico alemão Werner Heisenberg.

Desde então os cientistas estavam certos de sua procedência. Mas um experimento conduzido na Universidade de Toronto colocou em xeque um dos aspectos fundamentais do princípio. Por décadas, nos acreditamos que você não poderia medir um estado quântico sem induzir um pouco de incerteza – e esta teoria pode ser derrubada agora. O princípio como um todo ainda é válido, mas alguns aspectos dele precisam ser revisados.

O princípio em questão é fundamental para a física quântica. Na escala quântica, a física como nós a conhecemos perde espaço para uma série de fenômenos vagos e confusos. O que Heisenberg observou – e, por isso, ganhou fama – foi que a posição e o momento de uma partícula não podem ser medidos simultaneamente com precisão. Por isso ele elaborou o princípio da incerteza.

Esse princípio descreve um processo de duas frentes. Para começar, há a precisão de uma medida que precisa ser considerada e, depois, um grau de incerteza ou distúrbio que ele deve criar, e que os físicos chamam de “relação medida-distúrbio” e que ainda não exploraram nem provaram.

Até hoje, a física quântica permaneceu confiante sobre seus estudos, pois os cientistas sempre acharam que dominavam os graus de distúrbios causados durante medições, ou seja, achavam que podiam prever com exatidão as variações, mas o estudo de Toronto prova que isso nem sempre é válido. Nem todas as medidas causam os efeitos previstos por Heisenberg e as equações desenvolvidas para sua teoria. Além disso, a medida pode nem ser a única causadora da ambiguidade dos resultados.

A equipe de pesquisadores, liderada por Lee Rozema e Aephraim Steinberg, observou uma violação da relação medida-distúrbio de Heisenberg, e o fizeram ao aplicar o que eles chamaram de “medida fraca” para definir um sistema quântico antes e depois de ele ter interagido com as ferramentas de medição. Não foi o suficiente para perturbá-lo, mas para ter uma noção básica da orientação de um fóton.

Então, ao estabelecerem deltas de medidas, e então aplicando medidas mais fortes e perturbadoras, eles conseguiram determinar que os efeitos previstos pelo Princípio da Incerteza não estavam se confirmando. Mais precisamente, os distúrbios foram metade do que seria esperado pela teoria.

Mas, como dito acima, esta peculiaridade da física quântica não derruba totalmente o princípio, logo, continuamos incapazes de saber um sistema quântico com precisão total.

Conforme Aephraim afirmou à Nature News: “O experimento mostra que o ato de medir nem sempre é o que causa a incerteza. Se já tem muita incerteza no sistema, então não precisa ter nenhum barulho da medida”.

E o Nobel de Física para Cesar Lattes ?

Cesar Lattes fala sobre o Prêmio Nobel

Galeria

Posted on 6 de Junho de 2015 by NUPESC

 

Há um consenso quanto à inexistência da versão absoluta de um fato; a história é feita de versões relativizadas, nem sempre com interesses escusos, mas freqüentemente por descuido. No caso em pauta, pelo menos três versões devem ser cotejadas: a do próprio Powell (1903 – 1969), a de Giuseppe Paolo Stanislao Occhialini (1907 – 1993), físico italiano que trabalhou na USP antes de se juntar ao grupo inglês, e a de Cesare Mansueto Giulio Lattes, que morreu na última terça, em Campinas, São Paulo, aos 80 anos.

“Em junho de 1997, realizou-se na Universidade de Bristol, Inglaterra, uma conferência (www.phy.bris.ac.uk/pic97/) para comemorar o 50º aniversário da descoberta do méson- pi. Em outra parte do material (www.phy.bris.ac.uk/pic97/pion.html), informa-se que raios cósmicos foram investigados durante os anos 1940, por Cecil Frank Powell e sua equipe na Universidade de Bristol, usando emulsões fotográficas expostas em altas altitudes. Em 1947, eles anunciaram a descoberta do méson-pi, uma partícula elementar prevista por Hideki Yukawa. Em 1950, Powell ganhou o Prêmio Nobel de Física, em reconhecimento à descoberta.”

O parágrafo acima enquadra-se naquela categoria em que atores importantes de um processo histórico são deixados de lado nos registros para a posteridade, sem merecer o devido reconhecimento.

A versão de Powell, discutida por Antônio A.P. Videira e Cássio L. Vieira no livro Cesar Lattes, a Descoberta do Méson Pi e Outras Histórias (CBPF/MCT, 1999), nada esclarece sobre as participações de seus colaboradores; sequer menciona o nome de Lattes quando se refere à descoberta do méson pi. No entanto, 20 anos antes, no auge da efervescência da descoberta, e enquanto visitava Niels Bohr em Copenhague, ele escreveu para Lattes: “Apresentei duas palestras aqui sobre nossos resultados, e todos concordam que eles constituem o mais importante avanço da física dos últimos anos. (…) você tem contribuído substancialmente para o desenvolvimento do nosso método“.

As versões de Occhialini e Lattes são bastante semelhantes. Em 1946, Lattes foi recebido no grupo de Powell, por sugestão de Occhialini. Lattes tinha experiência na detecção de raios cósmicos, adquirida com seu professor da USP Gleb Wataghin. Por sugestão de Occhialini, o pessoal da Ilford conseguiu melhorar as chapas fotográficas aumentando a densidade de grãos (sensibilidade) e adicionando bórax (para aumentar a vida útil das chapas expostas). No verão daquele ano, Occhialini foi passar as férias nos Pirineus e levou chapas com e sem adição de bórax para exposição no Observatório do Pico do Midi (2,8 mil metros de altitude). Os resultados com as chapas de bórax foram extraordinariamente superiores. Em um texto escrito para comemorar o 60º aniversário de Lattes, Occhialini escreve: “Quando viu as primeiras chapas de raios cósmicos, Lattes pegou fogo. (…) Reconheceu imediatamente a primeira desintegração do méson que eu lhe mostrei. A partir desse momento, me solicitou, quase exigiu, tomar parte nessa nova aventura. Sua contribuição foi muito importante. Ele trouxe (…) intuição física, clareza de pensamento e um longo e apaixonado estudo dos cósmicos. (…) Se ele só tivesse trabalhado aqueles dois anos em Bristol, já mereceria um lugar na história“.

Durante muito tempo, a modéstia de Lattes impediu que ele requisitasse o direito ao prêmio, mas em uma entrevista para o Jornal da Unicamp, em 2001, ele soltou o verbo: “Sabe por que eu não ganhei o prêmio Nobel? Em Chacaltaya, quando descobrimos o méson-pi, se publicou: Lattes, Occhialini e Powell. E o Powell, malandro, pegou o prêmio Nobel pra ele. Occhialini e eu entramos pelo cano. Ele era mais conhecido, tinha o trabalho da produção de pósitrons em 1933. Depois fui para a Universidade da Califórnia, onde foi inaugurado o sincrociclotron em 1946. Já era 1948 e estava produzindo mésons desde que entrou em funcionamento em 1946, tinha energia mais que suficiente. Então, detectamos, Eugene Garden e eu, o méson artificial, alimentando a presunção de retirar do empirismo todas as pesquisas que se relacionassem com a libertação da energia nuclear. Sabe por que não nos deram o Nobel? Garden estava com beriliose, por ter trabalhado na bomba atômica durante a Guerra, e o berílio tira a elasticidade dos pulmões. Morreu pouco depois e não se dá o prêmio Nobel para morto. Me tungaram duas vezes“.

Em compensação, a repercussão do seu trabalho no desenvolvimento científico de toda a América Latina (sobretudo no Brasil) foi de tal ordem que a Organização dos Estados Americanos conferiu-lhe o Prêmio Bernardo Houssay de 1979.

FONTE: Zero Hora (http://www.if.ufrgs.br/~cas/lattes_zh.htm)

Grande Colisor de Hádrons começa a trabalhar em potência máxima

 

Por: Jamie Condliffe
3 de junho de 2015 às 18:28

Grande Colisor de Hádrons, ou LHC

A partir de hoje, o Grande Colisor de Hádrons funcionará em potência máxima, conforme cientistas estreiam novos experimentos que nos ajudarão a entender os segredos da física de partículas.

Depois de uma reinicialização feita em março, após um período de dois anos de reparos e atualizações, equipes de cientistas vêm testando as habilidades do Colisor para operá-lo em potências maiores do que nunca. Em maio, ele bateu o próprio recorde, misturando raios de prótons e uma energia equivalente a 13 TeV (tera-elétron-volts) — 5 TeV a mais que os padrões anteriores. Para se ter ideia desta potência, ela é o suficiente para derreter uma tonelada de cobre no impacto.

Agora, cientistas que trabalham no projeto acreditam que o Colisor pode funcionar em potências máximas por longos períodos de tempo. Desta forma, a partir de hoje, equipes começaram a regularmente colidir partículas nestas altas energias, na esperança de descobrir partículas ainda não detectadas que podem nos ajudar a explicar alguns dos mistérios da física.

“A energia maior significa mais chance de novas descobertas”, disse Alan Barr, professor de física de partículas na Universidade de Oxford que trabalha no experimento ATLAS no Grande Colisor de Hádrons, em entrevista cedida em março. “A energia maior do Colisor pode nos mostrar novas partículas ainda não descobertas”. Inclusive, pesquisadores esperam que os experimentos revelem as origens da matéria escura, partículas supersimétricas e outras. Você pode ler aqui como tudo isso pode acontecer, e o que isso significa para a física.

Em baixa energia, cientistas fizeram experiências quase impossíveis e encontraram o Bóson de Higgs. E agora eles podem achar algo ainda mais interessante. [CERN]

O que são neutrinos?

O que são neutrinos?

Detector Super-Kamiokande, no Japão.

Traduzido de t2k-experiment.org.

Neutrinos são um tipo de partícula elementar – ou seja, eles são partículas subatômicas que não dão qualquer indicação de serem feitos de pedaços menores. Eles são semelhantes aos elétrons, exceto que os elétrons têm carga elétrica -1 (nas unidades que os físicos de partículas usam; em unidades do SI é -1.6×10-19 coulombs), enquanto que os neutrinos não têm carga elétrica. Neutrinos são também muito menos massivos que os elétrons – não mais de 4 milionésimos da massa do elétron (e o próprio elétron tem uma massa de apenas 1/1837 da massa de um átomo de hidrogênio).

No Modelo Padrão da física de partículas, a matéria é composta por dois tipos de partículas elementares: hádrons, que sentem a força forte que mantém os prótons juntos no núcleo, e quarks juntos no próton, e léptons, que não sentem a força forte. Neutrinos, como elétrons, são léptons. Eles são indicados pelo símbolo ν, que é a letra grega “nu” ou n (não é um V, embora possa ser difícil discernir em algumas fontes!).

Neutrinos não devem ser confundidos com nêutrons, um constituinte do núcleo atômico, ou com neutralinos, partículas hipotéticas que podem explicar o teor de matéria escura do Universo.

Como os neutrinos foram descobertos?

A existência de neutrinos foi suspeitada pela primeira vez como resultado das propriedades de um tipo de decaimento radioativo chamado decaimento beta, em que um elétron – ou sua antipartícula, um pósitron – é emitido. Verificou-se que o elétron não leva embora toda a energia que havia sido perdida pelo núcleo decadente. Em 1930, Wolfgang Pauli, um físico teórico austríaco, sugeriu que a energia faltante deveria ser explicada por uma partícula neutra não detectável também produzida no decaimento. Alguns anos mais tarde, o físico teórico ítalo-americano Enrico Fermi chamou um neutrino de partícula de Pauli, e o nome pegou.

Neutrinos interagem apenas muito fracamente com a matéria, e são, portanto, muito difíceis de detectar – na verdade, Pauli temia que nunca pudessem ser detectáveis. No entanto, o advento dos reatores nucleares após a Segunda Guerra Mundial forneceu uma fonte muito intensa de neutrinos para os físicos, e, em 1955, Fred Reines e Clyde Cowan conseguiram detectar neutrinos através do chamado decaimento beta inverso, onde um próton captura um antineutrino (em vez de emitir um neutrino): ν + p → n + e+. Reines e Cowan detectaram o pósitron quando ele se aniquilou com um elétron, e o nêutron quando foi capturado por um núcleo atômico. Este sinal duplo lhes permitiu dizer com certeza que eles estavam realmente vendo neutrinos e não os raios cósmicos ou alguma outra radiação de fundo.

Assim, 25 anos se passaram entre o primeiro palpite de que neutrinos deveriam existir e a primeira detecção experimental inequívoca. Essa é uma medida de quão difícil a física experimental realmente é!

De onde os neutrinos vêm?

Neutrinos são provavelmente a segunda partícula mais comum no Universo, depois dos fótons (dependendo exatamente o que é a matéria escura, eles podem ser os terceiros mais comuns, depois de fótons e partículas de matéria escura). Eles foram produzidos em grande número no período imediatamente após o Big Bang: cosmólogos calculam que deve haver mais de 300 neutrinos por centímetro cúbico em todos os lugares em todo o Universo vindos desta fonte (um centímetro cúbico é aproximadamente do tamanho de um cubo de açúcar). Estrelas também produzem um grande número de neutrinos: o Sol produz mais de 60 bilhões por centímetro quadrado por segundo a uma distância da Terra. Outros fenômenos astrofísicos, tais como supernovas (explosão de estrelas) e os raios cósmicos, também produzem neutrinos.

Na Terra, os neutrinos são produzidos naturalmente por alguns isótopos radioativos, como o carbono-14 (usado na datação por carbono de artefatos arqueológicos) e potássio-40, e também por raios cósmicos notáveis na atmosfera da Terra. Eles também podem ser produzidos artificialmente por reatores nucleares e por aceleradores de partículas. Os processos artificiais são muito semelhantes aos naturais: neutrinos de reatores chegam do decaimento beta radioativo, e os neutrinos do acelerador vêm exatamente do mesmo processo que os neutrinos de raios cósmicos, apenas em um ambiente mais controlado.

Felizmente, porque os neutrinos têm uma interação tão fraca, eles são completamente inofensivos: apesar de centenas de bilhões de neutrinos solares estarem passando através de você nesse exato momento (isso acontece até mesmo durante a noite – eles atravessam a Terra também, sem problemas), as chances de que um deles irá interagir com um átomo em seu corpo são realmente muito pequenas. Convencer um neutrino a interagir faz com que ganhar na loteria pareça ser uma aposta muito segura!

Como podemos detectar neutrinos?

Para que você detecte algo, tem que interagir com o detector. Você pode ver porque os fótons de luz são absorvidos pelas células bastonetes e cones da retina; o vidro é transparente porque os fótons de luz não são absorvidos pelo vidro (o Homem Invisível dos filmes seria cego: suas retinas são transparentes, então elas não absorvem fótons). Neutrinos interagem somente de forma muito fraca, por isso são muito difíceis de detectar: para estar razoavelmente seguro de ter uma interação típica do neutrino solar você teria que atravessa-lo numa parede de chumbo de pelo menos 1 ano-luz de espessura.

Felizmente as interações são aleatórias: você pode precisar de um ano-luz ou mais de chumbo para parar todos os seus neutrinos solares, mas alguns deles vão interagir nos primeiros centímetros (da mesma forma, é possível que você ganhe no primeiro bilhete de loteria que você compre em toda sua vida – apenas não é muito provável). Portanto, se você tem um detector grande o suficiente e um feixe de neutrinos suficientemente intenso, um número suficiente deles irá interagir para fazer a experiência valer a pena, apesar de que 99,99999999% deles vai passar em linha reta.

Neutrinos interagem de duas maneiras:

-eles podem simplesmente lançar para fora tudo o que eles atingirem (elétron ou núcleo atômico) – o neutrino continua a ser um neutrino, mas ele transfere força e energia para o objeto atingido;

-eles podem se converter em um lépton carregado (um elétron, múon ou tau, ou suas antipartículas, dependendo do tipo de neutrino). Isso exige que não só energia e momento, mas também a carga elétrica, sejam transferidos, uma vez que o neutrino é eletricamente neutro, mas o lépton em que ele se converte não é.

No primeiro caso, podemos detectar o objeto atingido, geralmente porque agora ele está se movendo, ocasionalmente, porque ele se quebrou. No segundo caso, normalmente detectamos o lépton carregado, mas às vezes detectamos a mudança na carga do objeto atingido. Há muitas maneiras de detectar uma partícula carregada em movimento: podemos rastreá-la, uma vez que ela ioniza o material através do qual atravessa, ou podemos detectar a luz que ela emite, se ela está viajando a uma velocidade > c / n, onde c é a velocidade da luz no vácuo, e n é o índice de refração do material (transparente), através do qual se move. Esta luz foi chamada de radiação de Cherenkov, após Pavel Cherenkov.

Aqui estão alguns exemplos de cada tipo de detecção:

Detecção de recuo do objeto atingido

Isto é usado para detectar neutrinos solares: um elétron é atingido pelo neutrino, recua e é detectado por sua radiação Cherenkov.
Exemplo: Super-Kamiokande.

Detecção por desmembramento do objeto atingido

Isso foi usado pelo experimento SNO. O objeto de colisão era um núcleo de deutério, o isótopo pesado e raro de hidrogênio, o qual contém um nêutron além do próton habitual. O núcleo de deutério se divide em seus prótons e nêutrons constituintes, e o nêutron é observado quando é capturado por um núcleo atômico (a energia que ele perde, uma vez que se liga ao núcleo, é emitida como um fóton de alta energia ou raios gama, que é então detectada).

Detecção da produção de lépton carregado

O lépton carregado detectado é normalmente um elétron, um múon, ou suas antipartículas: o tau é muito mais difícil de produzir, em primeiro lugar, porque é mais massivo, e muito mais difícil de detectar porque ele tem um tempo de vida muito curto. Um exemplo de uma experiência que acompanha a partícula carregada por sua ionização é o MINOS ou o T2K near detector ND280; um exemplo de um detector que detecta a partícula carregada perto da sua radiação de Cherenkov é o IceCube ou o T2K far detector Super-Kamiokande.

Detecção de mudança de carga no objeto atingido

Este tipo de experimento é capaz de detectar neutrinos com energia extremamente baixa. A ideia é que o neutrino interage com um núcleo atômico, e a alteração na carga altera o átomo em um átomo radioativo de um elemento diferente. Você, então, extrai quimicamente o elemento diferente, e conta o número de átomos que você fez, observando seus decaimentos radioativos. O método tem desvantagens severas – você não sabe de que direção o neutrino veio, que energia tinha, ou exatamente quando a interação ocorreu -, mas é a única maneira de detectar neutrinos com energias inferiores a 1 MeV (1.6×10-13J). Um exemplo desta técnica é o primeiro detector de todos os tempos para detectar neutrinos vindos do sol: o experimento Homestake criado por Ray Davis, onde o cloro-37 é convertido em argônio-37 radioativo.

Quantos tipos de neutrinos existem?

No Modelo Padrão da física de partículas, existem três tipos de lépton carregados: o elétron, o múon e o tau. Uma experiência feita em 1962 por Lederman, Schwartz e Steinberger mostrou que o neutrino produzido em associação com o múon não poderia se converter em um elétron, e medições de precisão da produção do bóson Z confirmou que havia três neutrinos de luz para combinar os três léptons carregados. Todos os léptons carregados têm antipartículas de carga oposta, e a incapacidade dos neutrinos de reatores (que deveriam ser de antineutrinos do tipo elétron) em converterem cloro para argônio – o que neutrinos solares, que são neutrinos do tipo elétron, podem fazer – sugere que os neutrinos e antineutrinos são diferentes, tanto que deveria haver seis tipos distintos de neutrinos.

O modelo atual da física do neutrino, no entanto, sugere que a diferença entre neutrinos e antineutrinos pode ser uma ilusão: eles podem interagir de forma diferente porque giram em direções opostas, não porque eles são fundamentalmente distintos. Isso reduziria o número novamente para três.

Por outro lado, alguns resultados experimentais atualmente inexplicáveis podem indicar a presença de neutrinos estéreis, que interagem apenas através da gravidade (uma força extremamente fraca na escala das partículas subatômicas) e, portanto, não podem ser diretamente observados por qualquer experimento. O júri ainda está aberto, mas é possível que um ou dois tipos de neutrinos estéreis pode vir a ser necessários para explicar os resultados experimentais, elevando o número total para quatro ou cinco. Neutrinos estéreis realmente seriam as partículas indetectáveis que preocupavam Pauli, embora seja possível que as medições cosmológicas, como as flutuações de temperatura na radiação cósmica de fundo, possam fornecer evidências indiretas.

O que é o Problema Do Neutrino Solar?

Quando Ray Davis começou a detecção de neutrinos solares com seu experimento Homestake, um tanque de fluido de limpeza (C2Cl4) em que neutrinos podiam converter átomos ocasionais de cloro em argônio, viu apenas 1/3 do número que ele esperava. O número esperado era baseado no Modelo Solar Padrão (SSM) calculado por John Bahcall e colegas de trabalho; o SSM descreve todas as outras características do Sol que conhecemos, inclusive as importantes, como a quantidade de energia que emite, então não havia nenhuma razão óbvia por que ele obteve um número de neutrinos tão errado – especialmente sendo os neutrinos um subproduto essencial de reações de geração de energia do Sol.

Enquanto era apenas um único experimento que observava os neutrinos solares, a possibilidade era que o problema poderia ser com o experimento: talvez o método de extração e contagem de átomos de argônio de Davis era muito menos eficiente do que ele acreditava. No entanto, nos anos 1980 e 1990 outras experiências, chamadas Kamiokande (antecessor do Super-Kamiokande), GALLEX/GNO e SAGE, também viram menos neutrinos solares do que o esperado. Estas experiências utilizaram técnicas diferentes e foram sensíveis a neutrinos de diferentes energias, tornando insustentável a ideia de que era tudo culpa de experimentos incompetentes. Este, então, era o Problema do Neutrino Solar: por que todas essas experiências veem menos neutrinos do que o esperado?

O Problema do Neutrino Solar não é mais um problema. Todos os experimentos acima podiam ver apenas neutrinos tipo elétron. O experimento SNO, que utilizou água pesada, D2O, em vez de água comum, podia ver outros tipos de neutrino também. Em 2002, o SNO produziu um trabalho mostrando que o número total de neutrinos de todos os tipos era consistente com a SSM: era exatamente isso, embora todos tenham sido produzidos como neutrinos do tipo elétron, no momento em que chegaram à Terra alguns deles tinham se transformado em algum outro tipo (o SNO não poderia dizer se o “outro tipo” era do tipo múon, do tipo tau ou uma mistura). Portanto, o Problema do Neutrino Solar está agora resolvido, e a resolução são as oscilações dos neutrinos.

Neutrinos têm massa?

Pauli pensava inicialmente que os neutrinos poderiam ter uma massa pequena, mas as experiências posteriores falharam em encontrar uma, e na década de 1960 foi geralmente assumido que os neutrinos tinham exatamente massa zero. A formulação original do Modelo Padrão da física de partículas assume explicitamente que os neutrinos não têm massa. No entanto, a resolução do Problema do Neutrino Solar – a transformação do neutrino do tipo em neutrinos de algum outro tipo – só funciona se neutrinos possuírem massa diferente de zero: neutrinos sem massa não podem mudar de identidade desta forma. Portanto, por causa dos neutrinos solares e um efeito similar chamado de anomalia de neutrino atmosférico – um déficit de neutrinos do tipo múon produzido pelos raios cósmicos na atmosfera da Terra – nós sabemos que os neutrinos devem ter massa. No entanto, não sabemos realmente quais são as suas massas.

Oscilações de neutrinos são apenas sensíveis às diferenças nas massas dos neutrinos (mais especificamente, as diferenças nos quadrados das massas). Eles não podem nos dizer a massa absoluta de qualquer tipo de neutrino. Para fazer isso, temos de olhar para decaimento beta radioativo, em que um átomo instável decai e emite um elétron e um antineutrino (ou um pósitron e um neutrino, dependendo do isótopo). O elétron e o neutrino compartilham a energia liberada pelo decaimento. Se o neutrino tem uma massa pequena, Einstein nos diz que a energia mínima possível que ele pode ter é a sua massa-energia, E = mνc2. Se ele tem massa zero, poderia em muitas raras ocasiões não levar nenhuma energia. Portanto, se olharmos para a distribuição de energias de elétrons muito próximos ao valor máximo, devemos ver uma ligeira mudança na forma esperada se o neutrino tiver massa.

Esta experiência normalmente é feita usando o isótopo pesado de hidrogênio instável conhecido como trítio, que tem dois nêutrons em adição ao seu próton. O trítio decai para o hélio-3 com uma meia-vida de 12,3 anos, e a diferença na massa entre o hélio-3 e trítio é bastante pequena, o que faz com que a pequena distorção provocada por um neutrino de massa diferente de zero seja ligeiramente mais fácil de ver. Ainda é um experimento muito difícil, e o melhor que temos sido capazes de fazer até agora é provar que o neutrino emitido no decaimento beta não pode ter uma massa maior que 2 eV (4 milionésimos de a massa do elétron). Um novo experimento de decaimento beta do trítio em construção na Alemanha, KATRIN, espera reduzir este número por um fator de 10.

Se o neutrino é de fato idêntico a sua antipartícula, como a maioria dos teóricos acredita, uma maior sensibilidade pode ser conseguida usando um tipo muito raro de decaimento radioativo conhecido como decaimento beta duplo. Neste processo, como o próprio nome sugere, o isótopo emite não só um elétron, mas dois, decaindo não para o seu vizinho mais próximo na Tabela Periódica, mas para o seu vizinho seguinte. Este é um processo extraordinariamente improvável, e as meias-vidas de isótopos que se decompõem desta forma são cerca de um bilhão de vezes maior do que a idade do Universo: para todos os efeitos do cotidiano eles são completamente estáveis, e é preciso uma experiência muito sensível para vê-los decaírem (funciona da mesma forma que a detecção de neutrinos: embora, em média, os átomos vivam por um bilhão de vezes a idade do universo, há uma pequena chance de que um decairá amanhã: se você tiver um detector grande o suficiente, e monitorá-lo com cuidado o suficiente, você vai ver alguns decaimentos).

O isótopo pode emitir dois antineutrinos junto com os dois elétrons – isso é um processo de decaimento perfeitamente normal e permitido (mesmo sendo extremamente raro), e tem sido medido. No entanto, se o neutrino e o antineutrino são realmente diferentes aspectos de uma mesma partícula, o neutrino produzido em associação com um elétron pode ser absorvido, uma vez em um milhão, na produção de outro (ele tem que ser um antineutrino na emissão e um neutrino na absorção, porque isso só funciona se as duas partículas realmente não forem diferentes). Este é o decaimento beta duplo sem neutrinos, e a taxa (minúscula) em que ocorre depende da massa do neutrino. Observar esses decaimentos permite aos pesquisadores medir neutrinos com massas de 0,1 eV ou menos – cerca de um fator de 20 abaixo do limite atual. Até o momento, não há nenhuma detecção convincente (um grupo afirma ter visto um sinal correspondente a um neutrino com uma massa de cerca de 0,4 eV, mas isso geralmente não é aceito pela comunidade – o que não significa necessariamente que ele está errado, isso significa apenas que a evidência não é convincente o suficiente), mas uma meia-dúzia de novos experimentos estão atualmente em construção ou em recolha de dados, de modo que essa situação pode mudar em poucos anos.

O que são as oscilações do neutrino?

Sabemos que existem três tipos de neutrinos, um para cada um dos três léptons carregados. No entanto, só medimos o tipo, ou sabor, de um neutrino, quando o vemos interagir, seja em associação com um lépton carregado, por exemplo, 14C → 14N + e + νe, ou se convertendo em um lépton carregado, por exemplo, νμ + n → p + μ. Quando estão apenas viajando juntos sem fazer nada, não temos evidência direta de seu tipo. Temos, no entanto, em princípio, conhecimento de como sua massa é: uma partícula livre obedece a relação E2 = p2c2 + m2c4 de Einstein, e, portanto, tem uma massa bem definida. Há neutrinos com três massas diferentes, assim como há neutrinos com três sabores diferentes.

Oscilações de neutrinos acontecem se a divisão dos neutrinos em diferentes sabores não se alinha com a sua divisão de massas. Na mecânica quântica, isso é perfeitamente possível: considere o infame gato de Schrödinger, que está 50% vivo e 50% morto até que você abra a caixa. Nós produzimos os neutrinos em algum estado de sabor definido (que é uma mistura de estados de massa), mas como eles viajam da produção para detecção, os três estados da massa ficam desalinhados, então, quando os detectamos eles já não estão perfeitamente alinhados no estado de sabor original.

Óculos de sol polarizados oferecem uma analogia para isso. A luz é uma onda transversal: as ondas elétricas e magnéticas sacodem em ângulo reto com a direção do movimento, como as ondas na água ou as ondas numa corda. Na luz normal, as ondas estão em todos os tipos de ângulos aleatórios, mas você pode descrever isso como uma soma de duas componentes, horizontal e vertical (assim como você pode descrever qualquer quadrado em um tabuleiro de xadrez por dois números, linha e coluna). É por isso que óculos polarizados cortam o brilho tão bem: a luz solar direta é quase uma mistura 50:50 dos dois estados de polarização, mas a luz refletida de uma superfície horizontal é mais polarizada horizontalmente. Portanto, se seus óculos de sol pegar luz polarizada verticalmente, eles vão cortar a intensidade da luz solar pela metade, mas a intensidade de luz refletida é cortada por muito mais do que a metade.

Se você pegar dois pares de óculos polarizados, e alinhá-los a 90 ° um do outro, você está cortando as duas polarizações. Como toda a luz pode ser decomposta em componentes horizontal e vertical, você corta toda a luz: as duas lentes cruzadas devem ser praticamente pretas.

Agora pegue um terceiro par de óculos de sol, e os insira entre os outros dois com um ângulo de 45 ° ou menos. Você verá que, surpreendentemente, a área onde todas as três lentes se cruzam é muito mais transparente do que era quando havia apenas duas lentes lá! Colocar algo que bloqueia metade da luz, de repente, deixa mais luz atravessar – o que aconteceu?

A resposta é que a luz polarizada verticalmente pode ser descrita como uma mistura 50:50 de duas polarizações de 45° dispostas em forma de X. Por outro lado, luz polarizada a 45° é uma mistura 50:50 de polarizações horizontais e verticais. Portanto, seus óculos inclinados pegam a luz polarizada verticalmente a partir do primeiro par de óculos de sol e escolhe apenas a polarização de 45° (e não a polarização de 135°). Mas isso agora é uma mistura de horizontal e vertical – assim o terceiro par de óculos pode escolher um componente horizontal que não estava lá na polarização vertical pura após o primeiro par de óculos. A intensidade é cortada um pouco, é claro – se você observar, você vai ver que estamos reduzidos a um oitavo do nível de luz original – mas é muito mais do que zero.

Na oscilação dos neutrinos, a distância entre a produção e a detecção atua um pouco como o terceiro polarizador: dividindo os neutrinos de acordo com a massa e não com o sabor, regenera um estado de mistura de sabores num estado de sabor puro produzido na interação original. A analogia não é perfeita: a força dos efeitos varia com a distância num formato sinusoidal (imagine girar o terceiro polarizador gradualmente a 360°), e você pode obter a conversão de mais de 50% entre os sabores. Mas apresenta a ideia geral.

Como as oscilações dos neutrinos são medidas?

Experimentos de desaparecimento

Você começa com um fluxo conhecido de neutrinos, e conta quantos você observa a uma certa distância da fonte. O sinal de oscilação é a redução do número observado em relação ao que seria de esperar. O Problema do Neutrino Solar é uma experiência de desaparecimento.

Experimentos de aparição

Você começa com um feixe puro de neutrinos de algum tipo X, e você tenta detectar neutrinos de tipo Y. O sinal de oscilação é a detecção bem sucedida do tipo Y. O T2K é um experimento de aparição.

Ambos os experimentos podem produzir resultados enganosos em algumas circunstâncias. Experimentos de desaparecimento podem dar um falso positivo se o fluxo de neutrinos é menor do que você acredita, ou se a eficiência do seu detector não é tão boa quanto você pensa que seja. Experimentos de aparição podem ser enganados se o feixe não for realmente 100% do tipo X, mas que já contenha uma pequena quantidade do tipo Y, ou se a experiência não tem exatamente 100% de precisão em distinguir X de Y. Por isso, é bom ter um detector próximo, perto de sua fonte, e um detector distante, perto da distância escolhida. O detector próximo ao feixe faz uma medição antes que os neutrinos tenham a oportunidade de sair da etapa, então ele diz como o fluxo original está e quantos neutrinos do tipo Y existem em seu suposto feixe do tipo X. Você, então, compara os resultados dos detectores próximos e distantes para extrair a mudança no fluxo ou o excesso de tipo Y, que é o sinal de oscilação. Você também precisa entender o seu detector extremamente bem, a fim de minimizar a chance de que as ineficiências ou erros de identificação estejam afetando o seu sinal.

O que é violação de CP?

Nós já sabemos que existem três tipos de neutrinos: o elétron, o múon e o tau. A partir dos experimentos de oscilações de neutrinos sabemos agora que existem três estados de massa dos netrinos, que – com incaracterística falta de capricho, para os físicos – nós simplesmente chamamos de 1, 2 e 3. De acordo com as regras básicas da mecânica quântica, cada estado de sabor pode ser considerado como uma mistura de todos os três estados de massa, e vice-versa. Portanto, em princípio, três tipos independentes de oscilação, ou mistura, entre os estados de massa são possíveis: 1 com 2, 2 com 3, e 3 com 1 (como mencionado antes, alguns físicos pensam que também possa haver um quarto sabor “estéril”de neutrinos, que não pode participar de oscilações – mas ele não entra nesta discussão). Cada variedade de oscilação tem duas quantidades associadas: a diferença de massa entre os dois estados envolvidos e o que chamado de ângulo de mistura θ (theta). Este último é apenas uma maneira conveniente de garantir que todas as probabilidades da mecânica quântica sejam adicionadas até 100% corretamente. Este requisito de “unitariedade” é automaticamente satisfeito se aproveitarmos a regra de trigonometria, sin2 θ + cos2 θ = 1 para qualquer ângulo θ. Não existe um “ângulo” físico envolvido em oscilações de neutrinos: θ é apenas um parâmetro que nos permite descrever a quantidade de mistura, garantindo que a unitariedade seja preservada. Se sin2 θ ou cos2 θ ~ 0, um estado de massa domina, se sin2 θ ~ cos2 θ, os dois estados de massa são quase igualmente representados na soma (“mistura máxima”).

Sabemos que os ângulos de mistura θ12 e θ23 são grandes, isto é, a mistura é quase máxima para esses pares de estados de massa. No entanto, até recentemente, as melhores medições do ângulo de mistura θ13 eram consistentes com zero – apenas um limite acima no seu valor pode ser determinado. O primeiro objetivo principal do T2K é determinar se θ13 na verdade não seja zero. A conseqüência fundamental de ter todos os três ângulos diferentes de zero é que isso permite violação CP no sistema de neutrinos, por meio de uma quantidade conhecida como δ (delta). Então o que é violação CP, e por que é importante?

Os símbolos C e P representam cada um uma operação matemática para ser levada a cabo na descrição de um processo físico. C, conjugação de carga, é a substituição de todas as partículas na interação por suas antipartículas: o nome refere-se ao fato de que na maioria dos casos o sinal mais evidente desta substituição é a reversão da carga – por exemplo, antielétrons (pósitrons) tem carga positiva, e antiprótons têm carga negativa (neutrinos são neutros, mas neutrinos e antineutrinos se distinguem pela sua configuração helicoidal, isto é, a direção da sua rotação). P, paridade, descreve espelhos de reflexão: as coordenadas (x, y, z) de todas as partículas na interação são invertidos para (-x, -y, -z), e as direções dos movimentos são invertidas também. Na teoria quântica, C e P, separadamente, são representado por um operador matemático que realiza essas trocas.

C (ou P) dizem serem conservados se as interações depois das aplicações de C (ou P) parecerem fisicamente válidas e corretas. Em nosso mundo, nós não temos que trocar partículas e antipartículas na maioria das vezes, mas a conservação de paridade parece ser um fato da natureza: se eu lhe mostrar um filme de um jogo de futebol, um jogo de sinuca, ou um concurso de arco e flecha, desde que haja slogans publicitários visíveis, você não seria capaz de dizer se o filme foi invertido da esquerda para a direita – o comportamento das bolas ou setas parece perfeitamente natural. E até a década de 1950 foi, de fato, assumido que a conservação da paridade seria uma lei da natureza. No entanto, foi então apontado por Chen Ning Yan e Tsung-Dao Lee que a paridade não pode ser conservada em interações fracas, que não são tão visíveis na vida cotidiana. Esta sugestão foi testada em 1956 por uma equipe liderada por Chien-Shiung Wu, e descobriu-se correta – a paridade não é conservada nas interações fracas. Na verdade, é maximamente violada: a interação fraca é sensível para partículas canhotas e antipartículas destras, e não para os seus primos com a paridade invertida, partículas destras e antipartículas canhotas (lateralidade em partículas refere-se à direção de rotação: “destra” significa que o sentido de rotação está alinhado com a direção do movimento, como na figura).

Configuração helicoidal. Partículas como o neutrino tem uma propriedade chamada spin, que é uma versão da mecânica quântica do que entendemos normalmente por giro ou rotação. O spin de uma partícula como um neutrino ou um elétron pode ser destro, como a imagem acima, ou canhoto, como na imagem abaixo. A interação fraca seleciona partículas canhotas e antipartículas destras. Observe que um observador que estivesse se movendo mais rápido do que a partícula iria vê-la.

Configuração helicoidal. Partículas como o neutrino tem uma propriedade chamada spin, que é uma versão da mecânica quântica do que entendemos normalmente por giro ou rotação. O spin de uma partícula como um neutrino ou um elétron pode ser destro, como a imagem acima, ou canhoto, como na imagem abaixo. A interação fraca seleciona partículas canhotas e antipartículas destras. Observe que um observador que estivesse se movendo mais rápido do que a partícula iria vê-la.

As mesmas interações fracas que violam P também violam C: antipartículas não se comportam da mesma maneira que as partículas (se nós somente mudarmos a identidade da partícula, um neutrino canhoto se tornaria um antineutrino canhoto, o que não se sentiria a interação fraca e por isso não iria se comportar como um “verdadeiro” antineutrino destro). No entanto, a combinação CP (mudança de partícula para antipartículas, e coordenadas de reflexão espelhadas) funciona muito melhor, e por um tempo se acreditou que a conservação CP fosse uma verdadeira lei da natureza.

No entanto, em 1964, James Cronin e Val Fitch mostraram que em algumas circunstâncias, a interação fraca também pode violar a simetria CP combinados. Este é um efeito muito mais fraco do que a violação de C e P separadamente: ela ocorre apenas em determinadas interações (Cronin e Fitch estavam olhando para kaons neutros, o efeito já foi observado em mésons B também), e inclusive lá somente no nível de 1%.

Violação CP é extremamente importante porque representa uma verdadeira diferença entre partículas e antipartículas. Um dos mistérios não resolvidos da cosmologia é que o nosso Universo parece ser feito einteiro de matéria, e não de uma mistura 50:50 de matéria e antimatéria, embora quando criamos partículas em laboratório elas sempre venham em pares partícula-antipartícula. As interações que violam CP são uma das três condições essenciais para a gerar um Universo só com matéria que foram propostas em 1967 por Andrei Sakharov (as outras duas são violações de conservação de número bariônico, que é obviamente necessário para gerar um entrelaçamento de números bariônicos diferentes de zero a partir do estado de simetria original, B = 0, e a partida de um equilíbrio térmico, que é necessária para garantir que na fabricação de bárions os processos voltados para o andamento não sejam balanceados pelos processos inversos, de destruição de bárions.

Do ponto de vista de um físico de neutrinos, a coisa mais interessante sobre violação CP em kaons e B-mésons é que parece ocorrer em um nível baixo demais para dar a quantidade de assimetria que observamos em nosso Universo com somente matéria. É por isso que a observação dos ângulos de mistura diferentes de zero, e, portanto, a possibilidade de violação CP em neutrinos, é tão importante: só ela pode ser a chave para um dos grandes mistérios não resolvidos do cosmos.

O que é δ?

O símbolo δ é usado na matemática das oscilações de neutrinos para descrever a parte da oscilação que é violada no CP: ele provoca uma alteração do sinal entre neutrinos e antineutrinos, e, por conseguinte, faz com que eles se comportem de maneira diferente nas oscilações. A violação CP observável exige a existência de três tipos distintos de oscilação, com três ângulos de mistura distintos e diferentes de zero. É por isso que a observação de um valor diferente de zero para o terceiro ângulo de mistura θ13 é uma descoberta tão importante.

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