Um novo estado para partículas de luz

Físicos da Universidade de Bonn criaram um novo tipo de fonte de luz, um condensado de Bose-Einstein consistindo de fótons. Até recentemente, acreditava-se que reduzir partículas de luz a esse estado seria impossível. O método poderá ser útil para a criação de fontes de radiação semelhantes aos raios laser, mas na faixa de frequência dos raios X.

© Jan Klaers, Universidade de Bonn (ilustração de um superfóton)

O condensado de Bose-Einstein surge quando um conjunto de partículas é resfriado até o ponto em que todas assumem características idênticas, de forma que o grupo passa a se comportar como uma única "superpartícula".

O processo já havia sido realizado com sucesso em átomos e também era teoricamente possível de se executar com luz, mas as dificuldades técnicas para condensar partículas de luz eram enormes, já que os fótons simplesmente desaparecem quando a temperatura cai demais.

Os pesquisadores alemães usaram dois espelhos, entre os quais um raio de luz era mantido, refletindo-se de um lado para o outro. Entre os espelhos, foram dissolvidos pigmentos que absorviam e liberavam os fótons. A seguir a imagem mostra a distribuição espacial da radiação durante a formação do condensado de Bose-Einstein.

© Nature (distribuição espacial da radiação)

No processo, os fótons assumiram a temperatura do fluido. Eles se resfriaram até a temperatura ambiente, sem se perder no processo.

Os físicos então aumentaram a quantidade de fótons entre os espelhos, excitando os pigmentos com um laser. Isso permitiu que a luz resfriada se concentrasse de forma tão intensa que acabou gerando um "supérfóton".

Tecnologicamente, isso poderá ser útil para criadores de chips de computador, já que um laser com comprimento de onda muito baixo, como o dos raios X, poderia entalhar padrões extremamente detalhados e precisos no silício.

Fonte: Nature

Átomos de antimatéria são criados e armazenados pela primeira vez

Pela primeira vez, cientistas conseguiram não só produzir como estocar e liberar, de forma controlada, átomos de antihidrogênio, a versão em antimatéria dos átomos de hidrogênio, os mais simples encontrados na natureza. Esta tecnologia possibilitou criar e aprisionar, por 170 milissegundos, pelo menos 38 átomos da antimatéria do hidrogênio. O resultado foi obtido depois de 335 rodadas do experimento, misturando 10 milhões de antiprótons e 700 milhões de pósitrons.

 

© CERN (detalhe do equipamento usado no experimento)

Antimatéria é composta por partículas idênticas às da matéria comum, mas dotadas de carga elétrica oposta. Os antiprótons têm carga negativa e os antielétrons, ou pósitrons, carga positiva.

Os átomos de antihidrogênio já haviam sido criados anteriormente, mas até agora tinha sido impossível isolá-los, e eles acabavam se chocando com átomos de matéria normal, aniquilando-se em um flash de raios gama, produzindo radiação. Essa característica é usada na tecnologia médica, onde a chamada tomografia PET se vale da desintegração de pósitrons para gerar os sinais que são captados pelo equipamento de imagem. Em um experimento não diretamente relacionado, realizado em 2005, um grupo de físicos conseguiu criar o positrônio, um átomo exótico, feito de matéria e de antimatéria: um elétron e um pósitron ligados um ao outro, mas sem um núcleo.

As características do anti-hidrogênio precisam ser determinadas experimentalmente para confirmar, ou não, previsões feitas pelo modelo padrão das partículas elementares. Mesmo sendo criados num vácuo, átomos de anti-hidrogênio produzidos em laboratório sempre se encontram cercados de matéria comum e acabam destruídos antes que os cientistas consigam analisá-los. O fato de os átomos de antimatéria não terem carga elétrica faz com que aprisioná-los e isolá-los da matéria comum seja ainda mais difícil do que conter pósitrons e antiprótons. A figura a seguir mostra em a) o interior do equipamento ALPHA, e em b) um diagrama do potencial em função da posição axial mostrando a concentração de pósitrons e a presença de antiprótons antes e depois da ejeção do feixe.

© CERN (equipamento ALPHA)

No experimento ALPHA (Antihydrogen Laser PHysics Apparatus) do CERN (Centro Europeu de Pesquisas Nucleares), foram utilizadas temperaturas extremamente baixas para desacelerar pósitrons e antiprótons o suficiente para que interagissem e formassem os átomos de anti-hidrogênio.

Em seguida, aplicando campos magnéticos, foram isolados com sucesso esses átomos por mais de um décimo de segundo, o que seria tempo suficiente para estudá-los. A temperatura dos antiátomos formados foi de 0,5 K, ou meio grau acima do zero absoluto. O vácuo do espaço, entre as estrelas, tem uma temperatura de 2,7 K.

Os cientistas ainda buscam uma explicação para a predominância de matéria no Universo. Em teoria, matéria e antimatéria deveriam ter surgido em quantidades iguais no Big Bang e se aniquilado em seguida, mas por algum motivo restou um saldo de matéria positiva que foi dar origem às estrelas, planetas e galáxias.

O estudo dos átomos de antihidrogênio poderá ajudar a entender a causa desse desequilíbrio.

Fonte: Nature

Experimento sugere novo tipo de neutrino

Um experimento realizado no Fermilab parece elucidar uma descoberta relatada há mais de 20 anos e que mostraria falhas no Modelo Padrão da Física.

© Fermilab (neutrinos no experimento MiniBooNE)

Há indícios da existência de uma nova partícula elementar: um quarto tipo de neutrino. Mais do que isso, os resultados mostram a violação de uma simetria fundamental do Universo, que estabelece que as partículas de antimatéria se comportam da mesma forma que os seus equivalentes de matéria.

Neutrinos são partículas elementares neutras, que nascem do decaimento radioativo de outras partículas. Os neutrinos conhecidos são: o neutrino do elétron (ν_e), o neutrino do múon (ν_μ) e o neutrino do tau (ν_τ).

Independentemente do sabor original de um neutrino, essas partículas constantemente mudam de um tipo para outro, em um fenômeno chamado "oscilação de sabores dos neutrinos", onde um neutrino do elétron pode se tornar um neutrino do múon e, posteriormente, voltar a ser um neutrino do elétron.

Agora, no experimento chamado MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment), foi detectado mais oscilações dos neutrinos do que seria possível se houvesse apenas três sabores deles. Num intervalo de energia entre 475 MeV  e 1250 MeV existiam 5,66 x 10²º prótons no alvo.

Estes resultados implicam que, ou há novas partículas, ou há forças que não haviam sido consideradas. A explicação mais simples envolve considerar a existência de novas partículas parecidas com os neutrinos, ou neutrinos estéreis, que não sofrem as interações fracas normais. Os neutrinos estéreis poderiam ajudar a explicar a composição da matéria escura e a assimetria do Universo.

Os três tipos conhecidos de neutrinos interagem com a matéria principalmente através da força nuclear fraca, o que os torna difíceis de detectar. A hipótese é que esse quarto sabor não interagiria através da força fraca, tornando-o ainda mais difícil de identificar.

Resultados similares do experimento MiniBooNE foram obtidos recentemente, quando cientistas europeus detectaram o que eles chamaram de neutrino camaleão, justamente porque os neutrinos mostraram uma oscilação maior do que a prevista pelo Modelo Padrão.

Os resultados agora obtidos parecem violar também a "simetria de paridade de carga" do Universo, que afirma que as leis da Física se aplicam da mesma forma às partículas e às suas equivalentes antipartículas. Violações desta simetria já foram vistas em alguns decaimentos raros, mas nunca antes com neutrinos.

Os experimentos, contudo, ainda não são definitivos. Novos dados precisam ser  coletados para que seja possível descartar de vez todas as predições feitas pelo Modelo Padrão.

Fonte: Physical Review Letters

LHC vai começar a estudar o Big Bang

O Grande Colisor de Hádrons (LHC) atingiu nesta semana uma etapa importante, ao finalizar as colisões de prótons previstas para sua primeira fase de operações. A partir de agora, o LHC passa para uma outra fase, na qual serão feitas colisões usando íons de chumbo, alcançando a temperatura de 10 trilhões de °C.

© CERN (fonte de íons de chumbo)

Uma das principais metas para 2010 era chegar a uma luminosidade (uma medida da taxa de colisões) da ordem de 10³² por centímetro quadrado por segundo.

Isto foi alcançado em 13 de outubro, com duas semanas de antecedência. Antes de encerrar as colisões de prótons, a máquina atingiu esse valor duas vezes, permitindo que os experimentos duplicassem a quantidade de dados coletados em um período de poucos dias.

O principal objetivo para 2011 será coletar dados suficientes, o femtobarn inverso (10⁻⁴³m²), para fazer avanços que possam cruzar as fronteiras da Física atual.

Os resultados obtidos até agora, quando se atingiu um total de energia de 7 TeV, incluem a validação de aspectos do Modelo Padrão de partículas.

© CERN (rastro de partículas no experimento ALICE)

A colisão de íons de chumbo vai avançar por outras fronteiras, rumo ao estudo dos primeiros instantes de existência do Universo.

Um dos principais objetivos com o uso do chumbo é produzir pequenas quantidades da matéria primordial que preenchia o Universo instantes depois de sua criação, conhecida como plasma de quarks-glúons, e estudar sua evolução para o tipo de matéria que compõe o Universo hoje.

Outro aspecto importante é elucidar as propriedades da interação forte, que liga as partículas chamadas quarks, em objetos maiores, como prótons e nêutrons.

O LHC vai colidir íons de chumbo até 6 de Dezembro, antes de uma parada técnica para manutenção. O funcionamento do colisor irá recomeçar, novamente com prótons, em fevereiro de 2011.

Fonte: CERN