Polarização na radiação cósmica de fundo

Astrônomos detectaram um sinal de polarização previsto há muito tempo nas ondulações do Big Bang.

© NASA/COBE (anisotropia da radiação cósmica de fundo)

O sinal, conhecido como polarização de modo B, é provocado pelo arrasto gravitacional da matéria sobre fótons de microondas deixados pelo Big Bang.
Sua detecção, feita por um telescópio de microondas no Polo Sul aumenta as esperanças de que o sinal possa ser usado para mapear a quantidade de matéria do Universo e determinar as massas de três tipos de neutrinos; na prática, usando a astronomia para atingir um dos principais objetivos da física de partículas. A detecção também sugere que pode ser possível detectar outro tipo de modo B, que poderia ser evidência de que o Universo, no momento após o Big Bang, passou por uma violenta expansão conhecida como inflação.
“O motivo de ninguém ter conseguido ver isso antes é que esse é um sinal muito pequeno, cerca de uma parte em 10 milhões”, explica Duncan Hanson, astrofísico da McGill University em Montreal, no Canadá, que liderou o trabalho, usando receptores ultra-sensíveis no Telescópio do Polo Sul (TPS), de 10 metros. Em comparação, as primeiras medidas de ondulações na radiação cósmica de fundo, divulgadas em 1992 por pesquisadores usando o satélite COBE (Cosmic Background Explorer) da NASA, registrava diferenças de quatro partes em 100 mil.
Outros instrumentos também estão tentando detectar modos B, incluindo o experimento POLARBEAR e o Telescópio Cosmológico do Atacama (TCA), ambos em Chajnantor, no Chile.
“Eles nos derrotaram, e eu tiro o chapéu para eles”, elogia Lyman Page, astrônomo da Princeton University, em Nova Jersey, e principal pesquisador do ACT. “Esse é um sinal intrinsecamente claro, e todos nós acreditamos que ele se tornará uma ferramenta importante para medir o conteúdo do Universo”.
David Spergel, astrofísico teórico também de Princeton, concorda. “Essa é a primeira vez em que a polarização foi usada para identificar estruturas de grande escala no Universo”, observa ele.  
O TPS, ativado em 2007, usa a radiação cósmica de fundo para mapear as posições de galáxias e aglomerados estelares. Seus sensíveis receptores de microondas foram instalados em 2012 e conseguiram detectar variações no sinal de modo B por escalas muito pequenas no céu, aponta John Carlstrom, astrofísico da University of Chicago, em Illinois, e principal pesquisador do SPT. Para usar o sinal para localizar as massas de neutrinos, que compõem uma porção desconhecida da matéria sendo mapeada, astrônomos terão que varrer um trecho do céu muito maior que os 100 graus quadrados mapeados pelo TPS. Mesmo assim, Carlstrom lembra que não é impossível que telescópios determinem a massa de neutrinos nos próximos anos, antes que experimentos planejados para a física de partículas tentem fazer a mesma coisa com feixes de neutrinos na Terra.
Mas o objetivo final dos experimentos de polarização de microondas não é fazer física de partículas, mas cosmologia. Eles estão perseguindo uma classe diferente de modos B “primordiais”, que acredita-se serem gerados pela rápida expansão do espaço durante a inflação. Qualquer detecção seria uma confirmação definitiva da inflação – uma das principais teorias da cosmologia – e estabeleceria sua escala de energia, o que seria útil para físicos que trabalham para desenvolver teorias da gravidade quântica.
Mas modos B primordiais existiriam como pequenas variações em grandes escalas com mais de um grau de diâmetro, grandes demais para que o TPS encontre importância estatística com o trecho celeste relativamente pequeno que ele observa.
O satélite Planck da ESA que varre o céu inteiro, pode ser capaz de identificá-los.
Também é possível que eles sejam discerníveis em conjuntos de dados menores, como o TPS, uma vez que modos B gravitacionais tenham sido mapeados e removidos, com o potencial de revelar qualquer sinal primodial abaixo. De acordo com Spergel, a observação mais recente do TPS sugere que essa abordagem para detectar modos B é um bom prospecto.

Um artigo sobre a pesquisa foi publicado na revista Nature.

Fonte: Scientific American Brasil

Radiação do corpo negro atrativa

Os corpos negros são objetos não refletores perfeitos, que produzem radiação constante quando estão a uma temperatura uniforme.

© APS (interação entre um átomo e um corpo negro)

Assim, as propriedades de um corpo negro depende da temperatura em que este se encontra, sendo a energia da radiação de corpo negro proporcional à quarta potência da temperatura, e agora esta radiação teria um efeito repulsivo. Por intermédio de num novo artigo, foi demonstrado teoricamente que a radiação de um corpo negro induz uma segunda força nos átomos e moléculas que estão na sua vizinhança que é atrativa e mais forte do que a repulsiva, a pressão da radiação. Consequentemente, os átomos e moléculas são puxados para a superfície do corpo negro por uma uma força que poderá ser superior à da gravidade. A nova força atrativa, apelidada de “força do corpo negro”, sugere que uma variedade de cenários astrofísicos sejam revisitados.

Os cientistas verificaram aspectos interessantes na sua formulação. Primeiro, essa força decai com a terceira potência da distância ao corpo negro (F ∝ 1/r³). Segundo, a força é mais forte para objetos pequenos. Terceiro, a força é mais forte para os objetos mais quentes, até certo ponto. Acima de alguns milhares de graus Kelvin, a força de atração muda para repulsão.

Neste estudo, foi demonstrado que a força do corpo negro num grão de poeira, a uma temperatura de 100 K, é muito mais forte do que a atração gravitacional sobre este grão. No entanto, para uma estrela massiva, a uma temperatura de 6.000 K, a força do corpo negro é muito mais fraca do que a força gravitacional.

Os resultados também poderiam ter aplicações experimentais, como os efeitos de superfícies quentes microestruturadas em câmaras de vácuo. No entanto, a força do corpo negro atraente vai ser difícil de medir porque será muito débil em condições de laboratório normais.

O estudo foi publicado na revista Physical Review Letters.

Fonte: Phys.Org

Detecção de um decaimento raro

O CMS (Compact Muon Solenoid) detectou um importante e raro decaimento previsto pelo Modelo Padrão da física de partículas.

© CMS (produção de mésons B_s)

A medida do decaimento de mésons B_s em pares de muons, foi anunciada ontem na conferência bienal da Sociedade Europeia de Física, em Estocolmo (Suécia), e chega depois de uma espera de cerca de 25 anos. 
Em cada bilhões de mésons B_s produzidos, espera-se que apenas três decaiam em dois muons, primos mais pesados do elétron.

Não obstante o sucesso do Modelo Padrão da física de partículas ao longo de décadas, obtido através de múltiplas previsões que foram verificadas experimentalmente, sabemos que pode não ser uma teoria completa: não oferece uma explicação para a evidência cosmológica da matéria escura, nem explica o domínio da matéria sobre a antimatéria no Universo. Se a fronteira da física estiver ao seu alcance, o LHC irá revelá-la, e o CMS tem procurado sistematicamente indicações de várias extensões propostas para o Modelo Padrão.

O decaimento de mésons B (compostos de um quark “bottom” e um outro quark mais leve) em dois muons (μ) é um canal ideal para procurar evidência indireta de novas descobertas na física. Os decaimentos de dois tipos de mésons B – B⁰ (composto de um quark “bottom” e um quark “down”) e mésons B_s (composto de um quark “bottom” e um quark “strange”) – em pares de muons são muito suprimidos no Modelo Padrão. No entanto, várias extensões do Modelo Padrão  preveem um desvio significativo das taxas de decaimento em ambos os sentidos (aumento ou maior supressão). Se a medida da taxa de decaimento de um destes mésons B for incompatível com a previsão do Modelo Padrão, teremos um sinal de nova física em ação. Durante quase 25 anos, várias experiências em diversos aceleradores de partículas procuraram estes decaimentos raros. Os limites superiores na taxa de decaimento estabelecidos experimentalmente melhoraram quatro ordens de grandeza ao longo do tempo, com a sensibilidade das experiências aproximando-se, recentemente, dos valores previstos pelo Modelo Padrão. No caso do decaimento B_s → μμ, o LHCb (Large Hadron Collider beauty), durante a colisão próton-próton com energia de 8 TeV (8,5 × 10^-7 J) mostrou no final do ano passado a primeira evidência experimental da sua existência com uma significância de 3.5σ.

A emoção desta fantástica medida experimental traz consigo uma ponta de desilusão para aqueles que procuram uma nova física. Grande parte do interesse no estudo do decaimento B_s → μμ reside no seu potencial para revelar as imperfeições do Modelo Padrão. No entanto, a história está longe de terminar. Com a continuação do programa de física do LHC, mais colisões estarão disponíveis para análise, e a precisão com que o CMS e outras experiências poderão medir estes e outros decaimentos raros poderá apenas melhorar. Maior precisão será útil para limitar as possibilidades da nova física e poderá apontar o caminho futuro para a física de altas energias. Por exemplo, o recomeço do LHC em 2015 colocará a sensibilidade do CMS ao nível de poder medir a taxa de decaimento de B⁰ → μμ conforme prevista pelo Modelo Padrão.

Observar este decaimento raro do mesão B_s representa um marco importante em 25 anos de uma longa viagem, deixando à nossa frente muito território por explorar no mundo da física de partículas.

Um artigo que apresenta o resultado foi submetido para publicação na revista Physical Review Letters.

Fonte: CERN

Nanografeno: a nova forma de caborno

Químicos da Boston College (EUA) e da Universidade de Nagoya (Japão) sintetizaram o uma nova forma de carbono.

© Nature Chemistry (nanografeno)

O novo material (C₈₀H₃₀) é composto por várias peças idênticas de grafeno grosseiramente deformado, cada um contendo exatamente 80 átomos de carbono unidos entre si numa rede de 26 anéis, com 30 átomos de hidrogênio na borda. Como medem pouco mais de um nanômetro de diâmetro, estas moléculas individuais são chamadas genericamente de "nanocarbonos", ou mais especificamente, neste caso, como "nanografenos grosseiramente deformados".

Até recentemente, os cientistas tinham identificado apenas duas formas de carbono puro: diamante e grafite. Em 1985, os químicos ficaram surpresos com a descoberta de que os átomos de carbono também pode se juntam para formar bolas ocas, conhecidas como fulerenos. Desde então, os cientistas desenvolveram tubos longos e extremamente finos de átomos de carbono, conhecidos como os nanotubos de carbono, e grandes folhas soltas planas de átomos de carbono, conhecidos como grafeno. A descoberta dos fulerenos foi agraciada com o Prêmio Nobel de Química em 1996, e a sintetização do grafeno foi agraciada com o Prêmio Nobel de Física em 2010.

O aspecto contorcido dessas moléculas altera as propriedades físicas, ópticas e eletrônicas do nanocarbono, o que o define como um novo material. Por exemplo, as moléculas de nanografeno são mais solúveis do que o grafeno.

"E os dois diferem significativamente na cor também. Medições eletroquímicas revelaram que os nanografenos planares e contorcidos são igualmente oxidáveis, mas o nanografeno contorcido é muito mais difícil de reduzir," disse o Dr. Lawrence Scott, membro da equipe que descobriu a nova forma de carbono.

Este novo material tem tudo para ampliar ainda mais as potencialidades do grafeno, pois as propriedades eletrônicas e ópticas das folhas planas de carbono podem ser modificadas de maneira previsível através da síntese química.

Se for possível controlar o grau de distorção das folhas de grafeno variando o número de anéis na molécula, isso permitirá o desenvolvimento de segmentos de grafeno com propriedades precisamente controladas, o que seria muito útil para a fabricação de componentes optoeletrônicos.

Fonte: Nature Chemistry

Objetos levitam entre ondas sonoras

Gotículas de água, grânulos de café, fragmentos de poliestireno e até mesmo um palito de dentes está entre os itens que andaram voando por aí em um laboratório suíço recentemente, todos eles mantidos no ar por ondas sonoras.

© D. Poulikakos (gota é levitada entre superfícies emissoras de som)

O dispositivo que realiza essa levitação acústica é o primeiro capaz de manipular vários objetos simultaneamente. Ele foi descrito esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences.
Normalmente, as técnicas de levitação utilizam o eletromagnetismo; forças magnéticas já foram usadas até para levitar sapos. Há muito tempo se sabe que ondas sonoras também anulam a gravidade, mas até agora o método não tem aplicação prática porque ele não consegue fazer mais que manter um objeto parado.
Para também mover e manipular objetos em levitação, Dimos Poulikakos, engenheiro mecânico do Instituto Federal Suíço de Tecnologia (ETH) em Zurique, e seus colegas, construíram plataformas que fazem som usando cristais piezoelétricos, que encolhem ou esticam dependendo da voltagem aplicada a eles. Cada plataforma é do tamanho de uma unha de dedo mínimo.
As plataformas emitem ondas de som que se movem para cima até atingirem uma superfície suspensa, e de lá são refletidas de volta. Quando as ondas refletidas para baixo se sobrepõem às ondas sonoras que estão subindo, as duas ‘se cancelam’ no meio, nos chamados pontos nodais. Objetos posicionados neles permanecem parados no lugar devido à pressão de ondas sonoras vindas de ambas as direções.
Ao ajustar a posição dos nodos, os pesquisadores podem arrastar objetos entre plataformas. As plataformas podem ser organizadas de maneiras diferentes para se adaptarem a vários experimentos. Em uma demonstração envolvendo um arranjo de plataformas em forma de T, os pesquisadores juntaram duas gotículas introduzidas em locais separadas e depois depositaram a gotícula combinada em um terceiro local.
O sistema também poderia ser usado para combinar reagentes químicos sem a contaminação que pode resultar do contato com a superfície de um recipiente. Ondas sonoras já são usadas na indústria farmacêutica para obter resultados precisos durante exames de drogas. Mas o método de Poulikakos é o primeiro a oferecer a possibilidade de controlar vários items simultaneamente com precisão.
Poulikakos sugere que o sistema poderia ser usado para testar reações químicas perigosas. “Nós nos divertimos demonstrando a ideia ao colidir um torrão de sódio com água, o que é obviamente uma reação agressiva”, conta ele.
Peter Christianen, físico que trabalha com levitação eletromagnética na Universidade Radboud em Nijmegen, na Holanda, declara estar impressionado com a invenção. “Eu gostei muito disso; essa é uma plataforma muito versátil, você consegue manipular quase qualquer coisa nela”.

Fonte: Nature

Força de Van der Walls é medida diretamente

Cientistas na França são os primeiros a fazer uma medição direta da força de Van der Waals entre dois átomos.

© Bjørn Christian Tørrissen (pata de lagartixa apoiada num vidro)

Eles fizeram isso, aprisionando dois átomos de Rydberg com um laser e, em seguida, mediram a força em função da distância que os separa. Os dois átomos estavam em um estado quântico coerente e os pesquisadores acreditam que seu sistema poderia ser usado para criar portas lógicas quânticas ou realizar simulações quânticas de sistemas da matéria condensada.
A força de Van der Waals entre átomos, moléculas e superfícies faz parte da vida cotidiana de muitas maneiras diferentes. Aranhas e lagartixas a utilizam para subir paredes lisas, por exemplo, e também  dentro de nossos corpos elas ocorrem na duplicação das proteínas.
Nomeada em homenagem ao cientista holandês Johannes Diderik van der Waals, quem primeiro propôs em 1873 para explicar o comportamento dos gases, é uma força muito fraca, que só se torna relevante quando moléculas e átomos  estão muito próximos uns dos outros. Flutuações na nuvem eletrônica de um átomo significa que ele vai ter um momento de dipolo instantâneo. Isto pode induzir um momento de dipolo em um átomo disponível, sendo o resultado de uma interação atrativa dipolo-dipolo.
Houve muitas medidas indiretas das forças de Van der Waals entre os átomos. Exemplos incluem a análise das forças líquidas em corpos macroscópicos ou na espectroscopia para verificar o comportamento de longo alcance da força entre dois átomos em uma molécula diatômica. No entanto, a medição direta iludiu os cientistas até agora.
Esta última pesquisa foi feita por pesquisadores do Laboratoire Charles Fabry (LCF) e da Universidade de Lille. "O que temos feito aqui, pela primeira vez ao nosso conhecimento, é medir diretamente a interação de Van der Waals entre dois átomos individuais que estão localizados a uma distância controlada", diz Thierry Lahaye, que faz parte da a equipe LCF.
Controlando a distância entre os átomos normais, enquanto se mede a força entre elas, é extremamente difícil, porque as distâncias relevantes são pequenas. Para contornar este problema, a equipe usou átomos de Rydberg, que são muito maiores do que os átomos normais. Esses átomos têm um elétron em um estado excitado. Isto significa que eles têm um grande momento de dipolo instantâneo, e, portanto, deve ter muitas interações fortes de Van der Waals em distâncias relativamente longas. Eles também têm propriedades únicas que lhes permitem ser controlado com uma grande precisão no laboratório.
A experiência começa com dois átomos de rubídio presas em dois feixes de laser focado estreitamente separadas por alguns micrômetros. A luz laser no comprimento de onda específico é então aplicada nos átomos, que leva o sistema a oscilar entre o estado fundamental e um ou dois átomos de Rydberg. A equipe descobriu que, quando as condições eram perfeitas, o sistema oscila entre o estado fundamental e um par de átomos de Rydberg, um em cada foco do laser. Ao medir essas oscilações, a equipe analisou o vigor da força de Van der Waals entre os dois átomos de Rydberg.
Ao ajustar a precisão do feixe de laser, a equipe conseguiu mover os átomos de Rydberg mais próximos ou mais distantes. Ao mudar a distância R entre os átomos, a força variou 1/R⁶, exatamente como esperado pela força de Van der Waals.
Além da medição da força, a equipe também foi capaz de mostrar que a evolução quântica do estado dos dois átomos de Rydberg interagindo foi totalmente coerente, algo que "nunca foi visto na física atômica", afirma Antoine Browaeys, membro do grupo LCF.
Assim como a lógica quântica
Esta evolução coerente de dois átomos interagindo é idêntica à de um porta lógica quântica em funcionamento em dois bits quânticos (qubits).
Com efeito, o significado a longo prazo desta experiência não é a medida da força em si, mas sim ao elevado grau de controle dos átomos de Rydberg que tenham alcançado. "Isso nos permitirá projetar pequenos sistemas quânticos de tamanho crescente, de dois a algumas dezenas de átomos de Rydberg, sobre os quais temos controle total das interações", explica Lahaye.
Tais sistemas podem encontrar uso no processamento de informação quântica ou na simulação quântica de sistemas da matéria condensada, como ímãs quânticos.
Steven Rolston do Joint Quantum Institute da Universidade de Maryland, que não esteve envolvido no estudo, chama o trabalho um marco importante para a criação de dispositivos de informação quântica, porque mostra que a interação de Van der Waals entre qubits atômicas se comporta como esperado.

Fonte: Physical Review Letters