Física – As 10 melhores descobertas e inovações de 2012.

A publicação Physics World, da responsabilidade do Institute of Physics (IoP, a quem agradecemos a autorização de publicação deste post) do Reino Unido, revela as suas 10 melhores descobertas e inovações de 2012.

Londres, 14 de Dezembro de 2012

O prémio para de Revelação da Física Mundial do Ano 2012 vai “para as colaborações ATLAS e CMS no CERN pela descoberta conjunta duma partícula com as características do bosão de Higgs no LHC (Large Hadron Collider, ou Grande Colisionador de Hadrões).”

Nove outras iniciativas de investigação são altamente elogiadas e abrangem temas que vão desde a captação de energia à cosmologia de precisão.

1)   CERN descobre um bosão de Higgs.

Legenda: Uma das muitas colisões protão-protão na experiência CMS.

Mesmo sem se focar outros tópicos, 2012 será sempre lembrado como o ano em que a física veio para as luzes da ribalta – pelo menos durante uma gloriosa semana de Julho, quando os físicos que trabalham nas experiências ATLAS e CMS do CERN anunciaram a descoberta duma “partícula com as características dum bosão de Higgs”. As câmaras e os repórteres de todo o mundo afluíram ao laboratório de Genebra, onde o anúncio foi feito e a descoberta logrou abrir os noticiários e surgir nas primeiras páginas dos jornais de todo o mundo.

No entanto, o apelo das massas não a razão pela qual escolhemos a descoberta como a nossa descoberta do ano. O anúncio de Julho foi muito esperado porque os físicos tiveram o bosão de Higgs debaixo de mira durante quase 50 anos. A sua descoberta completa o Modelo Padrão da física de partículas – o que o torna na descoberta física mais importante até agora no século 21.

O bosão de Higgs e seu campo associado explicam como a simetria electrofraca foi quebrada logo a seguir ao Big Bang para dar a certas partículas elementares a propriedade da massa. O modelo padrão não previa, contudo, a massa do Higgs, que permaneceu um mistério até Julho. Foi quando ambas as experiências do CERN anunciaram que tinham descoberto independentemente uma partícula com uma massa de cerca de 125 GeV/c^2.

Crucialmente, as duas experiências foram capazes de reivindicar esse dado númérico com níveis de confiança dos 5σ (sigma 5). Qualquer descoberta que passa este limiar estatístico é geralmente considerada uma “descoberta” na comunidade da Física de Partículas.

E, como se isso não bastasse, as colaborações CMS e ATLAS destacaram-se devido à enorme escala do que foi alcançado pelas suas equipas de milhares de cientistas ao longo dos últimos 20 anos. Logo no início da década de 1990, quando foram inicialmente delineados os planos para o Large Hadron Collider (LHC), os físicos começaram também a pensar como poderiam construir detectores do tamanho de pequenos prédios para estes capturarem e medirem a multidão de partículas produzidas quando dois protões colidem a energias de TeV (Tera electrões-volts).

Alguns focaram-se em como se poderia armazenar grandes quantidades de dados provindos das colisões e como distribuir depois esses dados para os físicos de todo o mundo. E outros formaram equipas maiores, e começaram a desenvolver métodos para analisar esta vasta e desconcertante quantidade de informações.

Se as experiências tanto do ATLAS como do CMS tivessem simplesmente funcionado como era esperado, já seria o suficiente para se lhes atribuir um prémio Physics World. No entanto, ambas têm superado as maiores expectativas desde que começaram, em 2010, a recolher os dados. De facto, a actual porta-voz do ATLAS, Fabiola Gianotti, disse-nos que o acelerador produziu 10 vezes mais dados do que seria por esta altura expectável. “As experiências, a computação em grelha e o acelerador LHC estão com um desempenho assaz superior às nossas expectativas.”

Estas são apenas algumas das razões pelas quais ambas as experiências têm sido capazes de apontar directamente ao alvo Higgs, decorridos apenas dois anos, ou pouco mais do que isso, dedicados à detecção dos dados. De facto, a natureza exacta da nova partícula é revelada pela forma como ela decai noutras partículas, que são então detectadas pelas colaborações ATLAS e CMS. E enquanto Physics World teve o cuidado de chamar à descoberta “uma partícula com as características do Higgs” – assim como as próprias colaborações o têm feito – as provas que esta partícula se trata do bosão de Higgs, tal como este é descrito pelo modelo padrão da física de partículas, acumulam-se.

Essa ideia é sustentada por novas análises tornadas públicas pelas colaborações numa conferência no Japão, em Novembro, e foi parcialmente baseada nos dados das colisões a 8 TeV que foram entretanto adquiridos desde o anúncio de Julho. No início desta semana, disse Gianotti à Physics World, descobriu-se que a partícula está agora a ser medida com uma precisão cada vez maior. “O Modelo Padrão de Higgs goza de excelente saúde”, referiu a responsável.

Com a data de 17 de Dezembro a marcar o fim das colisões protão-protão a 8 TeV, o LHC irá colidir protões contra iões de chumbo até de Fevereiro de 2013. Ou seja, quando o colisionador for desligado por 24 meses para permitir que engenheiros actualizem tanto o acelerador/colisionador como as experiências/detectores principais para um teste posterior em 2015 a 13 TeV. Enquanto isso, tanto os investigadores do ATLAS como os do CMS ainda têm uma enorme quantidade de dados por analisar.

Uma propriedade importante da partícula que tem ainda de ser apurada é o seu momento intrínseco, ou spin. O Modelo Padrão prevê que deve ter spin zero, mas pode ter um spin de dois (o spin de um já foi descartado). Tanto Gianotti como Joe Incandela – porta-voz do CMS – acreditam que esta questão pode ser resolvida por meio da análise de dados existentes, com Incandela acrescentando que uma medida do spin com um significado estatístico de 3-4σ (sigma) poderá estar iminente em meados de 2013. Porquanto isso não seria ainda o “padrão ouro” 5σ, ele acredita que seria suficiente para convencer os físicos de partículas.

Então, o que podemos esperar do ATLAS e do CMS, quando o LHC estiver ligado e a funcionar a 13 TeV? Incandela aguarda com expectativa a série do primeiro triénio de recolha de dados num nível maior de energia e diz que uma combinação das actualizações com maiores taxas de detecção das colisões dará aos físicos uma medida melhor de quase todas as facetas do Higgs. Por exemplo, os cientistas serão capazes de estudar os canais de decaimento raros que realmente não podem ver a 8 TeV. “Isso irá preencher as peças do quebra-cabeças duma forma que hoje, na realidade, ainda não sabemos”, explica-nos Incandela. “Além disso, um Higgs abaixo de 130 GeV/c^2 é o que se poderia esperar nas extensões teóricas para lá do modelo padrão, tais como a Supersimetria (SuSy), que ajudam a preencher muitas das lacunas que faltam ao modelo e que ainda subsistem, incluindo a da origem da matéria escura.”

Altamente elogiado

Então, parabéns para o ATLAS, para o CMS e para as respectivas equipas. Agora tratemos das nossas restantes escolhas para as 10 melhores descobertas de 2012. Elas estão listadas abaixo sem qualquer ordem particular. Os critérios para avaliarmos os 10 melhores avanços incluem:

Importância fundamental da pesquisa

Avanço significativo no conhecimento

Forte concordância entre a teoria e a experiência

Interesse geral para todos os físicos

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2) Fermiões de Majorana

“Para Leo Kouwenhoven e colegas da Universidade de Tecnologia de Delft e da Universidade de Tecnologia de Eindhoven por detectarem a primeira prova do evasivo Fermião de Majorana num sólido.”

19 de abril de 2012

Legenda: Leo Kouwenhoven (à direita) e colegas inspeccionam o equipamento utilizado para encontrar os primeiros sinais dum Fermião de Majorana. (Cortesia: Sam Rentmeester)

Estes Físicos na Holanda dizem que encontraram a primeira evidência para a existência dos “fermiões de Majorana” – partículas que são as suas próprias antipartículas. Os pesquisadores afirmam ter descoberto o que eles chamam de “assinaturas” dessas evasivas partículas, que foram inicialmente previstas pelo físico italiano Ettore Majorana, em 1937, na interface entre um minúsculo fio de semicondutores e um eléctrodo supercondutor. Os fermiões de Majorana detectados na Holanda não são, no entanto, partículas fundamentais, mas quasipartículas – partículas, entidades híbridas que emergem do comportamento colectivo dos electrões num sólido.

Para além da sustentação da predição original de Majorana, a descoberta também está de acordo com mais recente trabalho teórico de que a partícula pudesse estar escondida dentro de dispositivos na fase sólida. Este facto pode ser importante para o desenvolvimento de computadores quânticos porque os fermiões de Majorana – ao contrário dos mais familiares fermiões “Dirac”, como os electrões (nota: as estatísticas de Fermi-Paul Dirac definem os Fermiões e as estatísticas de Bose-Einstein definem os Bosões) – obedecem à ” estatística não-abeliana ” (nota; na estatística não abeliana a aplicação da operação binária depende da ordem dos elementos do grupo), e assim deve ser resistente ao ruído ambiental (nota: entenda-se aqui ruído térmico, já que a temperatura afecta a conductividade dos elementos e das substâncias).

Os fermiões de Majorana poderiam, portanto, ser capazes de armazenar e transmitir informação quântica sem serem perturbados pelo mundo exterior, já que a mínima perturbação é o descalabro de qualquer tentativa de construir um computador quântico prático. (Nota: porque o entrelaçamento quântico é muito difícil de obter e ainda mais difícil de manter, e ainda porque é CAUSA e não efeito).

Metades e metades

A nova evidência para os fermiões de Majorana foi obtida por uma equipa liderada por Leo Kouwenhoven da Universidade de Tecnologia de Delft e da Universidade de Tecnologia de Eindhoven, que tem estudado materiais conhecidos como “supercondutores topológicos”. Estes são materiais que são supercondutores no seu cerne, mas são metais normais na sua superfície.

A equipa criou o seu supercondutor topológico ligando um nano-fio semicondutor de estrôncio-índio (nota, o índio é o elemento com o número atómico 49) a um eléctrodo supercondutor comum (nitreto de titânio e nióbio. [nota: Nitretos são compostos inorgânicos que apresentam como anião, ou ião com carga eléctrica negativa, o elemento Azoto com estado de oxidação -3 ( N^-3 ) geralmente ligado a metais]). Isto cria um supercondutor topológico na região do nano-fio que está perto do supercondutor comum. A outra extremidade do nano-fio está ligada a um eléctrodo normal feito de ouro. O dispositivo é arrefecido a temperaturas de dezenas de millikelvin e é-lhe aplicado um campo magnético ao longo da direcção do nano-fio.

Picos persistentes

A equipa mediu então a corrente que flui através do nano-fio como uma função de voltagem – e, em específico, a forma como a corrente se alterava em função das mudanças na voltagem. No zero do campo magnético aplicado, foram observados dois pequenos picos em ambos os lados da aplicação de voltagem zero. Quando o campo magnético aplicado foi aumentado, a posição destes picos permaneceu na mesma posição. Isto também ocorreu quando um campo eléctrico foi aplicado ao nano-fio.

De acordo com a equipa, esta não reactividade dos picos ao campo magnético e ao campo eléctrico só pode ser explicada pela presença de pares de Fermiões de Majorana numa extremidade do nano-fio.

“O que é mágico na mecânica quântica é que uma partícula de Majorana criada dessa forma é semelhante às que podem ser observadas num acelerador de partículas, apesar de tudo isto ser muito difícil de compreender”, diz Kouwenhoven.

A equipa reconhece que suas medidas não confirmam as propriedades topológicas espectáveis dos Fermiões de Majorana que tem visto – algo que gostaria que sucedesse para que estas partículas fossem úteis para aplicações na computação quântica.

Para isso, a equipe sugere uma série de novas experiências para medir outras propriedades das quasipartículas e estabelecer a sua natureza não-abeliana.

A pesquisa é descrita na revista Science.

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3) Violação da inversão Temporal

“Para a colaboração BaBar por ter feito a primeira observação directa da violação da inversão do Tempo, medindo as taxas a que o mesão Bº altera os estados quânticos.”

Os físicos têm estado à espera, há quase 50 anos, duma observação directa da violação da inversão do tempo (T). Agora, os pesquisadores que analisaram os dados obtidos no detector BaBar na instalação PEP-II no SLAC National Accelerator Laboratory, na Califórnia, fizeram exatamente isso. A colaboração focada nas transições entre os estados quânticos do mesão Bº descobriu que as taxas de transição eram diferentes. Enquanto a T-violação não é nenhuma surpresa, a sua medição experimental directa é uma constatação importante da teoria quântica de campos.

Nota: Embora em contextos restritos se possa encontrar esta simetria, o universo observável em si não apresenta simetria com reversão do tempo, principalmente devido à segunda lei da termodinâmica.

O Universo é não-simétrico ou assimétrico.

As assimetrias de tempo são geralmente distinguidas entre as intrínsecas às leis dinâmicas da natureza, e as devidas às condições iniciais do nosso universo.

A T-assimetria da força fraca é de primeira ordem, enquanto a T-assimetria da segunda lei da termodinâmica é de segunda ordem, isto porque o Principio da Incerteza permite, durante curtíssimos períodos de tempo, a violação da 2ª Lei da Termodinâmica.

4) – Movimentos dos Enxames de Galáxias.

Legenda: Enxame de Galáxias

“Para Nick Hand da Universidade da Califórnia, em Berkeley, e para os seus colegas do Telescópio de Cosmologia Atacama (ACT) e da Pesquisa Oscilação Bariónica Espectroscópica (BOSS) por serem os primeiros a detectar o movimento em grande escala dos enxames de galáxias.”

Os movimentos dos enxames onde as galáxias, tão distantes, se aglomeram, podem vir a dizer-nos muito sobre a formação do universo, e também a incidir a luz do conhecimento sobre as misteriosas matéria-escura e energia-escura. Há uns 40 anos, os físicos russos Rashid Sunyaev e Yakov Zeldovich calcularam que este movimento pode ser observado ao medir-se uma mudança leve de temperatura na radiação cósmica de fundo de micro-ondas (RCFM). Agora, Nick Hand e os seus colegas do ACT e da BOSS lograram exactamente isso, num outro triunfo da cosmologia de precisão.

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5) Espiando através de materiais opacos

“Para Allard Mosk e colegas do Instituto MESA+ da Universidade de Twente, pelo desenvolvimento duma nova técnica para ver objectos fluorescentes atrás de barreiras opacas”.

Legenda: Eu espio um Pi fluorescente

A medicina moderna baseia-se em grande medida na capacidade de olhar para dentro do corpo humano, com técnicas que variam desde os raios-X até à ressonância magnética, que foram desenvolvidas precisamente para esse efeito. No entanto, como o tecido é opaco para a maior parte do espectro eletromagnético – incluindo a luz visível – os médicos estão limitados em termos do que podem “ver”. Agora, Allard Mosk e os seus colegas usaram um efeito comum chamado laser Speckle para se poderem ver objectos fluorescentes na ordem de magnitude do micrómetro (um milionésimo de metro) e isto através de vários milímetros de material opaco.

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6) Radiação a Temperatura ambiente

“Para Mark Oxborrow do Laboratório Nacional de Física, e Jonathan Breeze e Neil Alford, do Imperial College de Londres para a construção do primeiro Maser (detalhes em Inglês) a operar em temperatura ambiente.”

http://pt.wikipedia.org/wiki/Maser_(radia%C3%A7%C3%A3o)

Os Masers (detalhes em Português) de fase sólida são detectores de micro-ondas extremamente sensíveis e, portanto, poderiam ser usados numa ampla gama de telecomunicações e de aplicações de imagem. Até agora, no entanto, os Masers precisaram de ser refrigerados a temperaturas extremamente baixas, usando hélio líquido para poderem trabalhar – tornando-os impraticáveis para a maioria das aplicações comerciais. Isto tudo pode mudar graças a Mark Oxborrow, Jonathan Breeze e Alford Neil, que desenvolveram o primeiro Maser que opera a temperatura ambiente.

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7) – Limpar dados vai custar-lhe energia

“Para Antoine Bérut, Arakelyan Artak, Petrosyan Artyom e Ciliberto Sérgio da Ecole Normale Supérieure de Lyon, Eric Lutz, da Universidade de Augsburg e Dillenschneider Raoul, da Universidade de Kaiserslautern por serem os primeiros a medir a pequena quantidade de calor emitida quando um bit de dados individual é apagado. ”

Desde que James Clerk Maxwell, no século 19, reflectiu sobre o seu demónio hipotético, os investigadores têm vindo a fazer conexões entre as teorias da informação e da termodinâmica.

Em 1961, o físico germano-americano Rolf Landauer argumentou que apagar a informação envolve a dissipação de calor. Agora, um sexteto de físicos em França e na Alemanha é o primeiro a verificar isso mesmo no laboratório – usando um pequeno laser de corte/lapidação curvilínea que alterna entre dois estados.

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8) – Entrelaçamento de feixes retorcidos de luz.

Legenda: Acção fantasmagórica torcida à distância?

Nota sobre a legenda, a acção fantasmagórica à distância é designada formalmente por “não-localidade.”

“Para Anton Zeilinger, Fickler Robert e seus colegas da Universidade de Viena pela elaboração duma nova técnica de entrelaçamento dos fotões usando o momento angular orbital.”

Legenda: Momento angular orbital da luz

Acção fantasmagórica torcida à distância?

O momento angular orbital de um feixe de luz em forma de saca-rolhas era uma quantidade que havia sido ignorada até há cerca de 20 anos. Hoje, porém, os físicos estão ocupados a sonhar com novas aplicações para esta “luz torcida”. Entre eles incluem-se Anton Zeilinger, Robert Fickler e colegas, que conseguiram entrelaçar fotões com números quânticos orbitais tão elevados quanto 300 – mais de 10 vezes acima do recorde anterior.

A nova técnica poderia levar ao emaranhamento de objectos macroscópicos e a descobrir aplicações nos sensores remotos, bem como na computação quântica.

9) – Comunicação baseada nos neutrinos

“Para uma colaboração de físicos da experiência Minerva no Fermi National Accelerator Laboratory e para os engenheiros da North Carolina State University e do NASA Glenn Research Center, liderada por Daniel Stancil da NCSU por serem os primeiros a demonstrar ser possível construir sistemas de comunicações que utilizam os neutrinos.”

Se quiser enviar uma mensagem através do universo – ou para um submarino nas profundezas das ondas – então os neutrinos poderiam ser a sua melhor aposta. A mensagem teria a garantia de lá chegar, porque estas partículas subatômicas podem atravessar facilmente uma espessura de 1000 anos-luz de chumbo sem serem afectadas. O problema, no entanto, é como codificar e detectar um sinal utilizando partículas que muito raramente reagem com a matéria. Uma colaboração liderada por Daniel Stancil foi a primeira a enfrentar este desafio usando o feixe de neutrinos NuMi no Fermilab e o detector Minerva para transmitir dados a mil metros, que é a distância que separa estas 2 instalações. Embora só o tenham conseguido com uma taxa de dados de 0,1 bit/s, portanto muito lenta, as mensagens foram recebidas com uma taxa de erro de bit de apenas 1%, demonstrando que o princípio da comunicação pelos neutrinos é consistente.

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10) – Gerar e armazenar energia num só passo

“Para Zhong Lin Wang e seus colegas do Instituto de Tecnologia da Geórgia pela criação dum novo sistema que converte a energia cinética em energia química num único passo.”

Legenda: Zhong Lin Wang mostra a sua nova célula de energia auto carregável.

Quantas vezes já lhe sucedeu estar fora de casa com um telefone móvel sem carga na bateria? Em vez de ter que encontrar um carregador e uma tomada elétrica, seria muito mais fácil carregar o seu telefone utilizando o seu sapato. Esse é o sonho de Zhong Lin Wang e dos seus colegas, que desenvolveu um novo sistema que pode captar a energia dos passos ou doutro movimento e armazená-la numa bateria. Embora este conceito não seja, de forma alguma, único, a tecnologia da equipa é a primeira a obter directamente a conversão da energia mecânica na energia química potencial – contornando os passos intermediários da conversão de energia mecânica em energia eléctrica, que é depois convertida em energia química.

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2012 foi um ano absolutamente fantástico no campo da Física.
Desejo a todos Boas Festas e um ano de 2013 cheio de Descobertas e de Inovações.

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Sobre este post. Esta é um tradução científica e uma adaptação autorizada pelo Institute of Physics do Reino Unido, a quem agradeço a amabilidade e o apoio que permitiu a sua elaboração.

Podem ler o original em Inglês aqui

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Nota técnica [IoP Accessed 15.12.2012, Manuel Rosa Martins IoP-member]