Cientistas encontram sinais da existência da 'partícula de Deus'

Cern divulgou representação de sinal da existência do bóson de Higgs - Foto: AFP

O prêmio mais cobiçado da física de partículas - o bóson de Higgs - está mais perto de ter sua existência confirmada, segundo o anúncio de pesquisadores que encontraram novos indícios da chamada "partícula de Deus" no Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês) em Genebra. A partícula é considerada o pedaço que falta na principal teoria da física de partículas - conhecida como Modelo Padrão - que descreve como partículas e forças interagem. Ela seria responsável por dar massa a todas as outras partículas.

Durante um seminário do Cern, organização que opera o LHC, nesta terça-feira, cientistas anunciaram que dois experimentos no colisor conseguiram encontrar sinais que podem ser do bóson de Higgs, causando furor na comunidade científica. No entanto, os pesquisadores ainda não têm dados suficientes para reivindicar verdadeiramente a descoberta.

Encontrar o bóson de Higgs seria um dos maiores avanços científicos dos últimos 60 anos. De acordo com os cientistas, ela é crucial para a compreensão do universo, mas nunca foi observada em experimentos.

Qualidade ''excepcional''

Dois experimentos separados no Grande Colisor de Hádrons - Atlas e CMS - procuram separadamente pela partícula. A teoria do Modelo Padrão não prevê uma massa exata para o bóson de Higgs. Por isso, os físicos precisam utilizar aceleradores de partículas como o LHC para procurar o bóson dentro de um intervalo de massas.

O Atlas e o CMS procuram sinais da partícula entre bilhões de colisões que ocorrem em cada experimento do LHC. Evidências da existência dela apareceriam como pequenos "picos" nos gráficos dos físicos.

Nesta terça-feira, os diretores dos dois projetos disseram ter encontrado estas evidências no intervalo de massa entre 124 e 125 giga elétron-volts (GeV) - cerca de 130 vezes mais pesado do que os prótons encontrados no núcleo dos átomos.

"O excesso (referindo-se ao "pulo" nos dados) pode ser o resultado de uma flutuação, mas também pode ser algo mais interessante. Não podemos excluir nada neste estágio", disse Fabiola Gianotti, porta-voz do Atlas. Guido Tonelli, porta-voz do CMS, disse que "o excesso é muito compatível com um bóson de Higgs do Modelo Padrão nos arredores de 124 giga elétron-volts e abaixo disso, mas a significância estatística dele ainda não é suficiente para dizer nada conclusivo". "O que vemos é consistente tanto como uma flutuação como com a presença do bóson."

A confirmação estatística da medida obtida pelos experimentos ainda é muito baixa para classificá-la formalmente como uma descoberta.

Mecanismo do universo

Segundo os cientistas, quando o universo esfriou após o Big Bang, uma força invisível conhecida como o campo de Higgs teria se formado juntamente com o bóson de Higgs. É este campo que dá massa às partículas fundamentais que formam os átomos. Sem ele, estas partículas passariam pelo cosmos na velocidade da luz e não conseguiriam se aglutinar.

O modo como o campo de Higgs trabalha foi associado ao modo como fotógrafos e repórteres se reúnem ao redor de uma celebridade. O grupo de pessoas é "atraído" fortemente pela celebridade e cria resistência ao seu movimento em um salão, por exemplo. Dessa maneira, o grupo dá "massa" àquela celebridade, tornando sua movimentação mais lenta. "A questão do bóson de Higgs é que sempre dizemos que precisamos dele para explicar a massa, mas sua importância real é que precisamos dele para entender o universo", disse à BBC Tara Shears, física especializada em partículas, da Universidade de Liverpool. "Descobrir a partícula confirma que a abordagem que estamos usando para entender o universo está correta".

Estas preocupações motivam o esforço do Cern para destacar o bóson de Higgs e outros fenômenos usando o LHC. O Grande Colisor de Hádrons fica em um túnel circular de 27 quilômetros de comprimento na fronteira entre a França e a Suíça, repleto de ímãs que "conduzem" partículas de prótons pelo imenso anel. Em certos pontos do trajeto, o colisor faz com que os feixes de prótons se choquem uns com os outros a uma velocidade próxima à velocidade da luz, para que seja possível detectar outras novas partículas nos resultados da colisão.[Fonte: Terra]

Cientistas teletransportam gato de Schrodinger

O experimento envolve algumas das questóes mais intrigantes da física atual: a luz é uma onda, uma partícula, as duas coisas, ou nenhuma das duas coisas? [Imagem: Science/AAAS]

Se o experimento mental do gato de Schrodinger já não fosse estranho o suficiente, agora cientistas conseguiram complicar tudo um pouco mais.

A equipe do Dr. Noriyuki Lee e seus colegas da Universidade de Tóquio, no Japão, descobriram uma forma de teletransportar o gato de Schrodinger.

Teletransporte

O teletransporte quântico já foi demonstrado com átomos e até mesmo com moléculas de DNA.

No teletransporte quântico, a informação (como o spin de uma partícula ou a polarização de um fóton) é transferida de um local para o outro, sem que ocorra o deslocamento por um meio físico.

Não há transferência de energia nem de matéria.

Gato de Schrodinger

Já o famoso gato morto/vivo foi idealizado por Erwin Schrodinger para explicar o fenômeno quântico da superposição, em que uma partícula fica em dois estados simultaneamente, somente se decidindo entre um deles - ou colapsando, como dizem os físicos - quando se tenta medir esse estado.

Schrodinger explicou isto em termos de objetos em escala macro: um gato fechado em uma caixa contendo um frasco de veneno. O frasco estará aberto se uma partícula quântica estiver em um estado, e fechado se a partícula estiver em outro estado.

Em termos quânticos, o gato estará vivo e morto simultaneamente. Somente quando alguém abrir a caixa - o equivalente a medir o estado quântico da partícula - a partícula colapsará e conheceremos o real estado do gato - vivo ou morto.

Depois de ser teletransportado, gato de Schrodinger chega do outro lado no seu paradoxal estado de vivo/morto. [Imagem: Science/AAAS]

Teletransporte do gato de Schrodinger

Os pesquisadores descobriram uma forma de teletransportar um quanta de luz, ou um fóton, que está em um estado de superposição, ou seja, no chamado estado do gato de Schrodinger.

A partícula quântica superposta é destruída em um local e integralmente reconstruída em outro local, sem perder nenhuma de suas sensíveis propriedades quânticas - ou seja, o gato de Schrodinger chega do outro lado no seu paradoxal estado de vivo/morto.

Os pesquisadores começaram construindo um estado de entrelaçamento, no qual duas partículas compartilham propriedades qualquer que seja a distância entre elas.

Em outro ponto, eles construíram o gato de Schrodinger, a partícula em superposição, que deveria ser teletransportada.

O funcionamento do sistema de teletransporte propriamente dito dificilmente poderia ser descrito em linguagem não-matemática - veja na imagem o aparato necessário para executá-lo.

O processo envolve uma sequência de passos que combinam múltiplos fenômenos quânticos, incluindo compressão e subtração de fótons, entrelaçamento e detecção homódina.

O estado do gato de Schrodinger deve ser destruído em um lugar para que ele reapareça em outro - não foi uma clonagem, mas um teletransporte real. [Imagem: Science/AAAS]

Limite da não-clonagem

Apesar da complexidade do processo e da fragilidade dos estados quânticos envolvidos, os cientistas conseguiram comprovar o teletransporte usando uma ferramenta matemática conhecida como Função de Wigner, que descreve o quão "quântico" um pulso de luz é.

Essa função apresenta valores negativos que funcionam como uma medição da qualidade do teletransporte. Esta qualidade é medida por um número, chamado fidelidade, que deve ser maior do que 2/3 em uma operação de teletransporte feita com sucesso.

Esse valor de 2/3 é o chamado limite da não-clonagem, que garante que não existe mais nenhuma cópia da partícula quântica na origem - o estado do gato de Schrodinger deve ser destruído em um lugar para que ele reapareça em outro.

Ou seja, a partícula superposta de fato foi destruída em um ponto e recriada exatamente igual em outro - ela foi realmente teletransportada.

Transferência instantânea de informação

O experimento demonstra um mecanismo que poderá ser usado para projetar computadores quânticos que serão capazes de transportar informações com precisão e com absoluta segurança - e instantaneamente.

Em vez de disparar os bits através de fibras ópticas, onde há sempre o risco de que eles sejam monitorados por bisbilhoteiros, esses bits poderão ser teletransportados diretamente para o destino.

O mecanismo também é de interesse para o processamento quântico - basta imaginar algo como um dado que sai de um núcleo de processamento diretamente para outro núcleo, ou o resultado de um cálculo que chega instantaneamente no ponto do circuito onde ele está sendo esperado para o próximo passo do algoritmo.

A "sala de teletransporte" usada pelos cientistas japoneses não lembra em nada os aparatos vistos em filmes de ficção científica - e ela só funciona em escala quântica. [Imagem: Science/AAAS]

Luz sobre a luz

Do ponto de vista científico, o experimento demonstra o avanço obtido na manipulação dos objetos quânticos, há poucos anos vistos como meras abstrações.

E renova as esperanças de que os cientistas logo encontrem uma forma de representar graficamente os estados quânticos das partículas, para que tais estados possam ser visualizados diretamente.

Talvez então se conseguirá lançar alguma luz sobre o mistério da própria luz: a luz é uma onda, uma partícula, as duas coisas, ou nenhuma das duas coisas? [Fonte: Inovação Tecnológica]

Bibliografia:

Teleportation of Nonclassical Wave Packets of Light

Noriyuki Lee, Hugo Benichi, Yuishi Takeno, Shuntaro Takeda, James Webb, Elanor Huntington, Akira Furusawa

Science

15 April 2011

Vol.: 332 no. 6027 pp. 330-333

DOI: 10.1126/science.1201034

Make It Quantum and Continuous

Philippe Grangier

Science

15 April 2011

Vol.: 332 no. 6027 pp. 313-314

DOI: 10.1126/science.1204814

Cientistas querem colocar esfera em dois lugares ao mesmo tempo

Observar o comportamento de um objeto muito grande obedecendo as leis quânticas pode ser a melhor chance de descobrir onde é que a mecânica quântica deixa de funcionar e começa a vigorar a mecânica clássica.[Imagem: Romero-Isart et al.]

Cientistas estão planejando uma experiência desafiadora, que pretende colocar uma esfera em dois lugares ao mesmo tempo.

A ideia é trazer para o mundo macro os fenômenos estranhos da mecânica quântica.

Quântico e clássico

Desde que o mundo quântico comunicou-se com o mundo macro pela primeira vez os cientistas sabem que a mecânica quântica também pode influir no movimento de objetos macroscópicos.

Mas o objetivo agora é mais ambicioso: usar uma esfera "grande" para demonstrar o fenômeno da superposição , que permite que um objeto tenha mais de um estado ao mesmo tempo.

Os físicos têm-se perguntando se os objetos grandes podem seguir as leis quânticas desde que Erwin Schrödinger idealizou um experimento mental que mostra que um gato poderia existir em uma superposição de estar vivo e morto ao mesmo tempo.

Esfera quântica

A ideia agora é atingir uma esfera de vidro de 40 nanômetros de diâmetro, localizada dentro de uma pequena cavidade, com um laser.

Isso deverá forçar a esfera a saltar de um lado da cavidade para o outro.

Mas, como a luz é quântica por natureza, a posição da esfera também deverá ser, o que a obrigará a ficar em uma superposição quântica, irmanando-se com os fótons que a atingem.

O experimento terá de ser realizado em alto vácuo e em temperaturas extremamente baixas, para que a esfera não seja perturbada pelo ruído térmico ou pelas moléculas de ar, contou Oriol Romero-Isart, do Instituto Max Planck de Óptica Quântica, na Alemanha, um dos idealizadores do experimento.

Sem sobreposição

No ano passado, Aaron O'Connell e seus colegas da Universidade da Califórnia, nos Estados Unidos, demonstrou que é possível criar superposições em uma tira de metal de 60 micrômetros de comprimento.

No entanto, a separação física associada com os dois diferentes estados superpostos foi de apenas 1 femtometro (10^-15 metro), equivalente à largura do núcleo de um átomo.

A nova experiência, por sua vez, pretende colocar a esfera de vidro em dois lugares totalmente distintos ao mesmo tempo, sem sobreposição.

"Em nossa proposta, o centro de massa é colocado em uma superposição de localizações espaciais separadas por uma distância maior do que o tamanho do objeto", diz Romero-Isart.

Onde a mecânica quântica deixa de funcionar

Se der certo, será a primeira vez que a superposição será demonstrada em um objeto verdadeiramente macroscópico - embora uma esfera de 40 nanômetros não possa ser vista a olho nu, ela contém milhões de átomos, sendo maior do que um vírus.

Além do experimento com sobreposição de O'Connell, o máximo que se chegou até hoje em experimentos de superposição quântica foi em uma molécula chamada fulereno, com menos de 100 átomos.

Os cientistas afirmam que o experimento, ainda sem data marcada, deverá ser um teste valioso para a própria teoria da mecânica quântica.

Observar o comportamento de tais objetos muito grandes obedecendo as leis quânticas pode ser a melhor chance de descobrir onde é que a mecânica quântica deixa de funcionar e começa a vigorar a mecânica clássica.[Fonte: Inovação Tecnológia]

Bibliografia:

Large Quantum Superpositions and Interference of Massive Nanometer-Sized Objects

O. Romero-Isart, A. C. Pflanzer, F. Blaser, R. Kaltenbaek, N. Kiesel, M. Aspelmeyer, J. I. Cirac

Physical Review Letters

Vol.: 107, 020405 (2011)

DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.020405

Diamantes entrelaçados comunicam-se à distância

Cada cristal de diamante mede 3 milímetros de largura - maior do que os brilhantes de muitos anéis e brincos - e os dois ficaram a uma distância de 15 centímetros um do outro. [Imagem: Science/AAAS]

Em mais um experimento que demonstra as leis da mecânica quântica em escala macroscópica, cientistas interconectaram dois cristais de diamantes por meio do entrelaçamento.

O entrelaçamento quântico - ou emaranhamento - ocorre quando duas partículas interagem uma com a outra de tal forma que seus estados quânticos se tornam interdependentes.

Isto significa que, mesmo quando eles são distanciados um do outro, o que afetar um deles irá instantaneamente afetar o outro.

Em escala subatômica, esse estranho mecanismo tem sido utilizado para experimentos de criptografia e computação quântica.

Mais recentemente, os cientistas começaram a descobrir formas de fazer com que essa "ação fantasmagórica à distância", como Einstein chamava o entrelaçamento, possa ser observado em objetos macroscópicos.

Diamantes entrelaçados

Ka Chung Lee e seus colegas da Universidade de Oxford, no Reino Unido, usaram um complexo aparato de laser, divisores de feixes de luz e detectores para fazer com que os dois cristais de diamante compartilhassem vibrações atômicas chamadas fónons.

Muito parecidos com as ondas sonoras no ar, os fónons são movimentos de conjuntos de átomos, semelhantes a ondas, que ocorrem em todos os sólidos.

Cada cristal de diamante mede 3 milímetros de largura - maior do que os brilhantes de muitos anéis e brincos - e os dois ficaram a uma distância de 15 centímetros um do outro.

Um pulso de laser estimulou as vibrações fonônicas em uma região dos diamantes medindo 0,05 milímetro por 0,25 milímetro - pequena, mas visível a olho nu.

Essa "região quântica" fica em um estado que é desconhecido até que os cientistas fazem sua medição. Como estão entrelaçadas, a medição de uma delas faz a outra "colapsar" imediatamente para o mesmo valor, mesmo separadas e sem nenhum comunicação entre elas.

Os cientistas acreditam que o fenômeno poderá ser explorado em futuras arquiteturas de processamento quântico de informações, criando qubits menores em chips cristalinos.[Fonte: Inovação Tecnológica]

Bibliografia:

Entangling Macroscopic Diamonds at Room Temperature

K. C. Lee, M. R. Sprague, B. J. Sussman, J. Nunn, N. K. Langford, X.-M. Jin, T. Champion, P. Michelberger, K. F. Reim, D. England, D. Jaksch, I. A. Walmsley

Science

2 December 2011

Vol.: 334 no. 6060 pp. 1253-1256

DOI: 10.1126/science.1211914