LHC revela indícios de uma nova física

O LHCb é um experimento particularmente adequado para examinar o que é chamado de "violação de carga-paridade".[Imagem: CERN]

Nova Física:

Cientistas do LHC (Large Hadron Collider) apresentaram nesta segunda-feira o que pode ser o primeiro indício de uma "nova física" - fenômenos além da nossa compreensão atual do Universo, o que exigirá a elaboração de novas teorias da física.

Partículas chamadas mésons-D parecem decair de uma forma ligeiramente diferente de suas antipartículas, segundo relatou o físico Matthew Charles, do experimento LHCb, um dos grandes detectores do LHC.

O resultado pode ajudar a explicar porque vemos muito mais matéria do que antimatéria no Universo.

A equipe salienta que uma análise mais aprofundada será necessária para sustentar o resultado - os dados para isso já foram em grande parte coletados, mas ainda não deu tempo para analisá-los.

No momento, eles estão reivindicando uma certeza estatística de "3,5 sigmas" - sugerindo que há uma chance menor do que 0,05% de que o resultado que eles observaram deve-se ao acaso. É necessário chegar a 5 sigmas para que o resultado seja aceito como uma descoberta.

Violação de carga-paridade:

O LHCb é um experimento particularmente adequado para examinar o que é chamado de "violação de carga-paridade" - pequenas diferenças de comportamento se uma dada partícula é trocada por sua equivalente de antimatéria (mudando sua carga) e girada em torno de um dos seus eixos (mudando sua paridade).

Nossa melhor compreensão da física até agora, o chamado Modelo Padrão, sugere que as complicadas cascatas de decaimento dos mésons-D em outras partículas deve ser quase a mesma - com uma variação menor do que 0,1% - apresentada por uma cadeia similar de decaimento de antimatéria.

Mas a equipe do LHCb encontrou uma diferença de cerca de 0,8% - uma diferença significativa que, se for verdade, poderá anunciar a primeira "nova física" encontrada no LHC.

Identificar tal diferença no comportamento das partículas de matéria e antimatéria também pode finalmente ajudar a explicar porque o nosso Universo é esmagadoramente feito de matéria.

"Certamente este tipo de efeito, uma nova fonte de violação de CP, pode ser uma manifestação da física que estabelece a assimetria matéria-antimatéria," explicou o Dr. Matthew Charles, que apresentou os resultados.

No entanto, ele salientou que existem "muitos passos na cadeia" entre confirmar o resultado experimental e resolver a teoria para acomodá-lo.

"Este resultado é uma dica de algo interessante, e, se ele se confirmar, isso significará que, no mínimo, a nossa atual compreensão teórica precisa melhorar," afirmou. "É exatamente o tipo de coisa para a qual o LHC foi construído."

Os sigmas de uma descoberta em física:

A física das partículas tem uma definição para uma "descoberta": um nível de certeza de cinco sigmas.

O número de desvios-padrão, ou sigmas, é uma medida de quão improvável é que um resultado experimental deva-se simplesmente ao acaso, em vez de um efeito real.

O nível três sigmas representa a mesma probabilidade de jogar uma moeda e obter oito caras ou oito coroas em sequência.

Cinco sigmas, por outro lado, corresponderia a lançar a moeda mais de 20 vezes e obter sempre o mesmo resultado.

É altamente improvável que um resultado de cinco sigmas aconteça por acaso, e, assim, um resultado experimental cinco sigma torna-se uma descoberta aceita pela comunidade científica.[Fonte: Inovação Tecnológica]

Luz é gerada pelo vácuo

Os fótons virtuais que pululam do vácuo quântico são capturados em duplas por um "espelho" que vibra a uma velocidade próxima à velocidade da luz.[Imagem: Philip Krantz/Chalmers]

Luz do vácuo

Cientistas conseguiram produzir luz a partir do vácuo.

A realização do experimento, previsto há mais de 40 anos, coube a Christopher Wilson e seus colegas da Universidade Chalmers, na Suécia.

O grupo conseguiu capturar fótons que pululam do vácuo quântico, aparecendo e desaparecendo continuamente.

Vácuo não é vazio

O experimento é baseado em um dos mais estranhos, mas mais importantes, princípios da mecânica quântica: o princípio de que o vácuo pode ser tudo, menos um vazio "repleto de nada".

Na verdade, o vácuo está repleto de partículas que estão flutuando continuamente entre a existência e a inexistência: elas surgem do nada - ou melhor, do vácuo quântico - têm uma vida efêmera e desaparecem novamente.

Seu tempo de vida é tão curto que esses fótons são mais comumente conhecidos como partículas virtuais.

O que os pesquisadores fizeram foi pescar alguns desses fótons e dar-lhes a eternidade em termos quânticos, ou seja, transformá-los em fótons reais, luz que pode ser detectada por um sensor e medida.

Simulando um espelho

Para capturar os fótons virtuais, os pesquisadores simularam um espelho movendo-se a uma fração significativa da velocidade da luz. O fenômeno, conhecido como efeito de Casimir dinâmico, foi observado experimentalmente pela primeira vez.

"Como não é possível fazer um espelho mover-se rápido o suficiente, nós desenvolvemos outra técnica para obter o mesmo efeito," explica o professor Per Delsing, coordenador da equipe. "Em vez de variar a distância física até um espelho, nós variamos a distância elétrica de um circuito elétrico que funciona como um espelho para micro-ondas".

O "espelho" consiste em um sensor quântico conhecido como SQUID(Superconducting Quantum Interference Device), que é extremamente sensível a campos magnéticos.

Alterando a direção do campo magnético vários bilhões de vezes por segundo, os cientistas fizeram o "espelho" vibrar a uma velocidade equivalente a 25% a velocidade da luz.

Isto é cinco vezes mais do que a tentativa anterior, quando os cientistas afirmaram pela primeira vez ter produzido luz a partir do nada - aquele artigo, contudo, ainda não havia sido aceito para publicação em uma revista científica, o que significa que outros cientistas não haviam avaliado o experimento.

"O resultado foi que os fótons apareceram em pares do vácuo, e nós pudemos medi-los na forma de radiação de micro-ondas," disse Delsing, ou seja, exatamente como a teoria previa.

Materialização dos fótons

O que acontece durante o experimento é que o "espelho" transfere uma parte de sua energia cinética para os fótons virtuais, o que os ajuda a se "materializarem".

Segundo a mecânica quântica, vários tipos de partículas pululam no vácuo quântico. Os cientistas acreditam que foram capazes de detectar os fótons porque eles não têm massa.

"É necessário relativamente pouca energia para excitá-los e tirá-los do estado virtual. Em princípio, pode-se criar outras partículas do vácuo, como elétrons e prótons, mas isso vai exigir um bocado mais de energia," disse Delsing.

Agora os cientistas querem estudar em detalhes esses fótons emergentes: como eles surgem aos pares, os cientistas acreditam que eles possam ser úteis para o desenvolvimento de computadores quânticos, com seus qubits de partículas entrelaçadas.[Fonte: Inovação Tecnológica]

Bibliografia:

Observation of the dynamical Casimir effect in a superconducting circuit

C. M. Wilson, G. Johansson, A. Pourkabirian, M. Simoen, J. R. Johansson, T. Duty, F. Nori, P. Delsing

Nature

17 November 2011

Vol.: 479, 376-379

DOI: 10.1038/nature10561

Leis da Física variam ao longo do Universo

 

Os cientistas usaram quasares, gigantescos núcleos galáctivos muito brilhantes e muito distantes da Terra, para iluminar os átomos dispersos pelo espaço. Analisando a luz que nos chega, eles concluíram que esses átomos se comportam de forma diferente dos átomos na Terra.[Imagem: Michael Murphy/Swinburne University of Technology/NASA/ESA

A variação da constante alfa foi detectada como uma continuidade ao longo do espaço, o que daria uma espécie de "eixo preferencial" para o Universo - é como se houvesse um eixo magnético universal, atravessando todo o Universo observável, da mesma forma que há um eixo magnético na Terra. [Imagem: Webb et al.]

O estudo comparou a assinatura espectral de quasares distantes com os resultados obtidos em laboratório para concluir que a constante alfa varia ao longo do Universo. [Imagem: Julian Berengut/UNSW]

Um dos mais queridos princípios da ciência - a constância das leis da física - pode não ser verdadeiro. Um estudo publicado na mais conceituada revista de física, a Physical Review Letters, afirma que as leis da natureza podem variar ao longo do Universo. O estudo concluiu que uma das quatro forças fundamentais, o eletromagnetismo, parece variar de um lugar para outro. O eletromagnetismo é medido por meio da chamada constante de estrutura fina, simbolizada pela letra grega alfa (α). Essa constante é uma combinação de três outras constantes: a velocidade da luz (c), a carga do elétron (e) e a constante de Planck (h), onde α = e2/hc. O resultado é cerca de 1/137, um número sem dimensão, o que a torna ainda mais fundamental do que as outras constantes, como a gravidade, a velocidade da luz ou a carga do elétron. Em termos gerais, a constante alfa mede a magnitude da força eletromagnética - em outras palavras, a intensidade das interações entre a luz e a matéria.

Agora, John Webb e seus colegas das universidades de Nova Gales do Sul e Swinburne, na Austrália, e Cambridge, no Reino Unido, mediram o valor de alfa em cerca de 300 galáxias distantes, usando dados do Very Large Telescope do ESO, no Chile. “Os resultados nos deixaram estupefatos”, disse o professor Webb. “Em uma direção, a partir de nossa localização no Universo, a constante alfa vai ficando gradualmente mais fraca, e gradualmente mais forte na direção oposta.”

Isso mostra uma espécie de “eixo preferencial” para o Universo - chamado pelos cientistas de “dipolo australiano” - de certa forma coincidente com medições anteriores que deram origem à teoria do chamado Fluxo Escuro, que indica que uma parte da matéria do nosso Universo estaria vazando por uma espécie de “ralo cósmico”, sugada por alguma estrutura de um outro universo.

“A descoberta, se confirmada, terá profundas implicações para o nosso entendimento do espaço e do tempo, e viola um dos princípios fundamentais da teoria da Relatividade Geral de Einstein”, completou Webb, referindo-se ao princípio da equivalência de Einstein.

O resultado não é uma completa surpresa: as conclusões haviam sido anunciadas pela equipe em 2010. Naquele momento, porém, o estudo ainda não havia sido publicado em uma revista revisada pelos pares - tanta demora para que outros cientistas analisassem o estudo é uma indicação bem clara do impacto que os resultados podem ter sobre todo o edifício científico estabelecido.

O Dr. Webb e seus colegas vêm trabalhando no assunto há muito mais tempo. Seus primeiros resultados vieram em 1999, mas eram baseados em um número menor de galáxias, de uma região mais restrita do céu. Uma das implicações dessas “constantes inconstantes” é que o Universo pode ser infinito.

“Essas violações são de fato esperadas por algumas ‘teorias de tudo’, que tentam unificar todas as forças fundamentais. Uma alteração suave e contínua de alfa pode implicar que o Universo seja muito maior do que a parte dele que conseguimos observar, possivelmente infinito”, propõe o Dr. Victor Flambaum, coautor do estudo.

Outra possibilidade derivada dessa variação na constante alfa é a existência de multiversos, múltiplos universos que podem, de alguma forma, “tocar-se” uns aos outros. 

O professor Webb afirma que essa descoberta também pode dar uma resposta muito natural para uma questão que tem intrigado os cientistas há décadas: Por que as leis da física parecem tão bem ajustadas para a existência da vida?

“A resposta pode ser que outras regiões do Universo não são tão favoráveis à vida como nós a conhecemos, e que as leis da física que medimos em nossa parte do Universo são meramente ‘regras locais’. Nesse caso, não seria uma surpresa encontrar a vida aqui”, afirma o cientista. Isso porque basta uma pequena variação nas leis da física para que, por exemplo, as estrelas deixem de produzir carbono, o elemento básico da “vida como a conhecemos”.

Para chegar às suas conclusões, os cientistas usaram a luz de quasares muito distantes como faróis. O espectro da luz que chega até nós, vinda de cada quasar, traz consigo sinais dos átomos nas nuvens de gás que a luz atravessou em seu caminho até a Terra. Isso porque uma parte da luz é absorvida por esses átomos, em comprimentos de onda específicos que revelam a identidade desses átomos - de quais elementos eles são. Essas “assinaturas espectrais”, chamadas linhas de absorção, são então comparadas com as mesmas assinaturas encontradas em laboratório aqui na Terra para ver se a constante alfa é mesmo constante. Os resultados mostraram que não, que alfa varia ao longo de um eixo que parece atravessar o Universo, assim como um eixo magnético atravessa a Terra.

Quanto ao espanto causado pelos resultados, o Dr. Webb afirma que as chamadas leis da física não estão “escritas na pedra”. “O que nós entendemos por ‘leis da natureza’? A frase evoca um conjunto de regras divinas e imutáveis que transcenderiam o ‘aqui e agora’ para se aplicar em todos os lugares e em todos os tempos no Universo. A realidade não é tão grandiosa.

“Quando nos referimos às leis da natureza, estamos na verdade falando de um determinado conjunto de ideias que são marcantes na sua simplicidade, que parecem ser universais e que têm sido verificadas por experimentos. Portanto, somos nós, seres humanos, que declaramos que uma teoria científica é uma lei da natureza. E os seres humanos frequentemente estão errados”, escreveu ele em um artigo na revista Physics World.

Reação muito semelhante teve um dos pesquisadores responsáveis pelo recente experimento que teria identificado neutrinos viajando a velocidades superiores à da luz, outro achado que contraria as atuais leis da física. Ao falar sobre a controvérsia e as inúmeras tentativas de dar outras explicações para os resultados, o Dr. Sergio Bertolucci afirmou que “um experimentalista tem que provar que uma medição está certa ou está errada. Se você interpretar cada nova medição com as velhas teorias, você nunca terá uma nova teoria”.

E como os cientistas poderão ter certeza de que é hora de investir em uma nova teoria? Se há variação em uma das constantes, é de se esperar que as outras constantes fundamentais também variem. Tudo o que eles terão que fazer será projetar experimentos que possam verificar variações na gravidade, na carga do elétron ou na velocidade da luz.[Fonte: Inovação Tecnológica]