Nova Física? Um momento do Muão desafiador!

[vc_row][vc_column width="1/4"][bs-user-listing-4 columns="1" title="" icon="" hide_title="1" heading_color="" heading_style="default" title_link="" filter_roles="0" roles="" count="1" search="" order="DESC" order_by="user_registered" offset="" include="35" exclude="" paginate="none" pagination-show-label="0" pagination-slides-count="3" slider-animation-speed="750" slider-autoplay="1" slider-speed="3000" slider-control-dots="off" slider-control-next-prev="style-1" bs-show-desktop="1" bs-show-tablet="1" bs-show-phone="1" custom-css-class="" custom-id="" override-listing-settings="0" listing-settings="" bs-text-color-scheme="" css=""][/vc_column][vc_column width="3/4"][vc_column_text css=".vc_custom_1620408937048{margin-left: 26px !important;}"]Os físicos de partículas andam nestes dias em perfeita polvorosa e apaixonante debate sobre os resultados experimentais obtidos no Laboratório Fermilab dos EUA, que publicou os seus achados sobre o movimento, corretamente designado por momento magnético duma partícula fundamental, o Muão.
Ora este amigo Muão é um primo direito do mais familiar Electrão que esse sim conhecemos por transportar a electricidade nos fios eléctricos.

O Muão é muito mais pesado do que o seu primo, é de facto 207 vezes mais pesado do que o electrão e é gerado naturalmente tanto em interações de altas energias, como em raios cósmicos que atingem a nossa atmosfera, bem como ainda artificialmente em aceleradores de partículas como o deste laboratório norte-americano Fermilab.
E reveste-se de enorme interesse para a ciência dado que o Muão, tal como o seu primo mais leve, nunca anda por aí sozinho, mas sim acompanhado por outras partículas sub-atómicas.

A Festa cósmica do Muão.
Ora se o electrão, nosso conhecido, tem por bom costume emitir e absorver fotões (a partícula que transporta a luz e o magnetismo) o seu primo pesado Muão progride com uma verdadeira corte pelo menos 207 vezes ao quadrado vezes mais completa. Ou seja, com quase 43 mil mais interações com outras partículas, numa verdadeira festa cósmica.
Para detectar e medir a existência destas partículas acompanhantes, os físicos obrigam os muões a girar dentro duns magnetes poderosos e deixam-nos ir perdendo aos poucos o seu Momento, e ir cada vez mais devagar, soltando em decaimento as pegadas reveladoras das partículas acompanhantes.
A coisa fica um tudo nada mais complicada porque se mede o balanço, ou momento giro-magnético do Muão. Vamos chamar a este amigo o “g.”


Ora o g tem um valor muito perto de 2 e assim o momento magnético do Muão ficou com a alcunha, que pegou em nome oficial, de g-2.

O valor teórico do g-2 no modelo-padrão com 17 partículas fundamentais conhecidas é de 2,0023318319. E o valor experimental obtido começou por ser, em 2001, de 2,0023318404 .

Ora os 3 últimos algarismos à direita da vírgula são bem diferentes, e é precisamente ao longo destas casas decimais que as partículas acompanhantes do Muão revelam a sua presença, ao fazerem inclinar o Muão sobre o seu eixo.

Ora tamanha e tal explícita divergência pode revelar 3 coisas;Primeira coisa: o modelo-padrão da Física de partículas está errado, o que seria a primeira vez. Segunda coisa: os cálculos das observações experimentais estão errados. Terceira coisa. Os cálculos estão todos bem, mas incompletos, revelando a presença de partículas até hoje propostas em hipóteses, mas nunca observadas.

Desde logo uma série de candidatos se alinha, desde versões mais pesadas dos bosões transportadores da força que faz brilhar o Sol, os W- e W+ e o Z, nas versões W' e Z', ou prime (primos), até uma versão dum bosão de Higgs pequeno, e ainda outras.

Ou, ainda mais excitante, será que nesta diferença se revela a partícula, ou partículas, da misteriosa Matéria-escura, cerca de 23% do nosso Universo, que detectamos indirectamente mas ainda não sabemos como e de que é composta?

Para colocar água na fervura um outro cálculo teórico veio afirmar que afinal não há diferença nenhuma entre a previsão teórica e a observação experimental.

Então em que é que ficamos?

O resultado do Fermilab é em todo o caso um 4,2 sigma. Uma descoberta exige mais, exige um 5 sigma, que é um cálculo que afere a probabilidade de não se tratar de uma anomalia das estatísticas dos números gigantescos típicos das Física de Partículas.

Ficamos que ambos os cálculos precisam de ser revistos, o g-2 do Muão foi calculado com 2 abordagens diferentes, mas, nestas ordens de magnitude, tem de se aceitar que tanto os parâmetros experimentais como os teóricos estejam sujeitos a erros, devidos sobretudo à complexidade das acções das partículas dos núcleos atómicos.
A Física Sabine Hossenfelder, escrevendo no Scientific American, e em pleno debate com a directora do CERN, Fabiola Gianotti, refere cálculos com 15 mil diagramas.

Sabine está céptica, Fabiola está do lado dos entusiastas de nova física no sentido de novos campos-força com os respectivos quanta, ou partículas acompanhantes do enigmático Muão.

É gratificante, entretanto verificar, num ano em que tanto se mencionou a participação das Mulheres na Ciência, que sejam 2 Mulheres a liderar este incrível debate, e ainda outra, Aida El-Khadra, Física de partículas da Universidade do Illinois, a liderar o grupo (chamado BMW) que fez os cálculos experimentais no acelerador do Fermilab.

O Muão, o primo mais pesado do electrão, uma partícula reveladora dos mistérios da Natureza, saltou com todo o mérito do acelerador do fermilab para o debate científico.

Artigo revisto pelo Doutor João Seixas, Professor do Instituto Superior Técnico e investigador do CERN.
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O comportamento escondido dos supercondutores

Uma equipa internacional liderada por Nuno Peres, do Centro de Física da Escola de Ciências da Universidade do Minho e do INL, descobriu que o uso do grafeno permite lançar luz sobre comportamentos “escondidos” dos materiais supercondutores, os quais estão associados a muitas das novas tecnologias quânticas.

O estudo foi publicado na PNAS – Proceeedings of the National Academy of Sciences, considerada a revista científica generalista mais prestigiada após a Science e a Nature. Foi na PNAS que, em 2005, se anunciou o isolamento de vários materiais bidimensionais (como o grafeno), por Andre Geim e Konstantin Novoselov, ambos laureados com o Nobel da Física em 2010.

O presentetrabalho envolveu ainda o INL – Laboratório Ibérico Internacional de Nanotecnologia, as universidades do Sul da Dinamarca, Técnica da Dinamarca e de Columbia (EUA), o Instituto de Ciência e Tecnologia de Barcelona (Espanha), e teve o apoio do consórcio Graphene Flagship da Comissão Europeia.

A maioria da energia elétrica que geramos e transportamos tem perdas associadas devido à resistência elétrica dos condutores (como o cobre) onde a corrente elétrica flui, dissipando-se na forma de calor. Já um supercondutor permite à corrente elétrica fluir por ele sem resistência elétrica. Os supercondutores são alvo de fenómenos complexos. O exemplo talvez mais conhecido é o da sua utilização na levitação de comboios de alta velocidade, cuja base destes é arrefecida a temperaturas muito baixas e, ao interagir com os ímanes fortes dos carris, flutua e pode atingir velocidades na ordem dos 500 km/h. Outros efeitos físicos dos supercondutores são esquivos, não sendo facilmente observáveis porque, por exemplo, não interagem diretamente com a luz (radiação eletromagnética). Um desses “cantos invisíveis” é o modo de Higgs, uma “oscilação na densidade dos pares de portadores de carga” nos supercondutores.

Descoberta à nanoescala


Agora, descobriu-se que o grafeno pode ajudar a lançar luz sobre esse “recanto escuro” da física de alguns tipos de supercondutores. O grafeno é uma monocamada de carbono (com um átomo de espessura) obtida a partir da grafite (vemo-la na ponta do lápis), sendo muito leve, flexível, resistente e um bom condutor elétrico. Esse perfil permite-lhe guiar oscilações coletivas de carga elétrica que interagem com a luz (denominadas por plasmões), de modo semelhante aos eletrões num metal, mas de forma extremamente eficiente, intensa e à nanoescala, como parte da equipa responsável por este artigo na PNAS tinha demonstrado na revista Science em 2018 e em 2020.

Neste novo trabalho, os cientistas estudaram a forma como tais oscilações do “mar de eletrões” do grafeno interagem com pares de eletrões num supercondutor colocado a poucos nanómetros de distância. Para tal, depositaram no topo desse supercondutor uma folha de grafeno encapsulada em nitreto de boro hexagonal. O modo de Higgs foi assim detetado pela forma como a paisagem energética das oscilações de carga elétrica no grafeno era modificada pela presença do supercondutor. Foi esse acoplamento que permitiu “ver” o fenómeno esquivo. Nesse modo de Higgs, o supercondutor sofre intensas “flutuações da densidade dos pares de eletrões” que alteram a forma como coletivamente se comportam os eletrões no grafeno.

O artigo sugere igualmente que combinar a interação luz-matéria à nanoescala, evolvendo matéria fortemente correlacionada, pode ajudar a compreender a física fundamental por detrás dos fenómenos que governam os materiais àquela escala. Esse conhecimento é indispensável para o desenvolvimento de novas tecnologias quânticas. Intitulado “Harnessing ultraconfined graphene plasmons to probe the electrodynamics of superconductors”, o trabalho inclui ainda, entre os seis autores, o português Paulo André Gonçalves, que é ex-aluno da licenciatura em Física da Universidade do Minho e investigador pós-doutorado na Dinamarca.

Descoberta de novas partículas?

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Uma equipa internacional, que conta com a participação de cinco investigadores da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC), anunciou hoje à comunidade científica um surpreendente número de eventos registados pelo XENON1T, o sistema mais sensível de sempre na deteção de matéria escura.

A natureza destes eventos não está, porém, ainda totalmente deslindada, não se declarando por isso a descoberta da matéria escura. A sua assinatura é semelhante à produzida por quantidades residuais de trítio (um átomo de hidrogénio com dois neutrões e um protão no núcleo), mas pode ser também sinal de algo muito mais importante: a existência de um novo tipo de partícula denominado axião solar ou de propriedades até agora desconhecidas dos neutrinos.

O XENON1T esteve em operação entre 2016 e 2018 em Itália, no laboratório subterrâneo de Gran Sasso, debaixo de 1300 metros de rocha. Projetado para a deteção extremamente rara de matéria escura, este sistema de altíssima sensibilidade mostrou já conseguir registar outros eventos de muito difícil deteção. Por exemplo, no ano passado foi publicada na prestigiada revista Nature a medida direta conseguida com este sistema, pela primeira vez na história, do decaimento nuclear mais raro no universo.

O sistema XENON1T usa como alvo duas toneladas de xénon ultra-purificado. «Uma radiação ao passar pelo alvo pode gerar, em geral, sinais ínfimos de luz e carga. A esmagadora maioria destes sinais (mais de 99,9%) deve-se a radiações de origem conhecida, o que permite aos cientistas calcular com grande precisão o número de eventos esperado. E aqui observaram-se mais 22,8% eventos em relação ao previsto», diz José Matias-Lopes, investigador do Laboratório de Instrumentação, Engenharia Biomédica e Física da Radiação (LIBPhys) da FCTUC e coordenador da equipa portuguesa.

Uma possível explicação «terá a ver com a presença de trítio, um isótopo radioativo do hidrogénio. Alguns átomos de trítio em 10 biliões de biliões de átomos de xénon seriam o suficiente para justificar o excesso de eventos registados, mas não existe ainda forma de medir estas tão ínfimas concentrações e assim confirmar esta hipótese», esclarece.

Outra possibilidade, «muitíssimo mais interessante, é a existência de um novo tipo de partícula. De facto, o excesso de eventos observados tem energias similares às que se esperam para os axiões produzidas no sol», avança José Matias-Lopes.

Os axiões são partículas previstas teoricamente, tendo o sol condições para ser uma fonte intensa deles. Embora os axiões não sejam matéria escura, o seu avistamento seria o primeiro de uma nova classe de partículas cuja existência é solidamente apoiada pelos estudos teóricos. Esta descoberta teria um forte impacto no avanço do conhecimento, não só da Astrofísica, mas também da própria Física. Adicionalmente, os axiões produzidos no início do universo podem também explicar a origem da matéria escura.

A terceira e última explicação avançada para o excesso observado tem origem nos neutrinos, que passam aos biliões pelo nosso corpo a cada segundo, sem deixar rasto. A confirmar-se esta hipótese, o momento magnético (uma característica de todas as partículas) dos neutrinos teria de ser superior ao valor previsto pela teoria, o que obrigaria à necessidade de criar novos paradigmas e modelos físicos capazes de o explicar.

Das três explicações consideradas pelos cientistas da colaboração XENON, «a mais favorecida em termos estatísticos é a dos axiões solares, com uma probabilidade de cerca de 99,98% de que os sinais sejam desta origem. Mas mesmo com este elevado grau de probabilidade não se pode declarar descoberta», revela José Matias-Lopes.

As outras duas possibilidades, trítio ou neutrinos com maior momento magnético, têm também uma elevada probabilidade, cerca de 99,93% em ambos os casos, de estarem na origem do excesso observado.

O XENON1T vai ser substituído por um novo sistema de deteção ainda mais sensível, o XENONnT, que deverá entrar em funcionamento este verão. Os cientistas preveem que dois ou três meses depois terão a confirmação da origem deste sinal; se se deve a um contaminante ou então a algo verdadeiramente revolucionário: uma nova partícula ou tipo de interação que vai para além daquilo que já se conhece.

«Avizinham-se por isso tempos de grandes avanços e de descobertas que levam a largos passos em frente no conhecimento da Humanidade», afirma o consórcio.

O consórcio XENON é constituído por 163 cientistas de 28 grupos de investigação dos EUA, Alemanha, Portugal, Suíça, França, Holanda, Suécia, Japão, Israel e Abu Dhabi. Portugal é parceiro desta colaboração desde o seu início, em 2005, através da equipa do LIBPhys da Universidade de Coimbra.[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row]

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