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Quando ele está debaixo d'água, ele se molha?
Ou será que a água o deixa molhado ao invés disso?
Ninguém sabe. "
- Trecho da canção "Particle Man" - They Might Be Giants.
Aprendemos na escola que a matéria é feita de átomos e que átomos são feitos de ingredientes menores: prótons, nêutrons e elétrons. Prótons e nêutrons são feitos de quarks, mas os elétrons não são. Tanto quanto nós podemos dizer, os quarks e os elétrons são partículas fundamentais, não construídas com qualquer coisa menor.
Uma coisa é dizer tudo é feito de partículas, mas o que é uma partícula? E o que significa dizer que uma partícula é "fundamental"? Do que é feito as partículas, se elas não são construídas a partir de unidades menores?
"No sentido mais amplo," partículas "são coisas físicas que podemos contar", diz Greg Gbur, um escritor de ciência e físico da Universidade da Carolina do Norte em Charlotte. Você não pode ter metade de um quark ou um terço de um elétron. E todas as partículas de um determinado tipo são precisamente idênticas umas com as outras: elas não vêm em várias cores ou tem pequenas placas que as distinguem. Quaisquer dois elétrons irão produzir o mesmo resultado em um detector, e é isso que os torna fundamental: Eles não vêm em um pacote de variedade.
Não é só a matéria: A luz também é feita de partículas chamadas fótons. Na maioria das vezes, os fótons individuais não são visíveis, mas os astronautas relatam ver flashes de luz, mesmo com os olhos fechados, causados por um único fóton de raio gama em movimento através do fluido no interior do globo ocular. Suas interações com partículas dentro cria fótons de luz azul conhecidos como Radiação Cherenkov, que tem luz suficiente para desencadear a retina, e fazem com que os astronautas "veem" um único fóton (embora muito mais sejam necessários para fazer uma imagem de qualquer coisa).
Campos eternos de partículas
Isso não é toda a história, no entanto: Nós podemos ser capazes de contar as partículas, mas eles podem ser criadas ou destruídas, e até mesmo alterar seu tipo em algumas circunstâncias. Durante um tipo de reação nuclear conhecida como decaimento beta, um núcleo cospe um elétron e uma partícula fundamental chamado um antineutrino, enquanto um nêutron dentro do núcleo se transforma em um próton. Se um elétron encontra um pósitron em baixas velocidades, elas se aniquilam, deixando apenas os raios gama; em altas velocidades, a colisão cria uma enorme quantidade de novas partículas .
Todo mundo já ouviu falar da famosa equação de Einstein E = mc². Parte do que isso significa é que fazer uma partícula requer energia proporcional à sua massa. Neutrinos, que são muito baixos em massa, são fáceis de fazer; elétrons têm um limiar mais elevado, enquanto os pesados bósons de Higgs precisam de uma enorme quantidade de energia. Os fótons são mais fáceis para fazer, porque eles não têm massa ou carga elétrica, por isso não há limite de energia para superar.
Mas é preciso mais do que a energia para fazer novas partículas. Você pode criar fótons, acelerando elétrons através de um campo magnético, mas você não pode fazer neutrinos ou mais elétrons dessa maneira. A chave é como essas partículas interagem com as três forças fundamentais da natureza quântica: o eletromagnetismo, a força fraca e a força forte. No entanto, essas forças são também descritas utilizando partículas na teoria quântica (partículas mediadoras): o eletromagnetismo é transportada por fótons, a força fraca é governada pelos bósons W e Z, e a força forte envolve os glúons.
Todas estas coisas são descritas em conjunto por uma ideia chamada "teoria quântica de campos."
"Teoria do campo abrange a mecânica quântica e mecânica quântica engloba o resto da física", diz Anthony Zee, um físico do Instituto Kavli de Física Teórica e da Universidade da Califórnia, Santa Barbara. Zee, que escreveu vários livros sobre a teoria quântica de campos tanto para cientistas e não-cientistas, admite, "Se você pressionar um físico a dizer o que um campo é, ele vai dizer que um campo é tudo o que um campo faz."
Apesar da imprecisão do conceito, campos descrevem tudo. Dois elétrons se aproximam uns dos outros e eles agitam o campo electromagnético, criando fótons como ondas em um lago. Esses fótons em seguida, empurram os elétrons separados.
E as ondas?
As ondas são a melhor metáfora para compreender partículas e campos. Elétrons, além de serem partículas, são, ao mesmo tempo ondas no "campo de elétrons." Quarks são ondas no campo de "quark" (e uma vez que existem seis tipos de quarks, há seis campos de quarks), e assim por diante. Os fótons são como ondulações da água: eles podem ser grandes ou pequenos, violentos ou quase imperceptível. Os campos que descrevem partículas de matéria são mais como ondas em uma corda de guitarra. Se você não puxar a corda o suficiente, você não obter qualquer som: Você precisa a energia limiar correspondente a uma massa de elétrons para fazer um. energia suficiente e você começa a primeira harmônica, que é uma nota clara (para a corda) ou um elétron (para o campo).
Como resultado de todo esse pensamento quântico, muitas vezes é inútil pensar em partículas como sendo como pequenas bolas.
"Os fótons [e partículas de matéria] viajam livremente através do espaço como uma onda", diz Gbur, embora eles possam ser contados como se fossem bolas.
Uma metáfora que pode ajudar: Os campos que contêm elétrons, eletromagnetismo e tudo mais, preenchem todo o espaço-tempo, em vez de ser como uma corda unidimensional ou superfície da lagoa bidimensional.
E, claro, nós ainda estamos nos inclinamos a perguntar: Se as partículas vêm de campos, são os campos fundamentais, ou há uma física mais profunda envolvida? Até o momento em que a teoria vier com algo melhor, a descrição das partículas de matéria e das forças é a única coisa que podemos confiar na física das partículas.
Traduzido adaptado de Symmetry Magazine
Traduzido adaptado de Symmetry Magazine
A escala de Planck define o limite mínimo do universo, além do qual as leis da física se quebram.
Na década de 1890, o físico Max Planck propôs um conjunto de unidades para simplificar a expressão das leis da física. Usando apenas cinco constantes na natureza (incluindo a velocidade da luz e a constante gravitacional), você, eu e até mesmo alienígenas de Alfa Centauro podem chegar a estas mesmas unidades de Planck.
As unidades de Planck básicas são comprimento, massa, temperatura, tempo e carga.
Vamos considerar a unidade de comprimento de Planck, por um momento. O próton é aproximadamente 100 milhões trilhões de vezes maior que o comprimento de Planck. Para colocar isto em perspectiva, se nós dimensionarmos o próton até o tamanho do universo observável, o comprimento de Planck seria uma simples viagem de Tóquio para Chicago. O voo de 14 horas pode parecer muito tempo para você, mas para o universo, passaria completamente despercebido.
A escala de Planck foi inventada como um conjunto de unidades universais, por isso foi um choque quando esses limites também acabou por ser os limites para as leis conhecidas da física aplicada. Por exemplo, uma distância menor que o comprimento de Planck não faz sentido — a física se quebra.
Os físicos não sabem o que realmente se passa na escala de Planck, mas eles podem especular. Alguns físicos de partículas preveem todas as quatro forças fundamentais — gravidade, a força fraca, eletromagnetismo e a força forte — finalmente se fundem em uma força unica. As Supercordas e gravidade quântica são também possíveis fenômenos que podem dominar a escala de energia de Planck.
A escala de Planck é o limite universal, além do qual quebram-se as leis da física atualmente conhecidas. Para compreender algo mais do que isso, precisamos de física nova, indecifrável, uma teoria da gravitação quântica ou teoria de tudo.
Traduzido e adaptado de Symmetry Magazine
O campo de Higgs dá massa às partículas elementares, mas a maioria da nossa massa vem de outro lugar.
A história de massa das partículas começa logo após o big bang. Durante os primeiros momentos do universo, quase todas as partículas eram sem massa, viajando na velocidade da luz em uma "sopa primordial" muito quente. Em algum momento durante este período, o campo de Higgs ligou-se, permeando o universo e dando em massa para as partículas elementares.
O campo de Higgs mudou o ambiente quando foi ligado, alterando a maneira que as partículas se comportam. Algumas das metáforas mais comuns comparam o campo de Higgs com um barril de melaço ou xarope espesso, o que retarda algumas partículas a medida que elas viajam através do barril.
Outros já imaginam o campo de Higgs como uma multidão em uma festa ou um famoso tentando passar por uma horda de paparazzi. Assim que cientistas famosos ou uma lista de celebridades passarem, as pessoas irão cercá-los, diminuindo sua velocidade, mas rostos menos famosos viajarão através das multidões despercebidos. Nestes casos, a popularidade é sinônimo de massa: quanto mais popular você for, mais você vai interagir com o público, e mais "maciço" você será.
Mas como o campo de Higgs se ligou? Por que algumas partículas interagem mais com o campo de Higgs do que outras? A resposta curta é: Não sabemos.
"Isso é parte da razão pela qual encontrar o campo de Higgs é apenas o começo, porque temos uma tonelada de perguntas", diz Matt Strassler, um físico teórico e associado do departamento de física da Universidade de Harvard.
A força forte e você
O campo de Higgs dá massa às partículas fundamentais, como elétrons, quarks e outros blocos de construção que não podem ser quebrados em partes menores. Mas estes ainda representam apenas uma pequena proporção da massa do universo.
O resto vem de prótons e nêutrons, que recebem quase toda a sua massa da força nuclear forte. Estas partículas são cada um compostas por três quarks que se deslocam a uma velocidade vertiginosa que estão ligadas entre si por glúons, as partículas que carregam a força forte (o nome glúons vem de cola, em inglês, pois estas partículas mantêm o núcleo dos átomos coeso). A energia desta interação entre quarks e glúons é o que dá prótons e nêutrons sua massa. Tenha em mente a famosa equação de Einstein E = mc² , o que equivale a energia e massa. Isso faz com que a massa seja um depósito secreto para a energia.
"Quando você coloca três quarks juntos para criar um próton, você faz uma ligação de uma enorme densidade de energia em uma pequena região no espaço", disse John Lajoie, físico da Universidade do Estado de Iowa.
Um próton é feito de dois quarks up e um quark down; um nêutron é feito de dois quarks down e um quark up. Sua composição semelhante faz como que as massas que eles adquirem da força forte sejam quase idênticas. No entanto, os nêutrons são ligeiramente mais maciços do que prótons e essa diferença é crucial. O processo de decomposição de nêutrons em prótons promove a química, e assim, a biologia. Se prótons fossem mais pesados, eles, ao invés disso, decairiam nêutrons, e o universo como o conhecemos não existiria e claro, nós também não.
"Como se vê, os quarks down interagem mais fortemente com o [campo] Higgs, para que eles tenham um pouco mais de massa", diz Andreas Kronfeld, um físico teórico do Fermilab. É por isso que a pequena diferença de massa entre prótons e nêutrons existe.
Mas o que dizer de neutrinos?
Aprendemos que as partículas elementares obtêm a sua massa do campo de bósons, mas espere! Pode haver uma exceção: neutrinos. Neutrinos estão em uma classe única; eles têm massas extremamente pequenas (um milhão de vezes menor do que o elétron, a segunda partícula mais leve), são eletricamente neutros e raramente interagem com a matéria.
Os cientistas estão intrigados em porque neutrinos são tão leves. Os teóricos estão considerando várias possibilidades. Isso pode ser explicado se os neutrinos são suas próprias anti-partículas, isto é, se a versão antimatéria é idêntica à versão de matéria. Se os físicos descobrirem que este é o caso, isso significaria que os neutrinos obterão a sua massa de algum lugar que não seja o bóson de Higgs, que os físicos descobriram em 2012.
Neutrinos devem obter a sua massa a partir de um campo de Higgs-like, que é eletricamente neutro e se estende por todo o universo. Este poderia ser o mesmo Higgs que dá massa a outras partículas elementares, ou poderia ser um primo muito distante. Em algumas teorias, a massa do neutrino também vem de uma fonte nova adicional, marca que poderia segurar as respostas a outros remanescentes mistérios da física de partículas.
"As pessoas tendem a ficar animadas sobre essa possibilidade, porque pode ser interpretada como evidência de uma escala de energia nova, sem relação com o fenômeno Higgs", diz André de Gouvêa, um físico de partículas na Universidade Northwestern.
Este novo mecanismo também pode ser relacionado à forma com que a matéria escura, que os físicos pensam que seja composta de partículas ainda não descobertas, obtém sua massa.
"A natureza tende a ser econômica, por isso, é possível que o esse novo conjunto de partículas explique todos esses fenômenos estranhos que nós ainda não explicamos", diz de Gouvêa.
Traduzido e adaptado de Symmetry magazine
Os cientistas querem conectar as forças fundamentais da natureza em uma Grande Teoria Unificada.
Os anos 1970 foi uma época inebriante na física de partículas. Novos aceleradores nos Estados Unidos e na Europa transformam partículas inesperadas que os teóricos tentam explicar e por sua vez previu novas partículas elementares que iriam por vir nos experimentos. O resultado foi o Modelo Padrão de partículas e interações, uma teoria que é, essencialmente, um catálogo dos bits fundamentais da matéria e as forças que os regem.
Enquanto o Modelo Padrão é uma boa descrição do mundo subatômico, alguns aspectos importantes - como partículas e suas massas - saíram de experimentos ao invés de teorias.
"Se você notar, o Modelo Padrão, francamente é uma bagunça", diz John Ellis, um físico de partículas do Kings College London. "Você tem um monte de parâmetros, e todos eles parecem arbitrários. Você não pode me convencer de que é a teoria final! "
A ideia seria criar uma grande teoria unificada, ou GUT, que elegantemente explicar como o universo funciona, ligando três das quatro forças conhecidas juntas. Os físicos primeiramente ligaram a força eletromagnética, que determina a estrutura dos átomos e o comportamento da luz e a força nuclear fraca, que está na base como as partículas de decaimento.
Mas eles não pararam por aí. Os cientistas começaram a trabalhar para vincular essa teoria eletrofraca com a força forte, que liga quarks para formar coisas como os prótons e nêutrons em nossos átomos. (A quarta força que conhecemos, a gravidade, não tem uma teoria quântica completa, por isso é relegada ao reino das Teorias de Tudo, ou, do inglês, Theories of Everthyng - ToE's )
A ligação entre as diferentes forças em uma única teoria não é fácil, uma vez que cada uma se comporta de maneira diferente. O Eletromagnetismo é uma força de longo alcance, a força fraca é de curta distância, e a força forte é fraao em ambientes de alta energia, como no universo primordial e forte, onde a energia é baixa. Para unificar essas três forças, os cientistas têm de explicar como elas podem ser aspectos de uma única coisa e ainda manifestar-se em formas radicalmente diferentes no mundo real.
A teoria eletrofraca unificada das forças eletromagnética e fraca, propõe que aspectos de uma única interação que está presente apenas em altas energias, como em um acelerador de partículas ou muito cedo universo. Acima de um determinado limiar conhecido como a escala eletrofraca, não há diferença entre as duas forças, mas a unidade é quebrada quando a energia cai abaixo de um certo ponto.
Os GUTs desenvolvidas em meados da década de 1970 para incorporar a força forte previu novas partículas, assim como a teoria eletrofraca fez antes. Na verdade, a primeira GUT mostrou uma relação entre as massas das partículas que permitiram físicos fazerem previsões sobre a partícula mais pesado antes de ter sido detectada experimentalmente.
"Calculamos a massa do quark bottom antes de ser descoberto", disse Mary Gaillard, um físico de partículas da Universidade da Califórnia, Berkeley. Os cientistas do Fermilab viriam a encontrar a partícula em 1977.
GUTs também previu que os prótons deve decair em partículas mais leves. Havia apenas um problema: Experimentos não viram esse decaimento.
O problema com prótons
A GUT previu que todos os quarks poderiam potencialmente mudar em partículas mais leves, incluindo os quarks que formam os prótons. Na verdade, a GUT disse que prótons seria instáveis durante um período muito mais do que o tempo de vida do universo. Para maximizar as chances de ver esse decaimento de prótons raros, os físicos precisaram construir detectores com muitos átomos.
No entanto, o primeiro experimento de Kamiokande no Japão não detectou qualquer decaimento de prótons, que significava uma vida de prótons mais curta do que o previsto pela teoria do GUT mais simplória. O GUT surgiu com tempos de vidas mais previstas para prótons – assim como interações mais complicadas e partículas adicionais.
GUT's mais modernas se misturam em Supersimetria (SUSY), uma forma de pensar sobre a estrutura do espaço-tempo que tem profundas implicações para a física de partículas. SUSY usa interações extras para ajustar a força das três forças no modelo padrão, para que eles se encontrem em uma energia muito alta, conhecida como a escala das GUT's.
"A Supersimetria dá mais partículas envolvidas através de efeitos quânticos virtuais no decaimento do próton," diz JoAnne Hewett, um físico do departamento de energia do SLAC National Accelerator Laboratory. Ela estende a vida útil prevista do próton além do que experiências anteriores foram capazes de testar. Ainda baseadas na SUSY, a GUT também teve alguns problemas.
"Eles são meio bagunçadas", disse Gaillard. Particularmente, estas teorias prevêem mais partículas Higgs e o bóson de Higgs do modelo padrão deve se comportar de maneiras diferentes. Por essa razão, Gaillard e outros físicos são menos apaixonados com a GUT do que eram na década de 1970 e 80. Para piorar a situação, nenhuma partícula supersimétrica foi encontrada ainda. Mas a caçada continua.
"A base filosófica que impulsionou a grande unificação ainda não morreu, e é tão importante quanto nunca," diz Ellis. "Eu ainda amo a Suzy, e também estou apaixonado com a GUT"
Hewett concorda que a GUT ainda não está morta.
"Acredito firmemente que uma observação de decaimento do próton afetaria como cada pessoa iria pensar sobre o mundo", diz ela. "Todo mundo poderia entender que somos feitos de prótons e' Oh uau!' Eles decaem!'"
Experiências recentes como o Hyper-K propostas no Japão e o experimento de Neutrino subterrâneo profundo nos Estados Unidos serão a sonda de decaimento de prótons de maior precisão do que nunca. Ver um decaimento de prótons nos dirá algo sobre a unificação das forças da natureza, e se nós, finalmente, poderemos confiar em nossas entranhas.
Traduzido e adaptado de Symmetry Magazine
Será que finalmente Stephen Hawking ganhará o seu Nobel?
Cerca de 42 anos atrás, o renomado físico teórico Stephen Hawking propôs que nem tudo o que entra em contato com um buraco negro sucumbe à sua nulidade insondável. Minúsculas partículas de luz (fótons) são por vezes expulsas de volta para fora, roubando o buraco negro de uma quantidade infinitesimal de energia, e esta perda gradual de massa ao longo do tempo significa que cada buraco negro se evapora fora da existência.
Conhecidas como radiação de Hawking, estas partículas que escapam nos ajudam a fazer sentido de um dos maiores enigmas do Universo conhecido, mas depois de mais de quatro décadas, ninguém foi capaz de realmente provar que elas existem, e a proposta de Hawking permaneceu firmemente em território hipotético.
Mas tudo isso pode estar prestes a mudar. Dois grupos independentes de pesquisadores relatam que eles encontraram provas para sustentar as afirmações de Hawking, e, como isso, poderemos ver um dos maiores físicos vivos finalmente ganhar um prêmio Nobel.
Então vamos voltar a 1974, quando tudo isso começou.
Hawking tinha entrado em uma discussão com um estudante de graduação da Universidade de Princeton, Jacob Bekenstein, que sugeriu em sua tese de PhD que a entropia de um buraco negro - a "desordem" de um sistema, relacionados ao seu volume, energia, pressão e temperatura - era proporcional a área do seu horizonte de eventos.
Como Dennis Overbye explica no The New York Times, este era um problema, porque de acordo com o entendimento aceito de leis físicas no momento - incluindo o próprio trabalho de Hawking - a entropia e o volume de um buraco negro nunca poderia diminuir.
Hawking investigou as alegações, e em seguida, percebeu que ele estava errado. "[Dr] Hawking fez um cálculo prodigioso incluindo a teoria quântica, as estranhas regras que regem o mundo subatômico, e ficou chocado ao encontrar partículas próximas de distância do buraco negro, indicando que ele não era tão negro afinal", escreve Overbye.
Hawking propôs que o Universo está repleto de "partículas virtuais" que, de acordo com o que sabemos sobre como a mecânica quântica funciona, elas piscam dentro e fora de existência e se aniquilam mutuamente, logo que entram em contato - exceto se acontecer de aparecerem em ambos os lados do horizonte de eventos de um buraco negro. Basicamente, uma partícula é engolida pelo buraco negro, e a outra irradia para o espaço.
A existência de radiação de Hawking respondeu a uma série de perguntas sobre como os buracos negros realmente funcioam, mas no processo, isso levantou um monte de problemas que os físicos ainda estão tentando conciliar.
"Nenhum resultado em física teórica tem sido mais fundamental ou influente do que sua descoberta de que os buracos negros têm entropia proporcional à sua área de superfície", diz Lee Smolin , físico teórico do Instituto Perimeter de Física Teórica no Canadá.
Enquanto Bekenstein recebeu o Prêmio Wolf em 2012 e prêmio Einstein da Sociedade Americana de Física em 2015 por seu trabalho, que o The New York Times diz que muitas vezes são precursores para o Prémio Nobel. Bekenstein faleceu no ano passado, mas Hawking está agora mais perto do que nunca para ver sua hipótese comprovada.
O problema? Lembra quando eu disse que os fótons que escapam estavam roubando uma quantidade infinitesimal de energia a partir de um buraco negro toda vez que eles escaparam? Bem, infelizmente para Hawking, esta radiação é tão delicada que é praticamente impossível detectá-la a milhares de anos-luz de distância.
Mas o físico Jeff Steinhauer da Universidade Technion em Haifa, Israel, pensa que chegou a uma solução - se não podemos detectar a radiação Hawking em reais buracos negros a milhares de anos-luz de distância de nossos melhores instrumentos, por que não trazer os buracos negros para nossos melhores instrumentos?
Como relata Oliver Moody para The Times, Steinhauer conseguiu criar um "buraco negro" sonoro, e quando ele chutou a engrenagem, ele testemunhou partículas roubarem a energia de suas franjas.
Relatando sua experiência em um artigo publicada no site arXiv.org, Steinhauer diz que arrefeceu o hélio para um pouco acima do zero absoluto, em seguida, agitou-o tão rápido, que formaram uma 'barreira', através do qual o som não deveria ser capaz passar.
"Steinhauer disse ter encontrado sinais de que fônons, os pacotes muito pequenos de energia que compõem as ondas sonoras, foram vazando para fora do buraco negro sônico tal como equações de Hawking preveem que deveria", relata Moody.
Para ser claro, os resultados dessa experiência ainda não foram revistos por pares - que é o ponto de colocar tudo para o público ver em arXiv.org. Eles estão agora sendo visto por físicos de todo o mundo, e eles já estão provando a controversa, digna de uma investigação mais aprofundada.
"Os experimentos são bonitos," disse o físico Silke Weinfurtner da Universidade de Nottingham, no Reino Unido, que está concorrendo seus próprios experimentos em Terra para tentar detectar a radiação Hawking . "Jeff tem feito um trabalho incrível, mas algumas das afirmações que ele faz são abertas ao debate. Isto vale a pena discutir."
Enquanto isso, um artigo publicado na Physical Review Letters, no mês passado descobriu outra maneira de fortalecer o caso para a radiação Hawking. Os físicos Chris Adami e Kamil Bradler da Universidade de Ottawa descreveram uma nova técnica que lhes permite seguir a vida de um buraco negro ao longo do tempo.
Isso é uma coisa emocionante, porque isso significa que qualquer informação ou material que passa ao longo do horizonte de eventos não "desaparece", mas está lentamente vazando para trás durante os últimos estágios da evaporação do buraco negro.
"Para fazer este cálculo, tivemos de adivinhar como um buraco negro interage com o campo de radiação Hawking que o rodeia", disse Adami num comunicado de imprensa . "Isso ocorre porque há atualmente nenhuma teoria da gravidade quântica que poderia sugerir tal interação. No entanto, parece que fizemos um palpite bem-educado, porque o nosso modelo é equivalente a teoria de Hawking no limite de buracos negros imutáveis fixos."
Ambos os resultados serão agora precisam ser confirmados, mas eles sugerem que estamos avançando mais perto de descobrir uma solução de como podemos confirmar ou refutar a existência de radiação de Hawking, e isso é uma boa notícia para o seu homônimo.
Como aponta Moody, Peter Higgs, que previu a existência do bóson de Higgs, teve que esperar 49 anos para o seu prêmio Nobel, nós vamos ter que esperar e ver se Hawking acaba com o seu Jejum científico.
[Science Alert]
Não tente fazer isso em casa!
O Large Hadron Collider (LHC) tem feito notícia desde sua criação em 1984. Ao longo dos anos, ele forneceu-nos um tesouro de descobertas no mundo da física. É realmente uma façanha de engenharia que ajudou e ainda nos ajuda a compreender as regras fundamentais do universo, a um ritmo alarmante.
Mas, ao mesmo tempo que essas descobertas são feitas, pessoas no mundo inteiro fazem muitas perguntas a respeito desse gigante acelerador de partículas: o que aconteceria se você prender sua cabeça dentro do LHC?
Embora pareça um trabalho para super-vilões no universo dos quadrinhos, a resposta para o que aconteceria surgiu nos anos 70, quando alguém enfiou sua cabeça no colisor.
De acordo com Daven Hiskey, a estranha história começa em 13 de julho de 1978, quando o cientista russo, Anatoli Bugorski, de Petrovich, estava trabalhando no síncrotron U-70, um acelerador de partículas soviético.
Durante o que era provavelmente um dia de rotina no escritório, Bugorski inclinou-se para o acelerador para averiguar um problema do equipamento, quando um feixe de prótons atravessou acidentalmente sua cabeça em alta velocidade, o que levou-o a ver um flash de luz "mais brilhante que mil sóis".
Apesar desta visão estranha, ele supostamente não sentia dor, mas o estrago já estava feito.
Para entender completamente a quantidade de danos que o feixe fez na cabeça do Bugorski em questão de segundos, primeiro precisamos conversar sobre uma unidade de medida chamada um gray (Gy).
"Um 'gray' é uma unidade SI de energia absorvida da radiação ionizante," Hiskey explica. "Um gray é igual à absorção de 1 joule de energia de radiação de 1 quilograma de matéria."
Normalmente, continua Hiskey, necessita-se apenas de cerca de 5 toneladas de gray para matar uma pessoa - um destino que normalmente acontece em cerca de 14 dias após a exposição.
Rosto de Bugorski algum tempo depois do ocorrido. Na direita, abaixo, uma radiografia feita do crânio do cientista mostra a trajetória do feixe de prótons.
O raio que atravessou a cabeça do Bugorski foi avaliado em 2.000 grays. Quando saiu, o feixe tinha 3.000 de leitura. Nesse nível, isso deveria ter deixado-o com um buraco através de seu rosto como uma arma a laser daquelas usada em filmes de ficção científica, mas isso não aconteceu.
Embora ele parecesse bem no início, esta poderosa explosão de partículas causou um inchaço no lado esquerdo da cabeça e fez com que algumas partes de sua pele descascassem no local onde o feixe entrou e saiu de seu crânio. O raio também queimou uma conexão neural em seu cérebro, embora ele não tenha experimentado nenhum declínio mental.
Apesar de muitos dos médicos dizerem que ele provavelmente iria morrer a qualquer momento, Bugorski sobreviveu. Ele ainda está vivo hoje, mas é claro, houve complicações.
Ele eventualmente perdeu a audição no ouvido esquerdo, começado a sofrer ataques, e metade do rosto ficou paralisado. Surpreendentemente, nada disso o impediu de mais tarde ganhar seu PhD.
Uma das descobertas mais estranhas deduzidas no incidente é que prótons podem prevenir rugas na pele, porque a metade do rosto do Bugorski que levou o feixe parece não ter envelhecido até hoje.
Rosto de Bugorski. Percebam o lado esquerdo do rosto dele, parece não ter envelhecido, enquanto o lado direito está cheio de rugas.
Então a resposta curta é que enfiar a cabeça dentro de um acelerador de partículas deve causar um 'buraco de minhoca' e uma queimadura diretamente através de seu crânio. Ou, se você tiver sorte como Bugorski teve, você vai ter um buraco na cabeça e só terá que lidar com uma série de outros problemas de saúde (apesar de ficar com metade do rosto jovem). Mas a moral da história é clara, de qualquer maneira: por favor, não coloque a cabeça dentro de um acelerador de partículas!
Traduzido e adaptado de Science Alert
Os cientistas colaboradores do DZero no Departamento de energia do Fermilab nos EUA descobriram uma nova partícula - o mais recente membro a ser adicionado às espécies exóticas de partículas conhecidas como tetraquarks.
Os quarks são partículas pontuais, que normalmente vêm em pacotes de dois ou três, sendo os mais conhecidos o próton e o nêutron (cada um feita de três quarks). Existem seis tipos, ou "sabores", de quark para escolher: up, down, strange, charm, bottom and top. Cada um deles tem também uma contraparte de antimatéria.
Ao longo dos últimos 60 anos, os cientistas observaram centenas de combinações duplas e trios de quarks.
Em 2003, cientistas do experimento Belle no Japão relataram a primeira evidência de quarks pendurados para fora como um quarteto, formando uma tetraquark. Desde então, os físicos têm vislumbrado um punhado de diferentes candidatos a tetraquark, incluindo agora a recente descoberta do DZero - o primeiro observado para conter quatro sabores diferentes de quarks.
DZero é um dos dois experimentos no Tevatron Collider do Fermilab. Embora o Tevatron fora aposentado em 2011, os experimentos continuaram a analisar bilhões de eventos previamente gravados a partir de suas colisões.
Como é o caso de muitas descobertas, a observação do tetraquark veio como uma surpresa quando os cientistas do DZero vieram pela primeira vez com sugestões em julho de 2015 da nova partícula, chamada X (5568). O nome vem de sua massa de 5568 megaelectronvolts.
"No início, nós não acreditamos que era uma nova partícula", diz co-porta-voz do DZero Dmitri Denisov. "Só depois de múltiplas verificações realizadas cruzadas que começamos a acreditar que o sinal que vimos não poderia ser explicado por fundos ou processos conhecidos, mas foi a evidência de uma nova partícula."
Na esquerda: Um pion, formado por um quark down e um quark up. No centro, um próton, que faz parte da família dos bários, feito de dois quarks up e um quark down. Na direita, X(5568), um tetraquark, formado por um quark up, um quark down, um quark strange e um quark bottom.
O X (5568) não é qualquer novo tetraquark. Enquanto todos os outros tetraquarks observados contem, pelo menos, dois dos mesmos sabores, X (5568) tem quatro sabores diferentes: up, down, strange e bottom.
"A pergunta seguinte será entender como os quatro quarks são colocados juntos," diz o co-porta-voz do DZero Paul Grannis. "Eles poderiam ser amassadas juntas em uma bola apertada, ou eles podem ser um par de quarks firmemente presos que giram a uma certa distância do outro par."
Quarteto de quarks são raros, e, embora não há nada na natureza que proíba a formação de um tetraquark, os cientistas não entendem bem quanto entendem sobre os quarks de duplos e triplos.
Esta última descoberta vem na esteira da primeira observação de uma pentaquark - a partícula de cinco quarks apresentada ano passado pelo experimento LHCb no Large Hadron Collider.
Os cientistas vão aguçar a sua imagem do quarteto de quarks, fazendo medições de propriedades, tais como as formas com que X (5568) decai ou o quanto ele gira sobre seu eixo. Como investigações das tetraquarks vieram antes dele, os estudos do X (5568) irá fornecer uma outra janela para o funcionamento da força forte que mantém essas partículas juntas.
E talvez a espécie de tetraquark emergente se tornará uma classe estabelecida no futuro, mostrando-se tão numerosos quanto seu irmão de dois e três quarks.
"A descoberta de um único membro da família tetraquark com quatro sabores diferentes de quarks vai ajudar a desenvolver modelos teóricos que permitam uma compreensão mais profunda dessas partículas", diz Fermilab Director Nigel Lockyer.
Setenta e cinco instituições de 18 países colaboraram com este resultado a partir DZero.
O novo artigo sobre buracos negros do físico Stephen Hawking foi bem vindo para uns, mas, para outros, não houve certeza de seus méritos
Quase um mês depois de Stephen Hawking e seus colegas colocarem um artigo sobre os buracos negros on line, os físicos ainda não conseguem concordar sobre o que significa.
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| Um buraco negro, visualizado aqui na galáxia M60-UCD1, foi pensado para perder informações, a medida que ele desaparece. NASA, ESA, D. Coe, G. Bacon (STScI) |
Alguns apoiam a alegação da pré-impressão - que fornece um caminho promissor para resolver um enigma conhecido como o paradoxo da informação do buraco negro, que Hawking identificou a mais de 40 anos atrás. "Eu acho que há um sentimento geral de excitação que temos uma nova forma de olhar para as coisas que podem nos tirar desse impasse", diz Andrew Strominger, um físico da Universidade de Harvard em Cambridge, Massachusetts, e um co-autor do mais recente artigo.
Strominger apresentou os resultados no dia 18 de Janeiro, numa auditório lotado na Universidade de Cambridge, Reino Unido, onde Hawking trabalha.
Outros não têm tanta certeza de que a abordagem possa resolver o paradoxo, embora alguns dizem que o trabalho ilumina vários problemas em física. Em meados da década de 1970, Hawking descobriu que os buracos negros não são realmente preto, e de fato emitem alguma radiação [2]. De acordo com a física quântica, pares de partículas devem aparecer fora de flutuações quânticas apenas fora do horizonte de eventos - ponto de não retorno do buraco negro. Algumas dessas partículas escapam da atração do buraco negro, mas retiram uma porção de sua massa com eles, fazendo com que o buraco negro encolha lentamente e desapareça eventualmente.
Em um artigo [3] publicado em 1976, Hawking salientou que as partículas trasbordantes - agora conhecidas como radiação Hawking - teriam propriedades completamente aleatórias. Como resultado, uma vez que o buraco negro se foi, a informação transportada por qualquer coisa que já havia caído no buraco seria perdida para o Universo. Mas este resultado confronta com leis da física que dizem que a informação, assim como a energia, é conservada, criando o paradoxo. "Esse artigo foi responsável por muitas noites sem dormir entre físicos teóricos do que qualquer outro na história", disse Strominger durante sua palestra.
O erro, explicou Strominger, foi ignorar o potencial do espaço vazio de transportar informações. Em seu trabalho, ele e Hawking, junto com seu terceiro co-autor Malcolm Perry, também da Universidade de Cambridge, inclinam-se para partículas suaves. Estas são versões de baixa energia de fótons, partículas hipotéticas conhecidas como grávitons e outras partículas. Até recentemente, estas foram usadas principalmente para fazer cálculos em física de partículas. Mas os autores observam que o vácuo em que um buraco negro reside não precisa ser desprovido de partículas - apenas energia - e, portanto, as partículas suaves estão presentes lá em um estado de energia zero.
Segue-se, escrevem eles, que qualquer coisa que cai em um buraco negro iria deixar uma marca sobre estas partículas. "Se você está em um vácuo e você respira sobre ele - ou faça qualquer coisa com ele - você agita um monte de grávitons suaves", disse Strominger. Após este distúrbio, o vácuo em torno do buraco negro muda, e as informações são preservadas, afinal.
O artigo continua a sugerir um mecanismo para transferir essas informações para o buraco negro - que teria que acontecer para o paradoxo ser resolvido. Os autores fazem isso calculando como codificar os dados em uma descrição quântica do horizonte de eventos, conhecida caprichosamente como "cabelos de buraco negro".
Transferência de Tricky
Ainda assim, o trabalho está incompleto. Abhay Ashtekar, que estuda a gravitação na Pennsylvania State University, em University Park, diz que ele encontra o caminho que os autores sugerem para que as informações sejam transportadas do buraco negro - que eles chamam de 'cabelo macio' - não convence. E os autores reconhecem que eles ainda não sabem como a informação seria posteriormente transferida para a radiação de Hawking, um passo adiante necessário.
Steven Avery, um físico teórico da Universidade de Brown, em Providence, Rhode Island, é cético de que a abordagem resolva o paradoxo, mas está animado com a maneira que amplia o significado de partículas suaves. Ele observa que Strominger descobriu que partículas suaves revelam simetrias sutis das forças conhecidas da natureza [4], "algumas das quais eram conhecidas e algumas das quais são novas".
Outros físicos estão mais otimistas sobre as perspectivas do método para resolver o paradoxo da informação, incluindo Sabine Hossenfelder do Instituto de Estudos Avançados Frankfurt, na Alemanha. Ela diz que os resultados no cabelo macio, juntamente com um pouco de seu próprio trabalho, parecem resolver uma controvérsia mais recente sobre buracos negros, conhecida como o problema de firewall. Esta é a questão de saber se a formação de radiação Hawking faz com que o horizonte de eventos seja um lugar muito quente. Isso contradiz a teoria geral de Albert Einstein da relatividade, em que um observador caindo através do horizonte que não veria mudanças bruscas no ambiente.
"Se o vácuo tem diferentes estados", diz Hossenfelder ", então você pode transferir informações para a radiação sem ter de colocar qualquer tipo de energia no horizonte. Consequentemente, não há nenhum firewall. "
Para entender mais sobre informações quântica em buracos negros, sugiro que você leia nossa série especial sobre o tema:
Parte 1 - parte 2 - parte 3
Referências:
Para entender mais sobre informações quântica em buracos negros, sugiro que você leia nossa série especial sobre o tema:
Parte 1 - parte 2 - parte 3
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