1. Estranheza quântica altera relações básicas de causa e efeito

    Trabalho conjunto entre Brasil e Itália, publicado no prestigioso jornal Nature Physics, demonstra efeitos quânticos inesperados no cenário mais simples em inferência causal.

              Porque é que os fenômenos naturais acontecem? Porque a Natureza se comporta da maneira que nós a observamos? Estas estão entre as questões mais fundamentais da ciência e da filosofia. Se somos capazes de intervir num dado sistema, podemos modifica-lo, observar os efeitos resultantes de tal modificação, e à partir destes efeitos, inferir relações de causa e efeito. Entretanto, muito frequentemente, intervenções não são possíveis e podemos somente observar passivamente. E para complicar ainda mais, tipicamente nem todas as causas de um certo efeito serão acessíveis, quer dizer, existem fatores relevantes escondidos de nossa observação empírica. Notavelmente, mesmo assim, ainda é possível descobrir as relações causais entre eventos correlacionados se a explicação causal –quer dizer, o modelo causal– contiver um tipo especial de variável chamada de instrumento. A estrutura causal instrumental é a mais simples com a propriedade de que influências causais podem ser detectadas mesmo na presença de variáveis ocultas e sem intervenções, isto é, somente a partir de observações passivas. Isto faz com que esta estrutura seja crucial para o campo da inferência causal, com aplicações desde testes clínicos randomizados e até mesmo econometria. Com este objetivo, é fundamental se garantir que nós temos um bom instrumento respeitando restrições fundamentais conhecidas como desigualdades instrumentais. Se sabe que todo modelo causal instrumental clássico satisfaz restrições fundamentais conhecidas como desigualdades instrumentais. Até o presente trabalho, se acreditava que a violação de tais desigualdades era prova conclusiva de que o modelo causal subjacente não era instrumental. Por este motivo, as desigualdades instrumentais são usadas como teste contra “instrumentos ruins”. Desafiando este paradigma bem estabelecido, uma jovem equipe de pesquisadores mostrou que a presença de emaranhamento quântico em modelos causais instrumentais pode de certa forma falsificar influências causais e também levar à violação de desigualdades instrumentais, algo impossível dentro da física clássica.

    Os professores baseados no Brasil, Rafael Chaves, do Instituto Internacional de Física em Natal, e Leandro Aolita, do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio de Janeiro, juntamente com um time baseado na Itália e coordenado pelo Prof. Fabio Sciarrino, da Universidade Sapienza em Roma, estudaram modelos causais instrumentais quânticos. Neles, a causa comum (não diretamente observável) entre dois eventos apresenta emaranhamento quântico. O emaranhamento é possivelmente a propriedade mais contra-intuitiva da mecânica quântica, sendo responsável pela infame “ação fantasmagórica à distância”, tal como Einstein e colaboradores costumavam chamá-lo. Os pesquisadores brasileiros previram teoricamente que o emaranhamento pode não somente aumentar a capacidade descritiva de modelos instrumentais mas até mesmo levar à violações de desigualdades instrumentais, fato que foi posteriormente confirmado experimentalmente pelo time italiano. Esta descoberta sacode pilares fundamentais sobre os quais a teoria clássica de inferência causal é construída. Além disso, ela é relevante também para os fundamentos da própria teoria quântica, já que o cenário instrumental é mais simples que o paradigmático cenário de Bell usado rotineiramente para observar discrepâncias entre as predições clássica e quântica. De fato, a estrutura causal instrumental é a mais simples na qual uma separação entre as predições clássicas e quânticas é possível, tal como provado agora pela equipe.

    Em cenários de Bell, os testes de não classicalidade exigem que as partes envolvidas estejam espacialmente separadas, ou seja, de modo tal que o período de tempo entre os eventos de medição em ambos os laboratórios seja menor que o que levaria a luz para viajar de um laboratório ao outro. Isso constitui um grande desafio experimental. Em contraste, no cenário instrumental, influências causais diretas de uma parte para a outra não são proibidas. No experimento, essas influências foram implementadas por um canal de comunicação que permitiu que a escolha de medição da segunda parte dependesse do resultado de medição registrado pela primeira (um mecanismo conhecido como “feedforward de informação”). As medições foram feitas em pares de fótons emaranhados pelo time em Roma. Os experimentais adiaram a detecção do primeiro fóton em relação ao segundo através de uma fibra óptica longa, deixando assim tempo suficiente para que a segunda medição fosse modificada dependendo do  resultado da primeira medição. Essa adaptação de medição exigiu um dispositivo rápido para a troca no tipo de medição do segundo aparelho. Do ponto de vista experimental, este mecanismo de comunicação de resultados de medida é uma característica não trivial ausente em experimentos anteriores e que é interessante por si próprio. Além do Prof. Fabio Sciarrino, a equipe romana do Laboratório de Informação Quântica da Universidade da Sapienza em Roma foi composta pelos estudantes de doutorado Gonzalo Carvacho e Iris Agresti, o estudante de mestrado Valerio Di Giulio e o técnico Sandro Giacomini.

    Além de sua relevância fundamental, os resultados também poderiam encontrar aplicações em processamento de informação. Isto se deve ao fato de que as violações quânticas de desigualdades instrumentais definem uma nova forma de não-localidade quântica, mais forte que modelos não-locais de variáveis ocultas que incluem comunicação unidirecional de resultados de medição entre as partes envolvidas. Isto pode ser relevante, por exemplo, em protocolos criptográficos e de geração de aleatoriedade sem o requerimento experimental de separação espacial grande. Uma nova área de pesquisa, tanto teórica quanto experimental, se abre em um cenário relativamente simples.

    Por fim, é importante ressaltar que esta pesquisa foi realizada durante o pior corte em financiamento de ciência na história recente do Brasil, com vários pesquisadores brilhantes deixando o país pela falta de condições básicas para o prosseguimento de suas pesquisas. Neste sentido, a colaboração com o time experimental italiano foi crucial. Esta é uma história de sucesso em tempos muito difíceis, que mostra que ainda é possível produzir ciência do mais alto nível no Brasil desde que os recursos básicos necessários sejam dados. Infelizmente, o governo Brasileiro propõe um corte ainda mais profundo no orçamento para a ciência. Se a situação não mudar, histórias de sucesso como a dessa pesquisa estão em sério perigo.

  2. A medida mais precisa sobre antimatéria

    A medida mais precisa e acurada sobre antimatéria acaba de ser publicada em artigo da Colaboração ALPHA do CERN na revista Nature (https://www.nature.com/articles/s41586-018-0017-2). A medida da frequência na transição 1S-2S em antihidrogênio, num salto da camada “K” para a camada “L”, excitada por um laser ultrapreciso referenciado ao relógio atômico foi realizada com acurácia de 2 partes por trilhão. Essa medida com 12 algarismos significativos adentra um regime inexplorado na comparação entre matéria e antimatéria, onde surpresas podem se revelar. À partir dessa precisão, possíveis discrepâncias entre matéria e antimatéria não contrariaram experimentos prévios que chegaram a 11 algarismos e níveis maiores de energia. Uma possível assimetria entre matéria e antimatéria daria luz na explicação de um dos maiores mistérios da física: porque o Universo contém somente material primordial e não antimatéria ou igual quantidades de ambas. A comparação entre matéria e antimatéria testa a simetria fundamental da física de Carga-Paridade-Tempo (CPT) que é base do Modelo Padrão da Física, o contexto onde são organizadas as partículas fundamentais e suas interações.

    O feito é a coroação de 20 anos de trabalho, começando na colaboração ATHENA que produziu os primeiros anti-átomos de hidrogênio, seguindo na colaboração ALPHA onde foi realizado o primeiro aprisionamento e a primeira excitação a laser do antihidrogênio publicado na Nature em 2017.  Esses experimentos baseados na espectroscopia a laser contaram com a participação e know-how fundamental do grupo brasileiro no ALPHA. O prof. Cláudio Lenz Cesar realizou essas medidas há 20 anos com hidrogênio aprisionado no MIT. Uma série de conhecimentos muito técnicos e específicos como servo-sistemas e tratamento fotoquímico dos espelhos, que foi fundamental para os resultados de 2017, quanto detalhes da teoria da forma da linha espectral foram trazidos a esse experimento. Para os recentes resultados, a cavidade ótica criogênica – essencial para aumentar a potência do laser para excitação dos átomos – foi totalmente desenvolvida pelo grupo brasileiro. Trata-se de uma contribuição fundamental sem a qual essa medida não poderia ter sido realizada em 2017. O grupo de brasileiros no ALPHA se constitui dos Profs. Cláudio Lenz Cesar, Daniel de Miranda Silveira e Rodrigo Lage Sacramento, e Bruno Ximenez Alvez que está finalizando seu doutorado no experimento ALPHA e operou o experimento e sistema de laser para essas medidas. Daniel Silveira foi coordenador de algumas rodadas experimentais para esse dados, e Rodrigo Sacramento foi – durante parte de seu doutorado sandwiche – responsável pelo comissionamento do equipamento principal do experimento: o criostato e armadilha magnética do ALPHA. No desenvolvimento da cavidade ótica criogênica, publicada no jornal Review of Scientic Instruments, o pesquisador do INMETRO Álvaro Nunes de Oliveira e os alunos de graduação Lucas da Silva Moreira da UFRJ e  Lawson Kosulic do MIT,  bem como os Profs. Wania Wolff e Victor Brasil foram fundamentais.

    Esse feito histórico representa um excelente exemplo de pesquisas em Física Fundamental na área de Altas Energias em colaboração científica internacional com componente de tecnologia desenvolvida no Brasil. Esse grupo brasileiro tem tido apoio parcial de instituições como CNPq, FAPERJ, FINEP e da Rede Nacional de Física de Altas Energias. Esse experimento foi realizado no Desacelerador de Antiprotons (AD) no CERN, onde todos os outros grupos competidores também se concentram, pois é a única infraestrutura no mundo capaz e dedicada a esse tipo de pesquisa. O grupo brasileiro busca agora recursos para instalar no CERN a técnica “MISu” desenvolvida na UFRJ para poder aprisionar hidrogênio na mesma armadilha do antihidrogênio, o que vai possibilitar chegar a comparações de 14, 15 ou 16 algarismos significativos. Será que a natureza vai confirmar essa simetria entre matéria e antimatéria, ou vai nos mostrar uma surpresa abrindo todo um novo leque de fenômenos e teoria física? Será que o relógio de antimatéria faz tic-tac na mesma frequência que o de matéria no campo gravitacional? Será que o anti-átomo cai sob ação da gravidade com a mesma aceleração que o átomo? São perguntas fundamentais que agora podem ser respondidas com altíssima precisão, no caso da espectroscopia a laser, e precisão incremental no caso da medida balística da aceleração de gravidade!

    Link para PodCast: http://multimidia.ufrgs.br/conteudo/frontdaciencia/Fronteiras_da_Ciencia-T09E05-Antimateria-02.04.2018.mp3

  3. Forças de Casimir e Van der Waals em Dispositivos Nano-Optomecânicos

    Sistemas nano-opticomecânicos, tais como sensores e atuadores nano-ópticos de alta precisão, tem desempenhado um papel cada vez mais relevante em aplicações científicas e tecnológicas. A dinâmica desses sistemas é frequentemente dominada pelas forças ópticas, mas há muitos casos em que as partes do objeto estão tão próximas que as forças de dispersão passam a desempenhar um papel considerável, podendo inclusive comprometer o funcionamento do objeto irremediavelmente. Em um artigo publicado na revista Nanoscale, o professor do IF-UFRJ Felipe Rosa, junto com colegas do Instituto Tecnológico de Aeronáutica, estudou como as paredes de um nano-guia de onda se deformam sob a ação de forças ópticas e dispersivas, com foco nas condições de estabilidade do guia. Mostrou-se que as forças dispersivas podem promover um colapso do guia mesmo na ausência de qualquer radiação propagante, e que as não-linearidades mecânicas são importantes na prevenção de colapsos.

  4. Colaboração Pierre Auger ganha o prêmio Physics World Top Ten Breakthroughs of 2017

    A Colaboração Pierre Auger ganha o prêmio da physicsworld.com: “Para a colaboração do Observatório Pierre Auger por mostrar que os raios cósmicos de ultra-alta energia vêm de fora da Via Láctea”. Este trabalho que estuda a distribuição da direção de chegada dos raios cósmicos mais energéticos da natureza (com com energias um milhão de vezes maiores do que os prótons acelerados no Grande Colisor de Hádrons no CERN) foi publicado na revista Science no 22 de setembro deste ano (doi: 10.1126/science.aan4338). Nele são reportadas evidências experimentais de que estas partículas ultra energéticas vêm de muito mais longe do que a nossa galáxia. Para isto foi comparado o fluxo de raios cósmicos vindos de uma metade do céu com aquele originário do lado oposto, mostrando que a essas energias a taxa média difere em cerca de 6% entre estas duas metades, sendo que o excesso aponta para uma região distante 120° do centro da galáxia. Desde a descoberta dos raios cósmicos ultra energéticos em 1960, muito se tem especulado acerca da origem galáctica ou extragaláctica destas partículas. O mistério de mais de meio século foi solucionado pelo Observatório Pierre Auger, na Argentina. A direção da anisotropia aponta para uma região do céu em que a distribuição de galáxias mostra uma densidade maior do que a média. Embora o resultado evidencie claramente a origem extragaláctica das partículas, o estudo não permite identificar individualmente as fontes. A direção da anisotropia aponta para uma área extensa no céu e não para uma região localizada e estreita, uma vez que mesmo partículas tão energéticas ainda têm suas trajetórias desviadas de ao menos algumas dezenas de graus pela ação dos campos magnéticos presentes na nossa galáxia e no espaço intergaláctico. Um texto mais detalhado sobre o artigo pode ser encontrado em: http://www.if.ufrj.br/destaques/origem-extragalatica-de-raios-cosmicos-de-alta-energia/

    Em setembro deste ano, a revista de física physicworld.com fez uma matéria sobre esse artigo, que agora foi escolhido para ser incluído nas “Physics World Top Ten Breakthroughs of 2017” (10 melhores avanços mundiais de 2017). O premio para os 10 melhores avanços mundiais de 2017 é concedido a pesquisas reportadas na revista physicsworld.com no ano 2017. Os 10 melhores são escolhidos pelos editores do Physics World a partir de uma lista restrita baseada na popularidade do seus leitores. Os critérios de seleção são: i) importância fundamental da pesquisa, ii) avanço significativo no conhecimento, iii) forte conexão entre teoria e experiência, e iv) interesse geral para todos os físicos.

    O primeiro lugar deste ano foi para a “Primeira observação multi-mensageiro de uma fusão de estrelas de nêutrons” realizada por um grupo internacional de astrônomos e astrofísicos que inaugurou uma nova era de astronomia. Foi realizada a primeira observação multi-mensageiro envolvendo ondas gravitacionais detectadas no 17 de agosto pelos observatórios LIGO-VIrgo e o Telescópio espacial Fermi. Eles vieram da fusão de duas estrelas de nêutrons (GW 170817). Durante as horas e dias seguintes a sua detecção, mais de 70 telescópios apontaram para GW 170817 e uma grande quantidade de observações foram feitas em diferentes comprimento de onda. O observatório Pierre Auger, junto a outros observatórios de neutrinos procuraram por eles vindo da fusão da estrela de nêutrons mas nenhum deles foi observado.

    Mais informações podem ser encontradas em physicsworld.com
    O artículo publicado na revista physicsword.com pode ser encontrado em http://physicsworld.com/cws/article/news/2017/sep/21/ultra-high-energy-cosmic-rays-have-extra-galactic-origins

    Referência:
    Observation of a Large-scale Anisotropy in the Arrival Directions of Cosmic Rays above 8×1018 eV
    The Pierre Auger Collaboration, Science 357 (2017) [doi: 10.1126/science.aan4338] [arXiv: 1709.07321]

    A colaboração Pierre Auger está formada por mais de 400 cientista de 18 países, entre os quais o Brasil. Na UFRJ, no Instituto de Física, o professor João Torres de Melo Neto, a professora Carla Bonifazi, e os alunos de doutorado Cynthia Ventura (do Observatório do Valongo) e de iniciação científica Victor Gollo, são membros desta colaboração.

  5. Pares de Cooper Fotônicos

    O entendimento microscópico do estado supercondutor (fenômeno descoberto em 1911) teve início em 1956, com o trabalho de Leon Cooper demonstrando  a formação e pares ligados de elétrons em um metal no estado fundamental. A minúscula interação entre elétrons mediada por vibrações (fônons) virtuais neutraliza e ultrapassa a repulsão coulombiana, formando os chamados pares de Cooper.  Uma teoria para supercondutividade foi formulada no ano seguinte por Bardeen, o próprio Cooper e Schrieffer, conhecida como teoria BCS. Como a luz também interage com vibrações da matéria (como no efeito Raman), é plausível imaginar que pares de fótons possam interagir trocando uma vibração virtual do meio, formandos pares de fótons. De fato, um grupo de cientistas brasileiros, numa colaboração entre o IF da UFRJ e da UFMG, demonstrou que a demonstração BCS da formação de pares de Cooper é idêntica para pares de férmions (elétrons) ou  bósons (fótons). No trabalho, foi possível detectar pares de fótons de um laser de frequência ω0 que passam por um meio transparente (água, por exemplo), emergindo simultaneamente e com frequências desviadas para o vermelho (ω0 – δ) e para o azul (ω0 + δ). Quando δ não é um número inteiro de qualquer modo vibracional das moléculas do meio, o que se configura é que houve  troca de uma vibração virtual. Os professores André Saraiva, Reinaldo de Souza e Melo (da UFF, na época pos-doc na UFRJ), Marcelo Santos e Belita Koiller, junto ao grupo de pesquisa de Minas liderado por Carlos Monken e Ado Jório, mostrou ainda que a correlação experimental (com água) pode ser entendida teoricamente através de um cálculo específico para o espectro vibracional da água, sem parâmetros ajustáveis, o que suporta o modelo adotado. A teoria de supercondutividade não é uma consequência direta do emparelhamento de Cooper. O trabalho evidencia apenas este emparelhamento, e não implica, embora não esteja excluida, a possibilidade de um estado supercondutor da luz.

    Para ler o artigo completo, clique aqui (só para assinantes) ou aqui (acesso livre).

  6. Speckle de Onda de Matéria em um Fluido Quântico

    Nas últimas décadas, progressos significativos têm sido alcançados na criação e na manipulação de ondas de matéria: observação da difração de Fresnel, realização de lasers de átomos, e investigação da ótica atômica não-linear são alguns exemplos nesta linha. Embora a propagação de ondas de matéria em potenciais desordenados tenha sido bastante investigada, poucos trabalhos estudaram a presença de desordem dentro das ondas de matéria.

    Neste estudo experimental, foi analisada a desordem impressa num condensado de Bose-Einstein (BEC). Foram reportados os resultados da comparação direta entre um condensado turbulento em expansão livre e a propagação de um padrão de speckle ótico. Obtiveram-se propriedades estatísticas notavelmente similares para ambos fenômenos. A função de correlação de segunda ordem e o comprimento de correlação típico de cada sistema foram usados para fundamentar as observações. Acredita-se que a analogia entre um gás quântico turbulento em expansão e a difração de um speckle ótico poderá contribuir a abrir um novo campo de pesquisa: a investigação do desordem nos estados quânticos da matéria.

    Este trabalho foi publicado na revista PNAS com o titulo “Matter wave speckle observed in an out-of-equilibrium quantum fluid” em Novembro 2017. Ele resultou de uma colaboração entre o grupo experimental do Prof. Vanderlei Bagnato (USP-São Carlos) e os Prof. François Impens (Instituto de Física da UFRJ) e Prof. Robin Kaiser (INLN de Nice, França) para a parte teórica.

    http://www.pnas.org/content/early/2017/11/09/1713693114.abstract

    A Figura mostra o perfil da função de correlação normalisada C^(2)(r)=g^(2)(r)-1 para um condensado de Bose-Einstein com o sem turbulência, para um feixe ótico coerente e para um speckle ótico.

  7. Desbalanço de spin em átomos frios fermiônicos em redes óticas

    Aplicar campos magnéticos intensos à matéria pode dar origem a novos e inesperados fenômenos. Isto é particularmente verdade a temperaturas muito baixas, onde a natureza quântica das partículas em um material se torna importante e na presença de fortes interações entre as partículas. Em um artigo recente publicado na revista Science, o grupo experimental do Prof. Waseem Bakr de Princeton  com o suporte teórico de pesquisadores de Princeton, San Jose State University, Ohio State University, e da UFRJ estudou o comportamento de átomos em um cristal sintético nessas condições extremas: campos intensos, baixas temperaturas e fortes interações e encontrou um interessante comportamento magnético no sistema conhecido como  canted antiferromagnetism  (antiferromagnetismo inclinado). O trabalho teórico realizado na UFRJ foi feito pela Profa. Thereza Paiva.

    Os experimentos começam com o resfriamento de um gás de átomos de  Lítio a temperaturas de poucos nano Kelvins para chegar em um gás de Fermi degenerado. Os átomos estão em dois estados hiperfinos diferentes (chamados de spin para cima e spin para baixo) e são colocados em uma rede ótica e  com um desbalanço entre as populações.  Usando um microscópio de gás quântico de alta resolução foi possível imagear individualmente os átomos e estudar as mudanças nas correlações magnéticas com o desbanco de populações, equivalente a um campo magnético efetivo aplicado. Observou-se que, quando há um átomo por sítio da rede, as correlações magnéticas são maiores ao longo da direção perpendicular ao campo efetivo aplicado, formando o chamado canted antiferromagnet.

    A resposta magnética quando o sistema tem menos de um átomo por sítio também foi estudada. A polarização local varia de forma não monotônica com a dopagem e tem comportamento semelhante a da susceptibilidade magnética nos curatos no estado normal.  Isso sugere que o modelo sintético criado neste experimento (o modelo de Hubbard fermiônico) é de fato relevante para a compreensão da Supercondutividade de Alta Temperatura.

  8. Origem Extragalática de Raios Cósmicos de Alta Energia

    Mapa em coordenadas galácticas exibindo o fluxo de raios cósmicos com energias superiores a 8×1018 eV (~ 1,3 Joules). O centro da Via Láctea está na origem do sistema de coordenadas e o plano galáctico é representado pela linha pontilhada horizontal que passa pelo centro da figura. A cruz indica a direção do excesso de fluxo medido e as linhas cheias delimitam os contornos a 68% e 95% de nível de confiança.

    Em um trabalho publicado na revista Science em 22 de setembro, a Colaboração Pierre Auger reporta evidências observacionais de que raios cósmicos com energias um milhão de vezes maior do que a dos prótons acelerados no Grande Colisor de Hádrons (LHC) no CERN vêm de muito mais longe do que da nossa galáxia. Desde a confirmação experimental da existência de raios cósmicos com energias da ordem e mesmo maior do que 1019 eV nos anos 1960, muito se tem especulado acerca da origem galáctica ou extragaláctica dessas partículas. O mistério de meio século foi solucionado estudando partículas cósmicas de energia média 1019 eV (~2 Joules) detectadas no maior observatório de raios cósmicos já construído, o Observatório Pierre Auger, na Argentina. A observação consiste em comparar o fluxo de raios cósmicos vindos de uma metade do céu com aquele originário do lado oposto. O recente resultado mostrou que a essas energias a taxa média de chegada de raios cósmicos é cerca de 6% maior para aqueles vindos de um lado do céu do que para os que vêm do lado oposto, o excesso apontando para uma região distante 120° do centro da galáxia.

    A colaboração Auger está formada por mais de 400 cientista de 18 países, entre os quais o Brasil. Na UFRJ, no Instituto de Física, o professor João Torres de Melo Neto e a professora Carla Bonifazi são membros dessa colaboração e vêm trabalhando nos estudos de direção de chegada dos raios cósmicos há muitos anos. Também participou do trabalho a doutoranda Cynthia Ventura, do Observatório do Valongo.

    Raios cósmicos são núcleos de elementos desde o hidrogênio (o próton) até o ferro. Acima de 1019 eV, eles chegam ao topo da atmosfera na razão de apenas um por quilômetro quadrado por ano, o que corresponde a uma partícula por século sobre a área de um campo de futebol. Podemos detectar essas partículas tão raras porque, ao entrarem na nossa atmosfera, elas produzem cascatas de elétrons, fótons e múons (uma partícula semelhante ao elétron, porém 200 vezes mais pesada) através de suas sucessivas interações com os núcleos do ar. Tais cascatas, também chamadas de chuveiros atmosféricos, descem na atmosfera com uma velocidade praticamente igual à da luz em uma estrutura semelhante a um disco com vários quilômetros de diâmetro. Os chuveiros contêm mais de dez bilhões de partículas e são detectados no Observatório Auger através da luz Cherenkov que as partículas produzem ao atravessarem alguns dos 1600 detectores contendo 12 toneladas de água e espalhados sobre 3000 km2 na Argentina, uma área equivalente a 2,5 vezes a área da cidade de Rio de Janeiro. Os tempos de chegada das partículas nos detectores são medidos usando receptores GPS e são usados para encontrar as direções de chegada dos chuveiros com uma precisão de aproximadamente 1˚.

    Estudando a distribuição das direções de chegada de mais de 30.000 partículas cósmicas, a Colaboração Auger descobriu que essas partículas não chegam de todas as direções igualmente, e que há um claro desvio da uniformidade sobre o céu. Os físicos chamam este efeito de anisotropia. O efeito observado tem uma significância de 5,2 desvios padrão, correspondendo a uma probabilidade de ter sido observada por acaso de aproximadamente 2×10-8 (apenas duas partes em cem milhões, o que seria aproximadamente a probabilidade de ganharmos na Mega-Sena se apostarmos em seis números). A direção da anisotropia aponta para uma região do céu em que a distribuição de galáxias mostra uma densidade maior do que a média. Embora o resultado evidencie claramente a origem extragaláctica das partículas, o estudo não permite identificar individualmente as fontes. A direção da anisotropia aponta para uma área extensa no céu e não para uma região localizada e estreita, uma vez que mesmo partículas tão energéticas ainda têm suas trajetórias desviadas de ao menos algumas dezenas de graus pela ação dos campos magnéticos presentes na nossa galáxia e no espaço intergaláctico. Se considerarmos qualquer configuração realista do campo magnético galáctico conforme o conhecemos hoje, a direção da anisotropia não pode ser explicada assumindo que as fontes estejam situadas no plano da nossa galáxia ou mesmo no centro da nossa galáxia.

    Sabemos que existem raios cósmicos de energias ainda maiores do que aqueles incluídos nesse estudo, com alguns atingindo até a energia de uma bola de tênis bem rebatida. Como as deflexões sofridas por essas partículas nos campos magnéticos são menores para energias crescentes, suas direções de chegada à Terra devem apontar para regiões mais próximas de seus lugares de origem. Estes raios cósmicos são ainda mais raros e estudos adicionais estão em andamento procurando identificar quais objetos astrofísicos são, de fato, as suas fontes. O conhecimento da natureza das partículas, em particular de sua carga elétrica e massa, irá ajudar na identificação dessas fontes. Para aumentar a capacidade do Observatório Auger de caracterizar as partículas que chegam até nós, o Observatório está sendo aprimorado com a instalação de novos detectores e equipamentos e planeja-se que continue tomando dados até 2025. Os novos resultados a serem obtidos deverão ajudar a responder as questões ainda em aberto.

    Referência:

    “Observation of a large-scale anisotropy in the arrival directions of cosmic rays above 8 × 1018 eV”

    The Pierre Auger Collaboration

    Science 22 Sep 2017

    Vol. 357, Issue 6357, pp.  1266-1270

    DOI: 10.1126/science.aan4338

  9. Estrutura Hiperfina da Antimatéria

    Em artigo publicado na revista Nature em 03 de agosto, a Colaboração ALPHA no CERN (Centro Europeu de Física de Partículas) descreve a primeira medida da constante de estrutura hiperfina do átomo de antihidrogênio. A estrutura hiperfina do átomo de hidrogênio dá a grandeza da interação magnética do núcleo (próton no caso de hidrogênio ou antipróton no caso de antihidrogênio) com o elétron (ou pósitron no caso do anti-átomo). Em hidrogênio, na ausência de campos magnéticos ela é responsável pela abundante radiação de microondas emitida nos meios interstelares em 21 cm, ou 1,4 GHz.  Na presença de campo magnético a energia (ou frequência) da transição depende do campo magnético onde o átomo se situa. Com o recente aprisionamento magnético de anti-hidrogênio a Colaboração ALPHA começou um programa de medidas de alta precisão no anti-átomo para testar uma teoria básica da Física que prevê que o anti-átomo deve ser idêntico ao átomo. Embora a armadilha magnética tenha um campo que varia no espaço, uma garrafa magnética, a Colaboração explorou o fato de que há um campo mínimo por onde os átomos podem passar, e assim, há um valor mínimo de frequência onde os átomos começam a interagir com as microondas. Realizando a medida de duas diferentes configurações de spin a colaboração obteve a medida da constante hiperfina do antihidrogênio em 4 partes em 10000, compatível com o valor em hidrogênio. O grupo, de 54 cientistas e que conta com 4 brasileiros sendo 3 professores do Instituto de Física – Profs. Cláudio Lenz Cesar, Rodrigo Lage Sacramento e Daniel de Miranda Silveira – parte agora em 2017 para uma medida do espectro ótico do antihidrogênio na região do ultravioleta, em 243 nm, onde espera obter uma medida da frequência com 12 algarismos significativos. Para realizar essa transição ótica é necessário o aumento da potencia do laser numa cavidade ótica ressonante que foi idealizada e construída pelo grupo brasileiro. Em 12 casas decimais na comparação de antihidrogênio com hidrogênio  abre-se a possibilidade de observação de uma possível assimetria entre matéria e antimatéria. Essa jornada busca  entender um dos maiores mistérios da Física: por que o Universo não contém antimatéria primordial. Se o antihidrogênio vai  nos mostrar medidas iguais à do hidrogênio nos próximos avanços desse grupo, só a natureza pode responder. Para realizar medidas de mais alta precisão o grupo brasileiro desenvolve a técnica necessária para o aprisionamento de hidrogênio na mesma armadilha que o antihidrogênio. Se as medidas derem diferentes, mesmo que somente em 13,  14 ou 15 casas decimais, isso representaria uma revolução na Física. Se as medidas forem compatíveis, continua o mistério: qual o fim da antimatéria primordial e como sobrou tanta matéria!?

  10. Força de Casimir entre plano e esfera

    Na eletrodinâmica quântica, o vácuo quântico é o estado de mais baixa energia do campo eletromagnético. O vácuo exibe flutuações quânticas de ponto zero, relacionadas ao princípio da incerteza de Heisenberg, que dão origem a uma força de interação entre superfícies materiais muito próximas. Este efeito foi previsto pelo físico holandês Hendrik Casimir em 1948. Como exemplo, Casimir derivou a força de atração entre duas superfícies metálicas planas paralelas.

    Desde então, várias demonstrações experimentais da força de Casimir foram realizadas. Nos experimentos mais precisos, uma das superfícies planas é substituída por uma superfície esférica, de forma a evitar erros sistemáticos relacionados à ausência de paralelismo entre as superfícies em interação. Até o presente, a análise teórica dos resultados experimentais se restringiu ao uso da aproximação de força de proximidade, em que o resultado para a geometria plano-esfera é obtido a partir da expressão para planos paralelos tomando uma média sobre a distância local.

    Resultados exatos para condições experimentais típicas foram publicados recentemente na revista Physical Review Letters, com destaque dos editores da revista. O trabalho foi realizado pelos pesquisadores Michael Hartman e Gert-Ludwig Ingold da Universidade de Augsburg, e Paulo A. Maia Neto do Instituto de Física da UFRJ, no quadro de um projeto CAPES-Probral-DAAD de colaboração internacional Brasil-Alemanha. Os resultados apresentados sugerem uma nova direção para o debate sobre o papel da dissipação ôhmica no efeito Casimir.

    Para saber mais, veja a página da revista

    https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.043901

    ou o banco de preprints arxiv

    http://lanl.arxiv.org/abs/1705.04196