1. Princípio de Mach no microcosmo é revisitado em artigo publicado na PRL

    Um análogo do princípio de Mach na escala atômica

    O princípio de Mach enuncia que a “inercialidade” de um referencial está estreitamente relacionada com o movimento da matéria no espaço. Isto pode ser resumido da seguinte forma: o que aconteceria se as estrelas estivessem subitamente girando ao nosso redor? Esse movimento tornaria referenciais inerciais em referencias não-inerciais?

    Um efeito ótico mostrado pelo físico francês Georges Sagnac, há cerca de um século, ocorre quando a propagação de luz num referencial girante (com respeito a um referencial inercial) adquire uma fase especificamente induzida pela rotação – chamada de fase Sagnac. Esse efeito é utilizado nos dias atuais para estimar as rotações instantâneas de aeronaves. O efeito Sagnac ocorre tanto com ondas de luz quanto com ondas atômicas e constitui uma assinatura da rotação do referencial.

    Pesquisadores dos Institutos de Física da UFRJ e da UFF usaram o efeito Sagnac para  propor um análogo da conjectura de Mach em escala atômica e no contexto da eletrodinâmica quântica. De fato, uma pergunta fundamental que Mach poderia fazer hoje em dia é a seguinte: será que o efeito Sagnac persiste quando o referencial permanece em repouso, porém com alguma matéria em rotação dentro dele? A resposta é positiva, conforme demonstrado no artigo “Quantum Vacuum Sagnac Effect” publicado na revista Physical Review Letters em 29 de Dezembro e disponível no arXiv no link (https://arxiv.org/abs/2112.01957).

    Neste trabalho, mostra-se que uma nanopartícula girando muito rapidamente deixa um rastro na forma de uma fase geométrica finita, mediada pelo campo eletromagnético quântico. Quando a nanopartícula é composta de um material altamente dispersivo, obtém-se uma fase Sagnac do vácuo quântico próxima do limite de detecção dos melhores interferômetros atômicos. Isso mostra que a detecção deste novo efeito do vácuo quântico poderia ser realizada num futuro próximo.

     

    Texto de François Impens, Paulo Maia Neto, Reinaldo de Melo e Souza, e Guilherme C. Matos.

  2. Novo paradigma para a descrição de turbulência é apresentado na PNAS

    Sistemas Turbulentos como Gases de Vórtices

    Circulação é um observável particularmente importante na modelagem de diversos fenômenos da dinâmica de fluidos. Esta quantidade, definida como a integral do campo de velocidades em um contorno fechado, nos ajuda a entender como os furacões se formam e se deslocam, a estrutura quantizada de vórtices superfluidos, as volutas de vapor que emanam de uma xícara de chá, a força que sustenta um avião em voo e uma infinidade de outros exemplos igualmente impressionantes, que  podem ser encontrados até mesmo em escala cosmológica. Não resisto a mencionar, no contexto do esporte, o mítico golpe de folha-seca de Didi, lindamente discutido em um trabalho de IC supervisionado pelo prof. Carlos Aguiar do IF-UFRJ [1].

    Não esperaríamos, naturalmente, que o observável circulação tivesse papel menor no estudo das características estatísticas da turbulência. De fato, visualizações de escoamentos turbulentos obtidas a partir de simulações numéricas nas décadas de 1990 e 2000, apontaram de forma muito clara que a maior parte da energia cinética turbulenta está associada a estruturas vorticosas alongadas, entrelaçadas na forma de uma miríade de pequenos “tornados”. Um escoamento turbulento pode ser afigurado, portanto, como um “gás de vórtices”, fato posteriormente corroborado em laboratório, com o auxílio de instrumentação óptica relativamente recente. Parafraseando Feynman, não basta termos à mão equações dinâmicas de evolução; é importante ver o que elas produzem para avançar no conhecimento. E as equações de Navier-Stokes produzem regimes turbulentos povoados de vórtices.

    No cenário teórico, ainda pela década de 1990, Migdal [2] lançou uma proposta audaciosa, na qual métodos matemáticos usados em cromodinâmica quântica para a discussão do problema de confinamento de quarks poderiam ser empregados para a determinação das probabilidades de eventos extremos (flutuações intensas) da circulação turbulenta. A previsão essencial do trabalho de Migdal é a de que tais probabilidades deveriam ser completamente determinadas pelas superfícies mínimas limitadas pelo contorno de circulação. Superfícies mínimas são o encanto de muitos matemáticos que a elas se dedicam com devoção [3] e das crianças que brincam com filmes de sabão estendidos por contornos de arame.

    Avanços na modelagem da turbulência via circulação, entretanto, tem sido historicamente muito difíceis. No curto período que vai de 2019 a 2021, como fruto de simulações numéricas em plataformas computacionais de última geração [4,5], o muro aparentemente intransponível da observação (in silico) dos eventos extremos da circulação foi quebrado pela primeira vez. Superfícies mínimas de fato determinam a ocorrência desses eventos, porém não exatamente na concepção original de Migdal (a variável de circulação deve ser reescalada de forma conveniente para que as superfícies mínimas “brotem” na definição das caudas das distribuições de probabilidade da circulação). O resultado é um marco de enorme importância em turbulência.

    Motivados pelo trabalho pioneiro de Iyer et al. em 2019 [4], arregaçamos as mangas, ainda naquele ano, em colaboração com o prof. Rodrigo Pereira (IF-UFF), o Dr. Gabriel Apolinário (pós-doutor na École Normal Supérieure de Lyon) e Victor Valadão (doutorando do IF-UFRJ), para introduzir um modelo estatístico que procurasse reproduzir os resultados numéricos mencionados acima, a partir da formulação estrutural da turbulência como um gás de vórtices. O trabalho, iniciado um pouco antes da pandemia de covid-19, a atravessou, a todo vapor, no esquema de colaboração remota. Propomos uma nova maneira de olhar para um escoamento turbulento por meio de cortes bidimensionais do campo de velocidades (algo que remete, por analogia, às seções de Poincarè dos sistemas dinâmicos). Como resultado dessa estratégia de análise, emerge um modelo dimensionalmente reduzido de vórtices planares, com o qual podem-se discutir, com sucesso, as flutuações turbulentas de circulação. O artigo, publicado como uma rapid communication na Physical Review E [6], inspirou imediatamente extensões para turbulência quântica, em estudos liderados pelo grupo do Observatoire de la Côte d’Azur [7,8].

    Nossos resultados abrem caminhos interessantes para o entendimento do comportamento de escala anômalo da turbulência, tal como previsto pela (suposta) estrutura multifractal do campo de velocidades (trabalho de Frisch e Parisi [9], indicado por este último em sua Nobel Lecture [10]), bem como para o papel das superficies mínimas no contexto da física da circulação, desafio teórico ainda em aberto.

    A fim de destacar tais avanços, como reconhecimento da importância desse primeiro movimento de resultados recentes no desenvolvimento de novas perspectivas na teoria da turbulência, fui gentilmente convidado pelos editores dos Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) para submeter um artigo [11] que recomendo ao leitor/leitora interessado/a em um primeiro contato com a literatura relacionada.

     

    Texto de Luca Moriconi

     

    Acesse o artigo aqui: acesso pago, ArXiv

     

    [1] C.E. Aguiar e G. Rubini, Rev. Bras. Ens. Fís. 26, 297 (2004).
    [2] A. A. Migdal, Loop equation and area law in turbulence in Quantum Field Theory and String Theory, NATO ASI Series [Series B: Physics], editado por L. Baulieu , V. Dotsenko , V. Kazakov , P. Windey, Springer, Boston, MA, 328, 193–231 (1995).
    [3] T.H. Colding e W.P. Minicozzi II, A Course in Minimal Surfaces, Graduate Texts in Mathematics 121, The American Mathematical Society (2011).
    [4] K.P. Iyer, K.R. Sreenivasan e P.K. Yeung, Phys. Rev. X 9, 041006 (2019).
    [5] K.P. Iyer, S.S. Bharadwaj, K.R. Sreenivasan, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 118, e2114679118 (2021).
    [6] G.B. Apolinário, L. Moriconi, R.M. Pereira e V. J. Valadão, Phys. Rev. E 102, R041102 (2020).
    [7] N.P. Müller, J. Polanco e G. Krstulovic, Phys. Rev. X 11, 011053 (2021).
    [8] J. Polanco, N.P Müller e G. Krstulovic, Nat. Commun. 12, 1 (2021).
    [9] U. Frisch e G. Parisi, em: Turbulence and Predictability in Geophysical Fluid Dynamics and Climate Dynamics, Varenna Summer School LXXXVIII (1983), editado por M. Ghil, R. Benzi e G. Parisi, North-Holland, New York (1985).
    [10] G. Parisi, Multiple Equilibria, https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2021/parisi/lecture/ (2021).
    [11] L. Moriconi, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 118, e2117968118 (2021).

  3. Vagas para monitoria no projeto Apoio Pedagógico Física – inscrições é até dia 10/11/2021

    Estudantes que tenham sido aprovados em Física 1, ou em Mecânica da Partícula e Mecânica do Sistema e Física Térmica, e desejarem participar como monitores no projeto Apoio Pedagógico Física devem inscrever-se no linkhttps://forms.gle/Pe6nJsY8busEqreb6Há algumas bolsas, e fazemos uma lista de espera para substituição de monitores que eventualmente recebem bolsas de Iniciação Científica, Iniciação à Docência, ou estágios.As instruções detalhadas estão no formulário.
    A divulgação dos resultados se dará até o dia 16/11/2021, por email aos candidatos.O prazo para inscrições é até dia 10/11/2021.
  4. Vinculo primário entre radiação cósmica de fundo e velocidade solar

    A radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB, do inglês) foi emitida quando o universo ainda era um bebê de 380 mil anos. Ela representa a luz mais antiga observável no universo, e marca a época em que a temperatura do universo baixou ao ponto de tornar estáveis os átomos de hidrogênio. A CMB é a janela mais importante para o universo primordial: representa uma importante confirmação não só de que o universo era muito homogêneo no seu início, mas também nos informa quais componentes estavam presentes nesta época e as propriedades das sementes de toda a estrutura do universo atual.

    Sua característica mais evidente é o dipolo, que representa uma onda de temperatura que perfaz todo o comprimento do universo primordial com uma amplitude em relação à média de 1 parte em 800. Em contrapartida, os demais comprimentos de ondas (ou multipolos) possuem amplitude ~100 vezes menores. No entanto, o simples movimento do nosso Sol através do universo produz exatamente esse mesmo padrão dipolar devido ao efeito Doppler. Por décadas os astrônomos se perguntaram se este dipolo poderia ser em parte também devido a uma flutuação no universo primordial. Curiosamente, o movimento do Sol produz um efeito separado: a aberração da luz. A aberração distorce a imagem geral do fundo cósmico em micro-ondas.

    No artigo [1] medimos esta aberração nos dados do satélite Planck com uma nova metodologia (descrita em detalhes no artigo [2]) que permitiu isolar as contribuições primordial e oriunda da nossa velocidade. Embora a aberração da CMB já tivesse sido medida em um trabalho anterior, a medida não distinguia as possíveis contribuições para esta medida. De fato, outros fenômenos físicos contribuem na medida da aberração, a saber as lentes gravitacionais e o termo cruzado da modulação de frequência (o Doppler) com as perturbações de temperatura primordiais. Estimando a contribuição do primeiro e removendo o segundo efeito, conseguimos uma medida independente tanto da velocidade como do dipolo primordial (ou dipolo intrínseco). A velocidade do Sol no universo foi medida de forma robusta como 300 ± 99 km/s, ou 1 parte em 1000 da velocidade da luz. A contribuição primordial observada não foi significante, com um limite superior de 3,7 mK para sua amplitude de temperatura. Isso representa o primeiro limite para a amplitude da onda mais longa possível de perturbação na homogeneidade primordial.

     

     

    Texto de Miguel Quartin

     

    [1] Pedro da Silveira Ferreira and Miguel Quartin, First Constraints on the Intrinsic CMB Dipole and Our Velocity with Doppler and Aberration, Phys. Rev. Lett. 127, 101301, 2021.
    [2] Pedro da Silveira Ferreira and Miguel Quartin, Disentangling Doppler modulation, aberration and the temperature dipole in the CMB, Phys. Rev. D 104, 063503, 2021.

    Acesse aqui o artigo 2: assinantes / livre (arXiv: 2107.10846)

  5. Medição da Força de Casimir na Presença de Eletrólitos Utilizando uma Pinça Óptica

    A interação de van der Waals entre superfícies materiais resulta de flutuações quânticas de carga e corrente e está presente em diversos fenômenos físicos e químicos. Quando efeitos de retardamento eletrodinâmico passam a ser relevantes, torna-se necessário utilizar a teoria da eletrodinâmica quântica para descrever esta interação, que passa a ser chamada de interação de Casimir.

    Nos últimos 20 anos, uma série de experimentos de medidas de precisão da força de Casimir motivou o desenvolvimento de novos modelos teóricos mais realistas. Graças à nova abordagem de espalhamento para o efeito Casimir, desenvolvida pelo grupo de Pinças Óticas da UFRJ em colaboração com os grupos de pesquisa do Laboratório Kastler-Brossel da École Normale Supérieure (França) e do Instituto de Física da Universidade de Augsburg (Alemanha), atualmente é possível investigar como a blindagem devido à presença de eletrólitos em solução modifica a interação de Casimir. As previsões desta teoria mostram que a interação de Casimir na presença de eletrólitos decai mais lentamente com a distância do que previsto pela teoria baseada em flutuações eletrostáticas proposta na década de 70.

    Recentemente, pesquisadores do Laboratório de Pinças Ópticas da UFRJ (LPO) utilizaram uma pinça óptica capaz de medir forças na escala do femtonewton (fN) para medir a força de Casimir entre duas microesferas dielétricas imersas em meio eletrolítico, para distâncias na faixa entre 200 e 400 nanômetros. Os resultados experimentais obtidos confirmam as previsões da teoria de blindagem da força de Casimir baseada na abordagem de espalhamento, podendo ter impacto na área de colóides, com suas ramificações em físico-química e biologia molecular, dentre outras áreas.

     

    Texto de Diney Ether e Paulo Américo Maia Neto

     

    Os resultados foram publicados na revista Physical Review Research 3, 033037(2021) e constituem uma colaboração entre os seguintes pesquisadores:

    Luís Barbosa Pires (IF – UFRJ)
    Diney Ether (IF – UFRJ)
    Benjamin Spreng (Universität Augsburg & University of California)
    Gláuber R.S. Araújo (Instituto de Biofísica Carlos Chagas Filho – UFRJ)
    Ricardo S. Decca (Indiana University-Purdue University Indianapolis)
    Rafael S. Dutra (Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia)
    Mateus Borges (IF – UFRJ)
    Felipe Siqueira S. Rosa (IF – UFRJ)
    Gert L. Ingold (Universität Augsburg)
    Maria J. B. Moura (PUC – Rio)
    Susana Frases (Instituto de Biofísica Carlos Chagas Filho – UFRJ)
    Bruno Pontes (Instituto de Ciências Biomédicas – UFRJ)
    H. Moysés Nussenzveig (IF – UFRJ)
    Serge Reynaud (Sorbonne Université)
    Nathan Bessa Viana (IF – UFRJ)
    Paulo Américo Maia Neto (IF – UFRJ)

  6. Em operação: experimento CONNIE tem nova tecnologia de sensores para a detecção de neutrinos

    Foi dada a largada para uma nova geração de experimentos de física de neutrinos, com tecnologia pioneira e grande protagonismo brasileiro e do IF-UFRJ.

    O reator da usina nuclear de Angra 2 hospeda ao seu lado um experimento de física desenhado para testar aspectos das teorias mais fundamentais da natureza. O experimento CONNIE (Coherent Neutrino-Nucleus Interaction Experiment) utiliza uma nova tecnologia para a detecção de neutrinos produzidos no reator e é, atualmente, o único deste tipo em operação no mundo. Seu detector é baseado em CCDs (charge coupled devices, ou dispositivos de carga acoplada), dispositivos capazes de detectar partículas de muito baixa energia. Essa habilidade abre uma nova janela para a pesquisa em física fundamental e aplicada, particularmente para os estudos da interação dos neutrinos.

    Com sua operação nos últimos cinco anos, o experimento CONNIE já foi capaz de atingir o recorde mundial em sensibilidade para um experimento de neutrinos. Graças a isso, foi possível estabelecer limites em teorias conhecidas como “além do modelo padrão” da física de partículas. Esses limites são os mais restritivos já obtidos a partir de um experimento de neutrinos de reator em baixas energias.

    O próximo passo é aumentar ainda mais a sensibilidade do detector, o que permitirá ampliar a exploração da física da interação de neutrinos e medir, pela primeira vez, o espalhamento coerente dos neutrinos do reator. Esse aumento da sensibilidade será proporcionado pelo emprego de uma nova tecnologia, denominada skipper-CCD e desenvolvida nos laboratórios LBL e Fermilab (EUA), em que é possível baixar enormemente o ruído do sensor. Como isso, ele consegue detectar elétrons individualmente, ou seja, literalmente contar quantos elétrons são gerados no sensor pelas partículas incidentes. Essa característica o torna um “detector quântico” e abre a perspectiva de aplicações em outras áreas de pesquisa fundamental e aplicada em física.

    Um sensor skipper CCD e imagem obtida com ele

     

    Depois de uma preparação que envolveu um redesenho e upgrade de vários componentes do experimento, os primeiros sensores skipper-CCD foram instalados em CONNIE no final de junho deste ano. Esta é a primeira vez em que um sensor skipper é utilizado em um experimento de neutrinos. Os resultados iniciais foram apresentados em 12 de julho na reunião anual da Rede Nacional de Física de Altas Energias.

    A função desses primeiros sensores é validar o seu uso no ambiente de CONNIE e proporcionar uma medida do chamado background, que é causado por ruído eletrônico e por todas as partículas que não interessam ao experimento (como elétrons e fótons). O passo seguinte será instalar sensores bem maiores e em maior número, conformando o upgrade do experimento completo para sua versão skipper. Pode-se afirmar que agora foi atingido o primeiro marco na construção da nova geração de experimentos de neutrinos com skipper-CCD, mais um recorde mundial de CONNIE.

    A colaboração CONNIE foi iniciada em 2014 pelo físico Juan Estrada (Fermilab) e conta com cerca de 30 cientistas de Argentina, México, Paraguai e Suíça, além do Brasil e Estados Unidos. A equipe brasileira está atuando em todos os aspectos do experimento, da instalação e operações à análise de dados.

    Irina Nasteva comemorando a instalação da eletrônica do detector

    As operações de CONNIE são coordenadas pela física Irina Nasteva, do IF-UFRJ. O processo de upgrade que levou à instalação dos skipper-CCDs foi coordenado pela física Carla Bonifazi, também do IF-UFRJ, atualmente em licença na Argentina. O desenho de partes da eletrônica e todos os testes de integração dos sistemas foram feitos por Herman Lima, tecnologista do CBPF. Herman e Irina compuseram a equipe que fez todo o processo de instalação dos skipper-CCDs, que levou dias de trabalho árduo dentro do laboratório na usina. Também participou Aldo Fernandes, físico e professor do CEFET Angra dos Reis, em Mambucaba, próximo à usina. Os estudantes de iniciação científica e de mestrado em física aplicada do IF-UFRJ estão analisando as primeiras imagens do novo detector.

    Colocar em funcionamento essa nova fase desse experimento complexo foi, portanto, um esforço internacional com destaque para a participação brasileira.

    O maior apoio financeiro ao CONNIE no Brasil vem atualmente de editais da FAPERJ. O apoio da Eletronuclear também tem sido essencial. Além de ceder o espaço para abrigar o experimento, a empresa vem prestando extraordinário apoio provendo infraestrutura, manutenção e recursos humanos que dão apoio ao experimento. Até peças de CONNIE já foram usinadas nas oficinas da Eletronuclear.

    O experimento CONNIE após a instalação dos novos sensores, com sua blindagem parcialmente aberta

    CONNIE foi o primeiro e, até agora, único experimento de neutrinos com CCDs. Com os novos skipper-CCDs ele passou a ser também o único experimento usando essa tecnologia operando junto a um reator nuclear. Uma vez completada esta etapa de testes, será iniciada a nova fase, que envolve preencher todo o detector CONNIE com novos skipper-CCDs, aumentando em muito a massa do experimento sensível aos neutrinos. Esse upgrade abrirá uma nova janela na detecção de neutrinos e testes do modelo padrão, mantendo CONNIE na ponta dos experimentos de neutrinos de reator de baixas energias.

     

    Lista dos participantes brasileiros do experimento CONNIE:
    Carla Bonifazi, Irina Nasteva, Ana Carolina Oliveira, Katherine Maslova, Patrick Lemos, Pedro Zilves (IF-UFRJ)
    Herman Lima, João dos Anjos, Martin Makler, Philipe Mota (CBPF)
    Aldo Fernandes (CEFET – Angra dos Reis)

     

    Mais informações:
    A. Aguilar-Arevalo et al. (CONNIE collaboration), “Exploring low-energy neutrino physics with the Coherent Neutrino Nucleus Interaction Experiment”, Phys. Rev. D 100, 092005, https://arxiv.org/abs/1906.02200
    A. Aguilar-Arevalo et al. (CONNIE collaboration), “Search for light mediators in the low-energy data of the CONNIE reactor neutrino experiment”, JHEP 04 (2020) 054, https://link.springer.com/article/10.1007/JHEP04(2020)054

     

    Texto de M. Makler com edição de I. Nasteva e C. Bonifazi