TRÊS FAMÍLIAS
Ciência encontra um novo mistério ao explorar a fundo os nossos átomos
Daniel Schultz, Monica Matsumoto e Shridhar Jayanthi
Guilherme Pimentel*
Tudo ao nosso redor — sua cadeira, seu computador, você — é feito de arranjos de um enorme número de átomos. Durante os primeiros 30 anos do século 20, conseguimos demonstrar a hipótese atômica, e desde então descobrimos mais uma camada de complexidade, de novas partículas elementares que formam os átomos.
Os cento e tantos átomos são, na verdade, arranjos de três partículas mais elementares —prótons e nêutrons aglutinados em um núcleo atômico, com elétrons orbitando esse núcleo. Seria uma conclusão agradável, a complexidade da natureza vêm de três ingredientes misturados de formas diversas. O mais chocante é que a história não para aí.
Prótons e nêutrons são uma sopa complicada de outras partículas elementares, quarks e gluons. Ao longo do século 20, descobrimos um enorme zoológico de partículas elementares, a maioria delas altamente instáveis e dificílimas de detectar.
Estranho que a natureza usa centenas de átomos em elementos químicos e outros amontoados de partículas menores. Parece um quebra-cabeça sem fim.
Nosso entendimento atual é que o universo tem dois tipos de partículas, as de matéria e as de força.
As de matéria se chamam quarks e léptons. Os quarks estão sempre em amontoados, formando estruturas mais complicadas, como os prótons e nêutrons do núcleo atômico. Já os léptons são o elétron e uma partícula bizarra, praticamente invisível, chamada de neutrino.
Neutrinos são emitidos em decaimentos radioativos, são muito mais leves que os quarks e o elétron, e quase indetectáveis. O Sol te bombardeia com bilhões e bilhões de neutrinos todo segundo. Até mesmo o planeta Terra é praticamente transparente a neutrinos, vide que essa imagem dos neutrinos vindos do Sol [veja abaixo] é produzida de um "telescópio" (um tanque de água gigante, o detector Super-Kamiokande) dentro de uma caverna a um quilômetro da superfície terrestre, captando neutrinos por mais de um ano.
OK, essas são as partículas de matéria. As de força são as partículas da gravidade, do eletromagnetismo (mais conhecida como luz, ou fótons), das forças nucleares fraca e forte, e por último, a partícula de Higgs.
Já seria uma história complicada se tivéssemos os quarks e léptons do nosso dia a dia, mais as partículas de força. Mas a natureza tem uma nova surpresa na manga.
Voltemos um pouco no tempo. Em 1936, uma partícula que não fazia parte de nenhum átomo foi detectada. Essa partícula, chamada de "múon", é instável e rapidamente decai e produz um elétron. Nas palavras do físico americano Isidor Isaac Rabi, "quem pediu isso"? Mal sabia ele que era só o começo.
O múon foi o primeiro membro a ser descoberto, de uma segunda família de quarks e léptons praticamente idênticos aos que observamos no nosso dia a dia. A única diferença entre as duas famílias é que as partículas da segunda família são bem mais pesadas e instáveis, rapidamente desintegrando em partículas do nosso dia a dia.
Interessante, duas famílias. Terminou por aí, ou a natureza tem mais uma carta na manga? Por mais incrível que pareça, existe uma terceira família, de partículas muito mais pesadas que as das duas primeiras famílias.
E o que é novo nessa história toda? Os quarks e léptons da terceira família foram observados em laboratório entre a década de 70 e de 90. Em 2012, a partícula de Higgs foi observada no CERN, em Genebra.
O Higgs tem uma função — gerar o peso das outras partículas elementares. Sem o Higgs, não teríamos uma boa explicação para os pesos distintos das três famílias. Mas fora o Higgs, todas as outras forças da natureza (gravidade, eletromagnética e forças nucleares) são democráticas com as três famílias. Ou pelo menos essa é a previsão do modelo que explica todo esse zoológico de partículas elementares.
Essa hipótese democrática, de que as três famílias se acoplam de forma idêntica às forças da natureza, tem sido testada em aceleradores de partículas desde o começo do século 21.
Há duas semanas, a colaboração LHCb do CERN divulgou uma aparente violação dessa hipótese democrática. O experimento observou o decaimento radioativo de quarks "bottom" (o quark mais leve da terceira família) em elétrons (da primeira família) ou múons (da segunda família).
Apesar do múon ser 200 vezes mais pesado que o elétron, a hipótese democrática é a de que o quark decai em proporções iguais para elétrons ou múons.
O experimento mostrou uma tendência de decaimento maior para elétrons do que para múons —para cada 100 decaimentos com elétrons, houve 85 decaimentos com múons.
Uma das perguntas mais intrigantes dessa história toda é — por quê três famílias? Ninguém sabe. Talvez novos resultados experimentais mostrem que as famílias estão conectadas de alguma forma nova, inusitada, revelando os porquês de sua existência. Ou talvez acabemos por descobrir mais uma camada de mistério?
*
Força que tenta separar tudo que existe no Universo desafia os cientistas
A força da gravidade é a mais fraca de todas as forças do universo. Quando você toma um cafezinho de manhã, suas mãos vencem a influência do planeta Terra em puxar a xícara para o chão. Mesmo sendo tão fraca, a gravidade é a força mais importante ao olharmos para o céu. Planetas girando em torno do Sol, galáxias se formando com bilhões de estrelas, todas essas estruturas surgem da inevitável atração da gravidade.
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A grande surpresa da constante cosmológica é que ela pode ser tanto atrativa (como no caso do planeta Terra te puxando para o chão) como repulsiva. A constante cosmológica pode atuar como antigravidade, afastando você de tudo ao seu redor. Se tal força realmente existe, deve ser muito fraca, pois não observamos antigravidade no dia a dia.
Em 1998, astrônomos e físicos detectaram a constante cosmológica pela primeira vez, e para a surpresa de todos os cientistas no mundo, descobriram que a constante cosmológica é antigravitacional. Isso significa que, aos poucos, o vácuo está tentando separar todas as estrelas, planetas, etc. do universo uns dos outros. A descoberta foi um choque e ainda é causa de muita discussão e investigação hoje em dia.
Desde 1998, diferentes experimentos e métodos de medida da constante cosmológica confirmaram a existência dessa misteriosa fonte de antigravidade. Porém, recentemente, a precisão das medições ficou tão boa que o valor da constante cosmológica medido por métodos diferentes resulta em valores diferentes.
Ninguém tem certeza do que causa essa discrepância, em parte porque nenhuma solução para o problema é atraente. As soluções teóricas envolvem vários novos ingredientes e não reconciliam completamente as diferentes medições da constante cosmológica. Ao mesmo tempo, as medições experimentais têm sido reanalisadas de vários ângulos diferentes, por diversos grupos, e nenhum problema foi encontrado.
Essa "tensão de Hubble" [1] ainda deverá dar bastante pano pra manga nos próximos anos, com o advento de mais experimentos com maior precisão.
Existem métodos teóricos para calcular o valor da constante cosmológica. O valor obtido é absurdo. Por exemplo, implicaria que a aceleração dos corpos ao seu redor é tão enorme que você não conseguiria ir da sua cama até a mesa de jantar para tomar café da manhã. A mesa e tudo ao seu redor ia se afastar de você muito mais rápido do que você poderia correr.
Essa previsão é tão catastrófica que, se fosse correta, seria impossível no nosso universo que estrelas e planetas se formassem; a repulsão do vácuo não permitiria que átomos e partículas se aglutinassem. Você pode desconfiar dos métodos para fazer essas contas, mas os mesmos métodos são usados em física de partículas com um sucesso estrondoso, em que valores teóricos e experimentais coincidem com precisão de uma parte em bilhões.
A expansão acelerada do universo vai continuar a fascinar astrônomos, físicos experimentais e teóricos por muitos anos. Talvez a natureza esteja nos fornecendo uma nova dica sobre os ingredientes que geram nosso rico universo.
Independente disso, ainda teremos bastante trabalho até entender por que podemos acordar e tomar café sem nos preocuparmos com a força antigravitacional do vácuo.
REFERÊNCIA
[1] O nome "tensão de Hubble" vem do fato que o astrônomo Edwin Hubble foi um dos pioneiros em indicar que o universo está em expansão. A grande revolução da constante cosmológica é um fato adicional, de que o universo está em expansão acelerada! As estrelas distantes vão continuar se afastando de nós cada vez mais rápido.
*Guilherme Pimentel é pesquisador no instituto de física da Universidade de Amsterdã na Holanda. Tem graduação em engenharia eletrônica e mestrado em física pelo ITA. Fez doutorado em física na Universidade de Princeton e trabalhou como pesquisador na Universidade de Cambridge. Sua pesquisa é focada em cosmologia e física de partículas; em particular, em propor novas teorias para explicar a expansão acelerada do universo.
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PARA ONDE O MUNDO VAI
Do que é capaz o material "camaleão" que intriga cientistas pelo mundo?
Daniel Schultz, Monica Matsumoto e Shridhar Jayanthi
Imagine um único material em que, ao se apertar uma espécie de interruptor, muda totalmente as suas propriedades. Como assim, que tipo de propriedades estamos falando?
Todos conhecem exemplos de materiais condutores de eletricidade, como o cobre presente nas fiações elétricas, e de materiais isolantes, como a borracha usada para isolar esses fios.
Já os materiais supercondutores são menos conhecidos. Quando submetido a baixíssimas temperaturas - geralmente poucos graus acima do zero absoluto (-273°C) - esses materiais não oferecem resistência à passagem de corrente elétrica, o que significa que se injetarmos uma corrente em um anel, (ou em um circuito fechado) feito de material supercondutor, esta corrente pode circular por milhares de anos sem se dissipar.
Agora, imagine um material em que se pode controlar suas propriedades elétricas, de maneira que com ''um clique'' podemos escolher se o material se comportará como um condutor, isolante ou supercondutor.
Esse material existe, e ele pode ser fabricado empilhando-se duas camadas de grafeno em um ângulo específico.
Para quem não conhece, o grafeno é o material mais fino que existe, tendo apenas um átomo de espessura, formado por átomos de carbono fortemente ligados entre si. Ele é um excelente condutor de eletricidade, mas não é um supercondutor. Porém, suas propriedades elétricas mudam drasticamente ao se empilhar duas camadas de grafeno com um ângulo relativo entre as camadas de aproximadamente 1.1 grau.
Sob certas condições e a baixíssimas temperaturas, essa bicamada de grafeno girada pode se comportar como um isolante ou supercondutor. A descoberta dessa propriedade em 2018 por pesquisadores do Massachuets Institute of Technology (MIT) nos Estados Unidos surpreendeu a comunidade científica, e desde então vem intrigando e empolgando cientistas ao redor do mundo, que até especulam a possiblidade de um Prêmio Nobel pela descoberta.
Exemplos disso seriam a transmissão de energia elétrica sem perdas por aquecimento dos fios, e computadores quânticos (que usam as leis da física quântica para processar informação de uma maneira consideravelmente mais eficiente e segura) mais acessíveis.
Mas as aplicações tecnológicas ainda são promessas distantes, o que há de concreto é o seu considerável impacto na ciência. O simples fato de a supercondutividade ter sido observada em um material a base de carbono puro, sem a necessidade de modificá-lo quimicamente, já foi algo completamente inesperado.
Como foi feita a descoberta?
Os pesquisadores do grupo do professor Pablo Jarillo-Herrero no MIT empilharam uma camada de grafeno sobre outra, com um ângulo de aproximadamente 1.1 grau entre as camadas, e integraram essa bicamada a um dispositivo eletrônico.
Esse dispositivo permite injetar ou retirar elétrons na bicamada, (elétrons são as partículas responsáveis pelo transporte de corrente elétrica nos materiais), através da aplicação de uma diferença de potencial. Ao se resfriar o sistema em torno de 1 grau acima do 0 absoluto (-273°C), e se retirar um certo número de elétrons, os pesquisadores descobriram que o material primeiramente se torna um isolante e em seguida um supercondutor. Logo, é possível mudar o estado do material de condutor para isolante, ou para supercondutor, simplesmente retirando-se ou adicionando elétrons.
A ideia por trás é que, de acordo com cálculos de mecânica quântica, ao se girar as camadas por esse ângulo específico de 1.1°, os elétrons na bicamada de grafeno reduzem drasticamente a sua velocidade, aumentando a chance de interagir uns com os outros, o que pode levar a vários novos fenômenos.
Por exemplo, a supercondutividade ocorre justamente quando elétrons interagem o suficiente para se juntar em pares, mas o exato mecanismo para o pareamento nesse tipo de material ainda não é conhecido.
As transformações entre isolante e supercondutor observadas na bicamada de grafeno girada são semelhantes às observadas em certos materiais, chamados de materiais com elétrons fortemente interagentes, que vem intrigando os cientistas há décadas.
A bicamada de grafeno girado, por ser um sistema mais simples quando comparado a esses materiais, abre a possibilidade de finalmente entendê-los.
Alguns desses materiais se tornam supercondutores a temperaturas relativamente elevadas em torno de -180°C, e um eventual entendimento de como isso ocorre, possibilitaria sintetizar materiais que se tornam supercondutores a temperaturas próximas à temperatura ambiente, o que possibilitaria inúmeras aplicações tecnológicas.
No campo das possíveis aplicações práticas, recentemente, o mesmo grupo que fez essa descoberta deu mais um passo nessa direção, como explica o doutorando Daniel Rodan, um dos autores do estudo (em revisão pelos pares):
"Em nosso trabalho recente, nós demonstramos ser possível, através da aplicação de uma diferença de potencial em certas regiões da amostra (que injeta ou remove elétrons localmente), formar regiões próximas umas das outras de Supercondutor-Isolante-Supercondutor, as chamadas Junção de Josephson. Essas Junções, que estão por trás do funcionamento de computadores quânticos, são geralmente feitas com materiais diferentes, o que dificulta seu processo de fabricação. Nós demonstramos que essas junções podem ser feitas com um mesmo material.
O caminho para aplicações pode ainda ser longo, mas tudo começa com a descoberta do novo. E algo é certo nessa história: só estamos no início.
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