12 fevereiro 2007

Physics News Update nº 809

O Boletim de Notícias da Física do Instituto Americano de Física, número 809, de 22 de janeiro de 2007 por Phillip F. Schewe, Ben Stein, Turner Brinton e Davide Castelvecchi. PHYSICS NEWS UPDATE

FUNDO DE ONDAS GRAVITACIONAIS. No Modelo Padrão da cosmologia, o universo, em seus primórdios, passou por um período de fantástica expansão. Esta Fase Inflacionária, após um trilhonésimo de segundo, acabou com uma violenta conversão de energia em matéria quente e radiação. Este processo de "reaquecimento" também resultou em uma inundação de ondas gravitacionais (curiosamente, alguns cosmologistas preferem identificar o "Big Bang" com este momento e não com o instante anterior tempo = 0). Comparemos, então, este Fundo de Ondas Gravitacionais (gravitational wave background = GWB) com o mais familiar Fundo Cósmico de Microondas (cosmic microwave background = CMB). O GWB data da marca de um trilhonésimo de segundo, enquanto o CMB é estabelecido cerca de 380.000 anos mais tarde, quando se formaram os primeiros átomos. O CMB representa uma única avalanche de fótons que estavam (naquela época remota) em equilíbrio com os circunstantes átomos em formação; as microondas que vemos hoje nos céus eram (antes de sofrerem o desvio para o vermelho para freqüências mais baixas pela expansão do universo) ondas de ultravioleta e foram subitamente liberadas para viajar através do espaço desimpedido. Elas são, atualmente, observadas como estando principalmente em uma temperatura uniforme de cerca de 3° K, mas o mapa geral das microondas nos céus mostra realmente as fracas marcas da falta de homogeneidade da matéria (calombos) que existiam mesmo então. O que, em contraste, representa o GWB? Ele se origina de três processos de produção, em funcionamento durante a Era Inflacionária: ondas originárias da expansão inflacionária do próprio universo; ondas provenientes da colisão de "bolhas" da matéria recente no reaquecimento após a inflação; e ondas resultantes da turbulência da mistura fluida das primeiras fontes de matéria e radiação, antes que se chegasse ao equilíbrio entre elas (conhecido como "termalização"). As ondas de gravidade nunca entrariam em equilíbrio com a matéria (uma vez que a gravidade é uma força tão fraca que não existe tempo suficiente para se misturar adequadamente); consequentemente, o GWB não parecerá para um observador como estando a uma mesma temperatura média.
Uma nova publicação, da autoria de Juan Garcia-Bellido e Daniel Figueroa (Universidade Autônoma de Madrid), explica como esses processos distintos poderiam ser detectados e diferenciados em modernos detectores, construídos para "ver" ondas gravitacionais, tais como LIGO, LISA ou BBO (Big Bang Observer = Observador do Big Bang). Em primeiro lugar, o GWB estaria desviado para o vermelho, tal como o CMB. Mas, por causa da origem anterior do GWB, o desvio para o vermelho seria ainda mais dramático: a energia (e a freqüência) das ondas estariam degradadas de 24 ordens de magnitude. Em segundo, as ondas do GWB seriam diferentes das ondas gravitacionais de fontes puntuais (tais como a colisão de dois Buracos Negros), uma vez que uma tal colisão emitiria ondas com um sinal espectral mais definido. Contrariamente, o GWB originário do reaquecimento após a inflação teria um espectro muito mais largo, com centro em torno de 1Hz até 1 GHz, dependendo da escala da inflação. Garcia-Bellido sugere que, se um detector tal como o proposto BBO pudesse desemaranhar os sinais separados do GWB do fim-da-inflação, tal sinal poderia ser usado como uma sonda da inflação e poderia auxiliar a explorar algumas questões fundamentais, tais como a assimetria entre matéria e antimatéria, a produção de defeitos topológicos tais como cordas cósmicas, campos magnéticos primordiais e, possivelmente, matéria escura super-pesada (Physical Review Letters, artigo a ser publicado; ver também http://lattice.ft.uam.es/)

TOMOGRAFIA DE PRÓTONS. Na obtenção de imagens na medicina, tais como a Ressonância Magnética (MRI), uma fatia plana de tecido pode ser fotografada em um espaço longitudinal. Uma imagem tridimensional da estrutura do corpo pode ser construída a partir de uma composição de vistas planas. Por analogia, os físicos no Laboratório Jefferson em Virginia estão tentando obter imagens dos quarks dentro dos prótons, uma fatia plana de cada vez no espaço do momento, sendo seu objetivo formar uma imagem de uma mapa tridimensional de quarks dentro de um próton. No caso da tomografia do próton, o "microscópio" consiste de um intenso feixe de elétrons que atinge um alvo de Hidrogênio. Um elétron pode ser defletido por um próton de várias maneiras, mas aqui se visualiza uma única colisão, um evento muito raro chamado de Espalhamento (Efeito) Compton Profundamente Virtual (deeply virtual Compton scattering = DVCS); o elétron penetrante é "espalhado" mediante a emissão de um fóton virtual (um raio Gama de alta energia) a sua frente. Isso se espalha a partir não do próton como um todo, mas de um dos quarks elementares que, junto com os glúons, constituem os tijolos do próton. O quark reemite um Raio Gama, mas não modifica de outra forma sua identidade. Desta forma, o próton-alvo original permanece intacto. Assim, a reação geral é a seguinte: um elétron e um próton colidem, e saem um elétron, um próton e um Raio Gama; o elétron e o Raio Gama são detectados e dessas informações se pode inferir muita coisa sobre o status dos quarks dentro do próton. Por exemplo, a posição espacial do quark dentro do próton (transversa à direção do fóton virtual) pode ser relacionada aos ângulos e energias do Raio Gama emitido. É como se um qurk fosse tirado de dentro do seu lugar dentro do próton e reposto em outro lugar.
Em um sentido importante a experiência do Laboratório Jefferson não é igual à obtenção das imagens médicas. Na microscopia convencional, a diminuição do comprimento de onda da fonte luminosa permite enxergar maiores detalhes e isso é ótimo quando se olha para o interior de tumores e células. Porém as estruturas dentro de um próton - quarks - são puntuais, além do poder de resolução de qualquer sondagem. Assim sendo, a estrutura dos prótons pode ser observada, mas a dos quarks, não. Na tomografia dos prótons, o momento transferido (na verdade o quadrado do momento de transferência, ou Q²) do elétron para o quark na forma de um Raio Gama virtual deveria, até certo ponto, fornecer uma resolução espacial melhor. Além de certo ponto, entretanto, um Q² não fornece um poder de resolução melhor. O que isso significa é que o Gama não estará mais sondando o próton, mas os quarks individualmente. O melhor que se pode fazer é mapear as probabilidades da presença de quarks com um determinado momento ficar em vários lugares dentro do próton; isto guarda semlhança com as nuvens de "orbitais" usadas para ilustrar as prováveis posições dos elétrons nos vários níveis energéticos dentro dos átomos.
Na verdade, talvez a coisa mais importante obtida pela presente experiência, é poder afirmar que o espalhamento se torna independente de Q² acima de um nível de cerca de 2 GeV². Isto indica que uma verdadeira tomografia do próton está acontecendo. Os eventos DVCS que foram vistos em outras experiências anteriores, mas nunca com a exatidão empregada aqui, são raros. Não obstante, os físicos do Jefferson foram capazes de reunir um milhão deles.
Com uma melhoria, já requisitada, na qualidade da energia do feixe de elétrons, os pesquisadores esperam levar seu mapeamento do próton a quarks que portam uma parte maior do momento do próton. Isto permitirá que os físicos do Laboratório Jefferson explorem a origem da massa e do spin do próton. (Munoz Camacho et al., Physical Review Letters, 31 de dezembro de 2006)

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PHYSICS NEWS UPDATE é um resumo de notícias sobre física que aparecem em convenções de física, publicações de física e outras fontes de notícias. É fornecida de graça, como um meio de disseminar informações acerca da física e dos físicos. Por isso, sinta-se à vontade para publicá-la, se quiser, onde outros possam ler, desde que conceda o crédito ao AIP (American Institute of Physics = Instituto Americano de Física). O boletim Physics News Update é publicado, mais ou menos, uma vez por semana.

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Como divulgado no numero anterior, este boletim é traduzido por um curioso, com um domínio apenas razoável de inglês e menos ainda de física. Correções são bem-vindas.


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