Neutrinos: a verdadeira metamorfose ambulante - Prêmio Nobel de Física de 2015

     A caçada ocorreu em enormes instalações enterradas em grandes profundidades, onde milhares de olhos artificiais aguardavam o momento certo de revelar os segredos dos neutrinos. Em 1998, Takaaki Kajita apresentou a descoberta de que os neutrinos parecem sofrer metamorfose: eles mudam de identidade no caminho até o detector Super-Kamiokande, no Japão. Os neutrinos capturados lá são criados em reações entre raios cósmicos e a atmosfera da Terra. Enquanto isso, no outro lado do planeta, cientistas do Sudbury Neutrino Observatory (SNO), no Canadá, estavam estudando neutrinos vindos do Sol. Em 2001, o grupo de pesquisa liderado por Arthur B. McDonald também provou que esses neutrinos mudam de identidade.

     Juntos, os dois experimentos descobriram um novo fenômeno: as oscilações dos neutrinos. Uma conclusão dos experimentos é que o neutrino, por muito tempo considerado sem massa, na verdade, tem que possuir massa. Isto é de uma extraordinária importância para a física de partículas e para o nosso entendimento do universo.

Interior do Super-Kamiokande. [Imagem: Universidade de Tóquio]

     Nós vivemos em um mundo de neutrinos. Trilhões de neutrinos atravessam seu corpo a cada segundo. Você não pode vê-los nem senti-los. Os neutrinos viajam através do espaço quase à velocidade da luz e quase não interagem com a matéria. De onde eles vêm?

     Muitos foram criados já no início do universo. Outros tantos são constantemente criados em vários processos no espaço e na Terra — de explosões de supernovas a reações nucleares em usinas e decaimentos radioativos que ocorrem naturalmente. Mesmo dentro de nossos corpos, uma média de 5000 neutrinos por segundo é liberada quando um isótopo de potássio decai. A maioria dos neutrinos que atinge a Terra se origina em reações nucleares no interior do Sol. Depois das partículas de luz (os fótons), os neutrinos são as partículas mais numerosas do universo.

     A existência dos neutrinos, proposta pelo austríaco Wolfgang Pauli (Prêmio Nobel em 1945), foi, sobretudo, uma tentativa desesperada para explicar a conservação de energia no decaimento beta, um tipo de decaimento radioativo no núcleo atômico. Em dezembro de 1930, Pauli escreveu uma carta para seus colegas físicos, sugerindo que parte da energia era carregada por uma partícula eletricamente neutra, fracamente interagente e muito leve. Ele quase não acreditava na existência dessa partícula. Supostamente ele disse: "Eu fiz uma coisa terrível: postulei uma partícula que não pode ser detectada".

     Essa partícula extra proposta por Pauli, que parecia um simples artifício, foi inicialmente encarada com ceticismo pela comunidade científica. Porém, o italiano Enrico Fermi (Prêmio Nobel em 1938) a levou a sério. E, em 1932, atribuiu-lhe o nome de neutrino, que significa "pequeno nêutron" em italiano. O brasileiro Mário Schenberg (1914-1990), que trabalhou com Fermi, foi um dos primeiros a utilizar operacionalmente tal ideia, por meio da qual fechou o balanço energético da explosão das supernovas.

     Ainda levaria mais de 20 anos para que o neutrino fosse realmente descoberto. A oportunidade veio na década de 1950, quando os neutrinos começam a jorrar em grande quantidade nas usinas nucleares que estavam entrando em operação. Em junho de 1956, dois físicos estadunidenses, Frederick Reines (Prêmio Nobel em 1995) e Clyde Cowan enviaram um telegrama para Wolfgang Pauli, mencionando que os neutrinos haviam deixado traços nos seus detectores.

     O Nobel de Física deste ano premia uma descoberta que resolveu um enigma de longa data sobre os neutrinos. Desde a década de 1960, cientistas tinham determinado, teoricamente, o número de neutrinos que foram criados nas reações nucleares que fazem o Sol brilhar, mas, ao realizarem medidas na Terra, verificou-se que cerca de 2/3 da quantidade calculada estava faltando. Para onde foram os neutrinos?

Prêmio Nobel de Física de 2014

     Os japoneses Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura foram premiados por inventar uma nova fonte de luz, eficiente energeticamente e ecologicamente correta - o diodo emissor de luz azul (LED azul). Usando LEDs azuis, a luz branca pode ser criada de uma nova maneira.
     Os LEDs (do inglês, light-emitting diodes) vermelhos e verdes têm sido utilizados há quase meio século, mas a luz azul era necessária para realmente revolucionar a tecnologia da iluminação. Somente a tríade vermelho, verde e azul pode produzir a luz branca, tão usada por nós. Apesar dos altos interesses e do grande esforço feito pela comunidade científica e pela indústria, a luz azul permaneceu um desafio por três décadas.
     Um diodo emissor de luz (LED) consiste de um número de materiais semicondutores dispostos em camadas. No LED, a eletricidade é diretamente convertida em partículas de luz, os fótons, levando a maior eficiência quando comparado com outras fontes de luz, nas quais a maior parte da eletricidade é convertida em calor e só uma pequena quantidade é convertida em luz. Em lâmpadas incandescentes, assim como em lâmpadas halógenas, a corrente elétrica é usada para aquecer o filamento, fazendo-o brilhar. Em lâmpadas fluorescentes, uma descarga de gás é produzida, resultando em calor e luz.
     Desse modo, os LEDs requerem menos energia para emitir luz, comparado com fontes mais antigas. Além disso, eles são constantemente aprimorados, ficando mais eficientes, com maiores fluxos luminosos (medidos em lúmen) por unidade de potência elétrica fornecida (medida em watt). O recorde mais recente é de pouco mais de 300 lúmen/watt, enquanto lâmpadas fluorescente apresentam cerca de 70 lúmen/watt e as lâmpadas incandescentes somente 16 lúmen/watt. Visto que um quarto do consumo mundial de eletricidade é utilizado para iluminação, os LEDs altamente eficientes contribuem para poupar os recursos da Terra. E tem mais: os LEDs duram mais que os outros tipos de lâmpadas.  As incandescentes tendem a durar 1000 horas acesas; lâmpadas fluorescentes usualmente duram cerca de 10.000 horas. Já os LEDs podem durar 100.000 horas.

Prêmio Nobel de Química de 2013

     Martin Karplus (1930-), Michael Levitt (1947-) e Arieh Warshel (1940-) foram agraciados com o Prêmio Nobel de Química de 2013.
     Os métodos que começaram a ser desenvolvidos por eles, ainda na década de 1970, tornaram possível mapear os misteriosos caminhos de reações químicas, usando computadores. 
     Mapear e entender bem como ocorrem certas reações químicas pode ser imensamente importante para todos. Como exemplo, se você entender bem como acontece o processo de fotossíntese, pode vir a criar o mesmo processo artificialmente. A reação química que ocorre nas folhas reabastece a atmosfera de oxigênio e é um dos pré-requisitos para a vida na Terra. Se você consegue imitar a fotossíntese, certamente será capaz, entre outras coisas, de criar células solares mais eficientes.
     As moléculas de proteínas que governam o processo de fotossíntese são gigantescas, consistindo de dezenas de milhares de átomos. Em algum lugar no meio delas, há uma pequena região chamada de centro de reação. É lá onde as moléculas de água são divididas. No entanto, somente alguns átomos estão diretamente envolvidos na reação. E o que cada átomo faz? De algum modo, elétrons devem ser extraídos de cada molécula de água e prótons devem ir para algum lugar. O que acontece? Como acontece?
     Os detalhes desse processo são, virtualmente, impossíveis de serem mapeados usando métodos tradicionais de química. Muitas coisas acontecem em frações de milissegundos. Quando a luz do sol atinge uma folha, as proteínas se enchem de energia e toda a estrutura atômica é modificada. Para entender a reação química, você precisa saber como se parece esse “estado excitado” do sistema. Aí que entram os programas computacionais desenvolvidos pelos premiados desse ano. E o que há de tão especial nesses programas computacionais?

Prêmio Nobel de Física de 2013

     François Englert (1932-) e Peter Higgs (1929-) foram agraciados com o Prêmio Nobel de Física de 2013, pela teoria que explica como partículas adquirem massa. Em 1964, eles propuseram a teoria de modo independente (Englert publicou com o agora falecido colega Robert Brout, algumas semanas antes de Peter Higgs).
     Essa teoria previa a existência da partícula conhecida atualmente como bóson de Higgs, cuja existência fora confirmada em 2012, no CERN (leia mais em outra postagem). Por isso, Englert e Higgs eram considerados por muitos como favoritos para levarem o prêmio de 2013. Vale mencionar que o Prêmio Nobel só pode ser dividido por, no máximo, três pessoas (vivas). Dessa forma, outros cientistas envolvidos diretamente com o tema não puderam dividir o prêmio.

O bóson de Higgs completou o quebra-cabeça do Modelo Padrão, que, por sua vez, é somente uma peça de um quebra-cabeça maior.

     Os cientistas do CERN esperam obter mais descobertas extraordinárias nos próximos anos. Apesar de ter sido uma grande façanha ter encontrado o bóson de Higgs – a peça que faltava no quebra-cabeça do Modelo Padrão – o próprio Modelo Padrão não é a peça final do grande quebra-cabeça cósmico.
(Fonte:http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2013/popular-physicsprize2013.pdf)

Prêmio Nobel de Física de 2012

     Os pesquisadores David Wineland e Serge Haroche foram agraciados com o Prêmio Nobel de Física de 2012. Eles inventaram e implementaram novas tecnologias e métodos que permitiram a medida e o controle de sistemas quânticos individuais com grande exatidão. Seus trabalhos tornaram viáveis as pesquisas em descoerência quântica através de medidas da evolução de estados tipo “gato de Schrödinger”; os primeiros passos em direção ao computador quântico e o desenvolvimento de relógios ópticos extremamente precisos.

Pesquisa experimental do paradoxo do “gato de Schrödinger”

     Uma questão central na física quântica é a transição entre os mundos clássico e quântico. Esta questão é ilustrada de um modo “popular” através do chamado paradoxo do “gato de Schrödinger”. Este nome refere-se ao experimento mental proposto por Schrödinger em 1935, dando ênfase à dificuldade em aplicar os conceitos da mecânica quântica à vida cotidiana. Enquanto o tempo passa, quando um sistema quântico para de existir como uma superposição de estados e torna-se um ou outro estado? A fronteira entre os mundos quântico e clássico tem sido estudada por muitos físicos desde o começo da mecânica quântica na década de 1930.

Por que César Lattes não ganhou o Prêmio Nobel?

     Reza a lenda que, na Dinamarca, há uma carta lacrada com os seguintes dizeres: "Por que César Lattes não ganhou o Prêmio Nobel? - abrir 50 anos depois da minha morte". A carta seria de Niels Bohr, um dos gigantes da Física no século XX e ganhador do Prêmio Nobel em 1922. Bohr prezava o trabalho do brasileiro Lattes. Convidou-o para dar seminários na Escandinávia. Tomaram cerveja juntos em Copenhague. Niels Bohr morreu no dia 18 de novembro de 1962, portanto, a partir do próximo dia 18 de novembro, a tal carta (se existiu e ainda existir) poderá ser aberta.
     Talvez, tenha havido alguma trampolinagem no caminho de César Lattes para o Prêmio Nobel de 1950. Em fins de 1949, os patrocinadores suecos do Nobel tentaram, sem êxito, contatar Lattes no Rio de Janeiro. A carta emperrou nos escaninhos da Universidade do Brasil (precursora da UFRJ) e só um ano depois chegou às mãos do suposto candidato ao prêmio. Era tarde demais. O Nobel já tinha ido para o inglês Cecil Frank Powell, chefe da equipe de quatro cientistas, entre os quais Lattes, que pesquisavam raios cósmicos e processos nucleares. 
     E por que César Lattes merecia ter ganho o Prêmio Nobel?
     A descoberta do méson "pi", por Lattes e colaboradores, foi um passo fundamental na compreensão do mundo sub-atômico. Ao longo do século XX, as idéias sobre a matéria foram se tornando gradualmente mais complexas. Os átomos são constituídos por elétrons (cargas negativas), prótons (cargas positivas) e nêutrons (cargas nulas). O que prende os prótons e os nêutrons uns aos outros para formar o núcleo? Eles não podem se atrair eletricamente, pelo contrário, os prótons se repelem uns aos outros. As forças gravitacionais são muito menores do que as forças elétricas repulsivas. Era necessário supor um novo tipo de forças nucleares, mais fortes do que a repulsão elétrica, para manter a coesão do núcleo.
     Em 1935, Hideki Yukawa propôs uma teoria para explicar as forças nucleares. Ele sugeriu a existência de uma partícula ainda desconhecida, com uma massa cerca de 200 vezes maior do que a do elétron, que poderia ser emitida e absorvida por prótons e nêutrons. A troca dessa partícula entre os constituintes do núcleo atômico produziria uma atração entre eles, de curto alcance, que poderia explicar a estabilidade nuclear. Por ter uma massa intermediária entre a do elétron e a do próton, recebeu o nome de “méson”. Essas partículas só poderiam existir durante um tempo muito curto, e se desintegrariam fora do núcleo atômico, depois de apenas um bilionésimo de segundo. 
     Entre 1937 e 1938, Carl D. Anderson e Seth H. Neddermeyer encontraram na “radiação cósmica”, que continuamente atinge a Terra, os sinais de algo que parecia ser o méson de Yukawa: tinha uma massa adequada, e se desintegrava do modo previsto. Durante quase dez anos, parecia que tudo se encaixava e que se dispunha de uma boa teoria sobre a constituição da matéria. Em 1947, no entanto, isso mudou. Descobriu-se que o méson de Anderson e Neddermeyer não tinha o comportamento previsto. 
     Para poderem explicar as forças nucleares, os mésons deveriam ser fortemente absorvidos por prótons e nêutrons. Previa-se, portanto, que eles fossem facilmente capturados pela matéria. No entanto, um grupo de pesquisadores italianos (Marcello Conversi, Ettore Pancini e Oreste Piccioni) observou que os mésons que haviam sido encontrados na radiação cósmica podiam atravessar centenas de núcleos atômicos sem sofrer nenhuma alteração. Eles tinham uma interação muito fraca com prótons e nêutrons, ao contrário do que se esperava.
     É aí que entra a contribuição do grupo ao qual pertenceu Lattes. Em 1946, uma equipe de pesquisadores de Bristol (Inglaterra), sob a direção de Cecil Powell, estava estudando os traços produzidos por reações nucleares em certas chapas fotográficas especiais, mais grossas e mais sensíveis, chamadas “emulsões nucleares”. Pela análise dos rastros lá deixados por prótons e outras partículas carregadas, é possível determinar a sua energia e massa. Beppo Occhialini e César Lattes analisaram algumas emulsões de um novo tipo, que haviam sido colocadas no alto de uma montanha, nos Pirineus, a cerca de 2800 m de altitude. Ao revelar e analisar as emulsões, observaram grande número de traços deixados por partículas que interpretaram inicialmente como sendo os mésons já conhecidos. No entanto, após alguns dias de estudo, foram encontrados dois traços especiais, de mésons que iam diminuindo de velocidade e parando. Do final desses traços brotava um rastro de um novo méson.
     O que era aquilo? Havia algumas interpretações possíveis. Podia ser que o méson tivesse reagido com um núcleo dentro da emulsão e tivesse sido expelido com uma maior velocidade; ou poderia ter havido uma transformação de um méson em outro. De qualquer modo, não havia dados suficientes para se tirar qualquer conclusão segura. Para obter maior número de dados, Lattes viajou para a Bolívia, e colocou no alto do Monte Chacaltaya, a uma altitude de 5500 metros, várias emulsões nucleares. Nelas, foi possível encontrar cerca de 30 rastros de mésons duplos. Estudando esses traços, foi possível determinar a massa dos mésons e perceber que havia dois tipos de partículas, com massas diferentes. 
    Existia um tipo de méson que era cerca de 30 a 40% mais pesado do que o outro. Ele se desintegrava e produzia o méson mais leve. A partícula secundária era aquela já conhecida pelos estudos de Anderson e Neddermeyer, e passou a ser chamada de méson "mi" (atualmente, é chamado de múon). O méson primário, mais pesado, era algo novo, desconhecido. Foi denominado méson "pi" (chamados hoje de "píon") e sua identificação foi anunciada em outubro de 1947. Estudos posteriores mostraram que ele tinha uma forte interação com o núcleo atômico, possuindo as características exigidas pela teoria de Yukawa.
    Essa descoberta não foi, no entanto, a mera confirmação de uma teoria. Ela abriu todo um novo mundo de investigações. Sobretudo, porque o estudo da radiação cósmica logo levou à descoberta inesperada de muitas outras partículas. Naquele mesmo ano, começaram a ser observados rastros que não correspondiam a nada de conhecido. O próprio grupo de Powell encontrou alguns sinais de mésons duas vezes mais pesados do que os píons. Foram chamados inicialmente de mésons "tau", e atualmente são denominados mésons "kappa". Nos anos seguintes, foi surgindo uma avalanche de novas partículas, todas elas inesperadas, e com propriedades difíceis de serem compreendidas na época. Robert Oppenheimer introduziu a expressão “zoológico sub-nuclear” para esse novo mundo de partículas. Entre os seres exóticos desse "zoológico", foram encontradas partículas mais pesadas do que o próton (os “híperons”), de vários tipos diferentes. A nova "fauna" foi inicialmente explorada pelo estudo de raios cósmicos, mas logo foram construídos aceleradores de partículas cada vez mais poderosos, que permitiram a criação e investigação dessas partículas em laboratório. 
    Mais do que encontrar uma partícula em especial, a descoberta do méson pi marcou o início de uma revisão dos conceitos físicos sobre a estrutura da matéria. A grande variedade de partículas descobertas nos anos seguintes colocou em dúvida o conceito de “partícula elementar” como algo indivisível, simples, e levou à procura de uma estrutura para os próprios prótons, mésons e outras partículas. A teoria dos quarks jamais teria surgido sem o estímulo dessas descobertas, iniciadas há 65 anos, com César Lattes e colaboradores.
(Fontes: http://www.ghtc.usp.br/meson.htm e http://revistaepoca.globo.com/Revista/Epoca/0,,EMI193412-15224,00.html)