1001 utilidades para a luz síncrotron

O anel do LNLS está por dentro da estrutura branca arredondada.

Há uma máquina do tamanho de um salão grande, guardada dentro de um pequeno prédio nas proximidades de Campinas, SP, que é um verdadeiro coringa: é usada para pesquisas da nanociência à química dos derivados de petróleo, da paleontologia à bioquímica extraterrestre. É a única da América Latina; no hemisfério Sul só há outra parecida na Austrália; e a daqui é utilizada por cientistas de vários países, como Argentina, Itália, Suécia e República Tcheca.

O aparelho tem a forma de um anel de 30 metros de diâemtro e chama-se "acelerador síncrotron". Encontra-se no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), um complexo a poucos quilômetros da Unicamp. O porquê de tanta versatilidade deve-se à radiação que produz, que tem o mesmo nome, "luz síncrotron". Esses raios são úteis para investigar com precisão a estrutura da matéria no nível dos átomos - é possível com isso confeccionar novos materiais e pesquisar a física por detrás de inúmeros fenômenos - e também para formar imagens tridimensionais do interior dos objetos sem ser preciso abri-los (em outros laboratórios pelo mundo, já se observou com ela inclusive o interior de ovos de dinossauro mantendo-os intactos).

A radiação é produzida por elétrons que trafegam em círculos no interior do anel a 99,999% da velocidade da luz (energia de 1,37 GeV); sua trajetória é mantida dentro do anel por fortes campos magnéticos, que obrigam as partículas a fazerem a curva. Partículas carregadas como os elétrons emitem radiação naturalmente quando são desviados da trajetória reta, formando a luz síncrotron emitida pelo aparelho.

Ao redor do anel, há diversas "saídas" para a radiação, cada uma acoplada a um conjunto de aparelhos. São as "linhas de luz". Cada linha de luz processa a radiação síncrotron de uma forma diferente, adequando-a para as diversas aplicações possíveis. O conjunto todo é o "laboratório síncrotron".


O ribossomo, átomo por átomo

O aspecto "coringa" desse complexo foi ilustrado ricamente num minicurso voltado a estudantes de pós-graduação, que aconteceu no LNLS entre 17 e 25 de janeiro último, intitulado "Novos desenvolvimentos no campo das radiações síncrotron" (parte do programa Escola São Paulo de Ciência Avançada, EPSCA). O objetivo era compartilhar o que vem sendo feito em laboratórios síncrotron de todo o globo para quem quisesse ouvir. Gente do mundo inteiro compareceu - Brasil, Argentina, França, Alemanha, Espanha, Estados Unidos, Irã, África do Sul etc. Vou abaixo falar sobre umas poucas pesquisas apresentadas, só para dar uma ideia da variedade do que pode ser feito com laboratórios síncrotrons.

Quem foi teve a sorte de ouvir as palestras de dois prêmios Nobel: Ada Yonath, de Química, e Albert Fert, de Física. Fert, da Universidade de Paris, falou sobre a spintrônica, uma nova área que explora as possibilidades de transmissão de informação por meio de ondas de spins de elétrons. Ada Yonath, do Instituto Weizmann, em Israel, falou no primeiro dia. Discorreu sobre suas pesquisas em Israel a respeito da estrutura do ribossomo - uma organela celular que faz a "leitura" do código do DNA e com isso produz proteínas para a célula.

Basicamente, o que seu grupo e seus colaboradores fizeram foi aproveitar que o ribossomo é muito pequeno - tem entre 25 e 30 nanômetros de diâmetro - e tratá-lo como se fosse uma molécula. Ora, um dos usos mais comuns para a radiação síncrotron é a determinação da estrutura da molécula de um material - de que átomos é composta e como eles se distribuem na molécula. Os cientistas aplicaram o método no ribossomo e acabaram determinando a sua estrutura átomo por átomo!

Representação da estrutura das duas subunidades do ribossomo de eubactérias. A da esquerda é da Deinococcus radiodurans e a da direita, da Thermus thermophilus. O ribossomo é feito de RNA ribossômico (em cinza) e de proteínas (em cores). Entre as duas subunidades, em dourado, aparece uma molécula de RNA transmissor, central no mecanismo de decodificação, no ribossomo, do código genético para construir moléculas de proteínas. Fonte: Homepage de Ada Yonath

Não só: foram mostradas imagens do ribossomo se mexendo enquanto passava através dele uma "fita" de RNAm (molécula semelhante à do DNA, que leva o código genético do núcleo para o citoplasma da célula). Como num verdadeiro mecanismo de montagem em série, moléculas de aminoácidos presentes no citoplasma eram ligadas uma após a outro, formando uma cadeia que constituiria uma proteína, numa sequência determinada pelo RNAm que era lido simultaneamente. A longa molécula da proteína saía por um túnel através da organela.


Física & Paleontologia

No dia 21, houve a inesperada palestra de uma jovem paleontóloga, Sophie Sanchez, do Museu Nacional de História Natural, em Paris, que mostrou como os laboratórios síncrotron podem ser úteis para a sua ciência. Fósseis muitas vezes vêm no interior de rochas e seria preciso quebrá-las e estragar as relíquias para conseguir enxergá-los. Com a luz síncrotron, pode-se obter figuras tridimensionais do interior dessas rochas mantendo-as intactas. Na telona foram exibidas imagens de um velho pedaço de âmbar com insetos fósseis dentro, uma pesquisa de Malvina Lak (da Universidade de Rennes, na França) e Paul Tafforeau. (do European Synchrotron Radiation Facility). Uma simulação computacional, alimentada pelas imagens obtidas com o síncrotron, montou uma animação na qual o âmbar girava na tela, mostrando com nitidez os antiquíssimos insetos de cerca de 100 milhões de anos. Também mostrou várias análises do interior de ossos e dentes de animais pré-históricos e embriões dentro de ovos.

Insetos e plantas pré-históricas presos dentro de um pedaço de âmbar. As imagens foram feitas com o auxílio da radiação síncrotron. Imagens de muitos ângulos diferentes foram processadas por computador para produzir o resultado acima. Na palestra, uma animação mostrava o sistema todo girando, permitindo extraordinária visualização. Pesquisa de Malvina Lak e Paul Tafforeau. Fonte: slides da primeira palestra de Sophie Sanchez, disponíveis no site do LNLS.

Esse tipo de pesquisa - a do ribossomo ou a dos insetos dentro do âmbar - não poderia ser feita no LNLS, pois precisa da chamada fonte de radiação síncrotron de terceira geração, que produz radiação mais intensa e com espectro mais amplo. Mas um novo anel está sendo construído no LNLS, o Sirius, com 146 metros de diâmetro. Este será uma fonte de terceira geração e abrirá possibilidades para todo um conjunto novo de possibilidades de pesquisas para o Brasil e para os usuários LNLS vindos de outros países.

Outros pesquisam ovos mais recentes. Antes de Sophie, falou Franz Pfeiffer, da Universidade Técnica de Munique, Alemanha. Explicou, em meio a equações e desenhos esquemáticos, a teoria matemática por detrás das mesmas técnicas que ela usava. A razão de tanta sofisticação é que, para transformar os dados brutos da radiação síncrotron em imagens, é necessário um complexo processamento matemático realizado por computadores. Para ilustrar a aplicação da teoria, em certo momento Pfeiffer mostrou os resultados de um experimento-teste feito no laboratório: imagens tridimensionais do interior de... um Kinder-Ovo!


Filmes mesoporosos e bioquímica extraterrestre

Mais próximo da física, o argentino Galo Soler-Illía, do Centro Atómico Constituyentes, em Buenos Aires, falou sobre os filmes mesoporosos. Assunto amplamente desconhecido do grande público, trata-se de minúsculos dispositivos com forma de finíssimas películas porosas - cada poro possui entre 2 e 50 nanômetros, ou milionésimos de milímetro - com múltiplas aplicações na nanociência. Podem servir para a tecnologia, como na construção de detectores de substâncias químicas, ou para estudos científicas em física, química e biologia. Uma surpreendente pesquisa de 2009, feita por uma equipe de Buenos Aires, usou filmes mesoporosos para simular o funcionamento das membranas de neurônios, que transmitem o impulso nervoso bloqueando ou deixando passar íons de sódio e potássio. Usando, para isso, o LNLS.

Outra pesquisa de 2009, que não chegou a ser comentada no evento, usou as instalações do LNLS e concluiu que há indicações da existência de adenina, uma das bases constituintes do DNA, na atmosfera de Titã, um satélite de Saturno! O que foi feito por Sergio Pilling, da Universidade do Vale do Paraíba (Univap), foi simular a atmosfera e as condições do satélite numa campânula e analisar a composição do material que era formado ali. O LNLS foi usado para produzir raios-X para imitar os raios-X solares que bombardeiam a atmosfera de Titã.

Na campânula, formou-se uma maçaroca composta de diversas substâncias químicas, que aparece frequentemente em condições semelhantes no espaço sideral, chamada "tholin". A análise do tholin acusou a presença da adenina. É uma conclusão excitante, pois coloca um pequeno tijolo a mais nas pesquisas sobre a origem da vida - como ela pôde aparecer a partir de elementos não biológicos - e mesmo sobre as possibilidades de ela surgir também em outros mundos.

Equipamentos de uma das linhas de luz do LNLS, a D04A-SXS (espectroscopia de raio-X mole), nos quais foram feitas as análises do tholin. Fonte: "DNA nucleobases in Titan?" (Roberto Belisário), em PDF.

Saiba mais:

Slides das palestras do minicurso EPSCA no LNLS, em PDF

"Brilho maior" (Marcos de Oliveira) - Pesquisa Fapesp 172, junho de 2010 - Sobre o Sirius, o novo anel que está sendo construído no LNLS

"Mesoporous films can mimic living membranes" (Roberto Belisário) - sobre a pesquisa a respeito da simulação da membrana do neurônio por meio de filmes mesoporosos (nível difícil)

"DNA nucleobases in Titan?" (Roberto Belisário) - sobre a pesquisa que indicou a existência de adenina na atmosfera de Titã (nível difícil)

"Solar X-rays may create DNA building blocks on Titan", New Scientist, junho de 2009 - sobre a mesma pesquisa acima (nível médio)

Reino Unido e Brasil: parceria para inovação anti-emissão de carbono

Na última segunda e terça (9 e 10 de março), tive a oportunidade de testemunhar como é por dentro o início de um processo de transformação de pesquisa científica em produto tecnológico novo disponível no mercado.

(Obs.: este texto não pretende fazer um parnorama do evento como um todo, mas comentar impressões minhas sobre alguns assuntos específicos lá abordados, principalmente sobre estratégias de promoção da inovação tecnológica. Veja aqui a programação completa do seminário.)

Uma delegação de sete representantes britânicos de agências e empresas ligadas à inovação participou de um seminário na Unicamp (“The how of innovation through low carbon example”) para fazer contatos com pesquisadores brasileiros para transformar descobertas científicas feitas aqui em produtos comercializáveis que promovam a diminuição das emissões de carbono na atmosfera. Essas emissões são vistas como a maior responsável pelas mudanças climáticas previstas para as próximas décadas.

O evento foi promovido pela Unicamp, pela organização governamental britânica UK Trade & Investment e pela representação do Reino Unido no Brasil. A delegação foi liderada por um representante britânico especializado em fazer o meio-de-campo entre cientistas e empresários, Nick Stuart, da UK Trade & Investment.

A idéia era promover a aproximação entre o setor acadêmico e o setor empresarial, para que pesquisas com potencial de se converter em inovação tecnológica comercializável pudessem encontrar seu caminho para concretizá-lo. Nos intervalos das palestras, os presentes da platéia conversavam com os palestrantes para estabelecer contatos. Nick Sutart disse esperar que, como resultado do seminário e dos contatos ali feitos, daqui a seis meses já apareça no Reino Unido uma equipe brasileira de inovação.

Houve palestras de britânicos e de brasileiros. Várias descreviam estudos sobre tecnologias capazes de diminuir as emissões de carbono na atmosfera, desenvolvidos em empresas e instituições de pesquisa dos dois países. Outras apresentavam os seus sistemas de inovação, transferência de tecnologia e financiamento, ou seja, as estratégias de se transformar ciência em tecnologia nova disponível no mercado.


Estratégias de inovação

Sobre esse último tópico, tanto aqui como lá existem órgãos especializados em ajudar a adaptar as tecnologias para as características do mercado e em mediar o contato entre academia e empresa. Isso é necessário pois, por um lado, em geral os cientistas não têm perfil de negócio e, por outro, o empresariado não costuma ter perfil técnico-científico. Além disso, as pesquisas científicas encontram-se, em geral, em um estágio muito precoce para um estudo tradicional de potencialidades de mercado. As variáveis normalmente consideradas para avaliação de potencialidades de negócio ainda não estão presentes nelas.

No caso do Brasil, a Lei da Inovação, de 2004 exige que todas as instituições científicas e tecnológicas tenham núcleos de inovação tecnológica com essa função. Há também programas como o Programa de Investigação Tecnológica de São Paulo e agências de inovação como a da Unicamp.

Um exemplo de como se dão as primeiras etapas da passagem de um produto da academia até o mercado aparece em um artigo de Bruno Moreira e Roberto Lotufo sobre a metodologia do Programa de Investigação Tecnológica de São Paulo, publicado na página 28 da edição de julho de 2008 revista Conecta, ligada à agência Inova Unicamp. As fases descritas no texto são:

1. Caracterização das tecnologias e de suas aplicações;
2. Prova de conceito: avaliação da capacidade da tecnologia de aderir ao mercado – a tecnologia parece pronta quando produz o registro de uma patente, mas há um caminho a percorrer até que ela esteja pronta para a inserção no mercado;
3. Análise de mercado: identificar qual o mercado mais propício para aquela tecnologia, o modelo ideal para a sua exploração, potenciais parceiros;
4. Análise da viabilidade econômica: análises mais detalhadas sobre o potencial mercadológico da tecnologia, como estimativa do tamanho do mercado, estabelecimento de preços, projeção de receitas, levantamento de custos e outras.

O resultado, ao final dessas etapas, é que a nova tecnologia deve estar adequada para ser apresentada, negociada e desenvolvida dentro da empresa ou com potenciais parceiros.

Além dos contatos, outro objetivo do seminário foi o Brasil aproveitar a experiência dos britânicos sobre estratégias de promoção da inovação. Roberto Lotufo, diretor executivo da agência Inova Unicamp, no seu seminário, disse que o envio de alguns colaboradores brasileiros ao Reino Unido nos últimos anos já trouxe aprendizados importantes para o país - como a necessidade de as equipes de inovação acompanharem o processo de inserção da tecnologia no mercado não só até os estágios finais dos passos acima, mas até a assinatura do contrato com a empresa e principalmente depois, já que é comum surgirem muitas dificuldades quando a tecnologia começa de fato a ser desenvolvida e virar uma inovação.


Outros temas – e o lado social

Nas palestras dos brasileiros, a maior parte falou de pesquisas sobre bioetanol. Dois dos palestrantes eram do Centro de Ciência e Tecnologia do Bioetanol (CTBE), em Campinas, que faz pesquisa básica, desenvolvimento de inovações e estudos sobre o impacto do bioetanol na sustentabilidade do desenvolvimento. Um dos temas principais eram os estudos para alcançar a viabilidade econômica do bioetanol de segunda geração, ou seja, feito não só do açúcar da cana, mas do seu bagaço e da palha – além do seu aproveitamento para cogeração da energia usada pela usina.

Outros assuntos interessantes foram a energia eólica (o Reino Unido tem quase 75% de sua energia elétrica de origem eólica – e o Brasil terá seu primeiro leilão específico para contratação de energia do vento amanhã, dia 15), células combustíveis e biorrefinarias com microalgas (as duas últimas, pesquisas feitas no Brasil).

A dimensão social foi abordada apenas de forma pontual, em momentos específicos do seminário. Bastiaan Reydon, da Unicamp, comentou, no início de sua palestra, o lado social de um dos principais problemas brasileiros ligados às mudanças climáticas, que é o desmatamento amazônico – ou seja, o seu impacto nas comunidades tradicionais indígenas e não-indígenas da Amazônia e nos problemas fundiários (sem-terras). Isso me pareceu muito importante, apesar de não ser o seu tema central, pois essas comunidades são freqüentemente esquecidas, como se a floresta, fora os fazendeiros e criadores de gado, fosse mato desocupado.

Há que se notar, porém, como me lembrou um dos palestrantes em um intervalo, que o desmatamento tem uma dimensão bem mais ampla, incluindo demandas crescentes de outros países, como a de soja pela China (hoje, a soja é um dos principais fatores do desmatamento amazônico e da estruturação de parte de suas vias de comunicação voltada para corredores de exportação).

Em outro momento, ao responder uma pergunta da platéia sobre esse assunto, Felix Eliecer Fonseca Felfli, pesquisador da Bioware, lembrou a condição social do pessoal que trabalha com carvão, que, segundo ele, é “incomparável” com as tecnologias propostas pela sua empresa.


Assuntos relacionados neste blog:

Quem não inova, se trumbica – sobre a importância da inovação tecnológica para o comércio internacional

O significado dos números sobre o aquecimento global – sobre como são feitas as pesquisas do IPCC sobre mudanças climáticas e o que significam

Bons ventos para a energia eólica no Brasil – sobre o leilão do dia 15 de março sobre contratos de energia eólica

A megafísica mega-internacional e o estranho mundo assimétrico

À primeira vista, todo mundo deveria estar muito satisfeito com a teoria moderna sobre as partículas subatômicas. Pois ela é tão boa que descreve os fenômenos a que se propõe com mais precisão que qualquer outra em qualquer área da física, antes ou depois dela. O que mais se pode querer de uma teoria? Mas o que apareceu no meio científico no último dia 4 foi o último grande lance de uma corrida entre os principais laboratório de partículas do mundo para provar que ela está errada.

Quanto mais essas tentativas falham, mais impacientes ficam os cientistas. E esta última, da qual participaram físicos de quatro instituições brasileiras, provou que a teoria é ainda mais precisa do que se achava... Mesmo assim, mataram outros coelhos e avançaram em outra corrida, agora para achar o “bóson de Higgs” – a última partícula elementar prevista pela teoria cuja existência ainda não foi comprovada.

Calma, não é daquelas situações em que se trocam gritos e tiros. Os próprios EUA, pátria do ex-maior laboratório de partículas do mundo (o Fermilab), investiu pouco mais de meio bilhão de dólares para a construção na Europa do maior de todos, o LHC – que desbancou o Fermilab. E cientistas do LHC congratularam os do Fermilab pelo seu trabalho do dia 4 e disseram que ele pode muito bem vencer a corrida pelo bóson de Higgs. O espírito é mais esportivo do que se vê em muitos esportes por aí.


Por que mexer no que está dando certo?

O motivo para toda essa pressa é que, apesar de tão preciso, o Modelo Padrão falha catastroficamente em dar conta de uns poucos fenômenos importantes, relacionados não só com partículas, mas com o Universo conhecido como um todo.

Uma delas é que o Modelo Padrão prevê que deve haver um pouco mais de matéria que de antimatéria no Universo (ou vice-versa). Bem, o que é antimatéria: a cada partícula subatômica, como elétron ou próton, corresponde uma antipartícula de carga elétrica oposta – no caso, antielétron e antipróton. Essas antipartículas formam a dita antimatéria.

À esquerda, o próton, de carga elétrica positiva, e o elétron, de carga elétrica negativa. Nas suas antipartículas, à direita, as cargas elétricas estão invertidas.

À esquerda, um átomo tem o núcleo positivo e os elétrons negativos. À direita, um átomo de antimatéria, ou "antiátomo", tem o núcleo negativo e os elétrons positivos.

Entretanto, praticamente só vemos matéria à nossa volta, pelo menos até onde os telescópios podem observar. A supremacia observada da matéria sobre a antimatéria é pelo menos um bilhão de vezes maior que o previsto pela teoria. O Modelo Padrão diz que elas deveriam estar misturadas, o que seria cataclísmico em nível cósmico, pois matéria e antimatéria, quando em contato, transformam-se completamente em radiação extremamente energética...!

Outro problema: no Modelo Padrão, há dezenas de parâmetros numéricos, como a massa das partículas, cujos valores a teoria não explica. Ninguém sabe por que a massa do elétron é (segurem-se na cadeira) 911 octilionésimos de miligrama e não um outro valor qualquer. Há outros parâmetros relacionados com as probabilidades com que certas partículas se transformam umas nas outras, dos quais falarei mais adiante, e que estão no centro da pesquisa divulgada no dia 4.

Como não se sabe como completar a teoria nem como se construir uma nova, tenta-se descobrir fenômenos inéditos ou comportamentos diferentes do previsto pelo Modelo Padrão, na esperança de que possam dar mais indícios sobre o que fazer. O problema é que, quanto mais pesquisas se realizam, mais preciso o Modelo Padrão se mostra e todo mundo continua às escuras...


Megafísica

Para fazer esses estudos, os físicos usam aparelhos enormes chamados aceleradores de partículas. Como o nome indica, essas máquinas aceleram partículas subatômicas e obrigam dois “jatos” delas a se chocarem a velocidades enormes. O acelerador do Fermilab, o Tevatron, faz prótons e antiprótons colidirem a 99,99995% da velocidade da luz – apenas 475 km/h mais lentos que ela.

O choque produz novas partículas, que são analisadas por detectores colocados ao redor. Sabendo quais as partículas produzidas, suas velocidades e as direções para as quais foram atiradas, os cientistas conseguem inferir coisas sobre como a colisão acontece, se as teorias estão corretas ou não e, caso não estejam, como fazer uma nova teoria.

Um próton e um antipróton colidem com muita energia (lado esquerdo), suficiente para produzir várias partículas após a colisão (lado direito).

Essas máquinas são gigantescas. A maior de todas, o LHC, perto de Genebra, na fronteira entre França e Suíça, é basicamente constituída de um anel circular de 27 quilômetros de comprimento com os detectores ao redor – tudo dentro de um túnel subterrâneo. Começará a funcionar no final deste ano (deveria ter começado no fim de 2008, mas um defeito provocou um adiamento). O custo total deverá chegar a cerca de 3,03 bilhões de euros (3,9 bilhões de dólares de hoje).

O Tevatron do Fermilab é o segundo maior acelerador, com um anel de 6,28 km de comprimento. Sua construção custou 120 milhões de dólares, mas vem sendo incrementado desde então.

O círculo mais ao fundo, nesta vista aéra, é o anel do Tevatron, no Fermilab. Licença

Por que ser grande é bom? Quanto maior o acelerador, maior a energia que eles são capazes de fornecer às partículas que se chocam; e, quanto maior essa energia, maior a probabilidade de encontrar coisas novas (pois pode-se explorar o que acontece com energias jamais investigadas). O LHC poderá alcançar energias sete vezes maiores que o Tevatron. O Fermilab tem motivos para se preocupar...

A concorrência às vezes aparece dentro da mesma instituição, como aconteceu no Fermilab no dia 4: duas equipes de lá divulgaram, com apenas horas de diferença, dois trabalhos sobre a observação do mesmo tipo de fenômeno, com conclusões semelhantes.

O primeiro artigo, de um grupo chamado D-Zero, foi assinado por cientistas de 81 instituições de 19 países. A primeira página e meia do artigo só tem os seus últimos sobrenomes e as iniciais. A maior parte é dos Estados Unidos, mas há também quatro instituições brasileiras, onde trabalham os 15 cientistas daqui que assinaram o texto. São elas o Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF, no Rio de Janeiro), a Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ), a Universidade Federal do ABC (de Santo André, SP) e a Universidade Estadual Paulista.

O segundo artigo, do grupo CDF (sigla em inglês para Detector de Colisões do Fermilab), foi assinado por físicos de 61 instituições espalhadas por 14 países. Não há nenhum brasileiro neste. O D-Zero contém bem mais países do Terceiro Mundo que o CDF, especialmente da América Latina (incluem Argentina, Colômbia, Brasil, Equador e México, além da Índia). Os dois grupos usam diferentes detectores do Tevatron.


A violação CP

Agora vou tentar descrever com um pouco de detalhe, mas de uma forma relativamente acessível ao leitor não-físico, no que consistiu a pesquisa feita no D-Zero e no CDF. Vou ter que apresentar vários “senhores” ao longo do texto: violação CP, forças fracas, quarks, bósons de Higgs. Preparem-se para conhecer novos amigos. Talvez dê para ter uma idéia do tipo de pesquisa que se faz na área da física de partículas e do tipo de conceitos com os quais os físicos lidam nesses estudos.

A pesquisa divulgada no dia 4 se relaciona com a limitação do Modelo Padrão sobre a enorme vantagem da matéria sobre a antimatéria. A idéia para se pesquisar isso é investigar uma das condições necessárias para que a assimetria matéria-antimatéria ocorra: a quebra, ou violação, da chamada “simetria CP”. Aqui vou ter que apresentar nossa primeira nova amiga. A simetria CP diz simplesmente que:

a) se trocarmos todas as cargas elétricas de um sistema físico (daí a letra C)
b) e ao mesmo tempo invertermos todas as posições no espaço, como na figura abaixo (“P” é de “paridade”, nome técnico para isso: “troca de paridade”)

então obteremos uma situação física perfeitamente possível e totalmente simétrica em relação à anterior.

As operações envolvidas na simetria CP. A parte A é o quadro "Mulher agachada", de Ismael Nery. Na parte B, refletiu-se a imagem num espelho vertical (espero que os fãs de Nery me perdoem). Uma nova reflexão, por um espelho horizontal, leva à parte C. As duas reflexões constituem a "inversão de paridade". A parte D representa todas as cargas elétricas de todas as partículas invertidas. Licença

Isso talvez pareça muito natural. Afinal, o que poderia mudar se simplesmente olharmos o mundo de cabeça para baixo e através de um espelho? A força da gravidade – e as outras forças – certamente não mudaria de intensidade por causa disso – no máximo, trocaria de sentido. Um átomo não se desmancharia se a carga elétrica de todas as suas partículas fossem trocadas de sinal – afinal, o sinal das cargas é uma convenção: poderiam ter definido que os prótons são todos negativos e os elétrons positivos, ao invés do contrário. A natureza não está nem aí para as nossas idiossincrasias.

Mas a natureza é estranha. Em 1964, James Cronin e Val Fitch descobriram no laboratório que as forças fracas não respeitam essa simetria! Bem, “forças fracas”... prazer em conhecer... OK, deixem-me apresentar nossa segunda nova amiga.

A força fraca é uma das forças fundamentais da natureza, ao lado das forças gravitacional, elétrica, magnética (as duas conjuntamente conhecidas como eletromagnéticas) e nuclear forte (que se relaciona com a muito falada energia nuclear). Dentre elas, é as mais desconhecida fora da física. O fenômeno mais comum de que toma parte é a radiação beta, emitida por vários materiais radioativos.

E as tais forças fracas desrespeitam a simetria CP. Muito, muito estranho. Mas fazer o quê? É assim que a natureza se nos mostra.


Conseqüências da violação CP

Ora, o caso é que essa estranha descoberta teve duas conseqüências importantes.

A primeira foi que, para incluí-la, as teorias tiveram que ser modificadas. A versão final é de 1974 e é o que chamamos “Modelo Padrão”.

A principal mudança foi “postular” a existência de duas novas partículas subatômicas, até então nunca vistas. Seus nomes são quark top e quark bottom. Hora de apresentar novos amigos pela terceira vez...

Quarks são partículas que interagem por meio da força nuclear forte. Há seis tipos: up, down, charm, strange, top e bottom. O up e o down se associam em grupos de três para formar os prótons e os nêutrons: o próton tem dois up e um down e o nêutron, dois down e um up. Os quatro outros não participam da constituição dos átomos. O que se chama normalmente “força nuclear” é a força entre prótons e nêutrons (e entre si), que é um “remanescente” da força forte entre os quarks dentro deles.

Licença

O quark top e o quark bottom previstos pelo Modelo Padrão acabaram sendo encontrados entre as partículas que aparecem nas colisões dos aceleradores mais potentes. O último, o quark top, foi detectado no Fermilab só em 1995, pelos mesmos dois grupos, DÆ e CDF – de novo, quase ao mesmo tempo.

Além disso, os diversos quarks podem transformar-se um no outro. Isso acontece, por exemplo, no momento das colisões dentro dos aceleradores. Porém, o Modelo Padrão – específico a ponto de dizer quais partículas devem existir e quais não devem – não “sabe” calcular a probabilidade de um quark se transformar em outro! Os físicos têm que medi-las no laboratório e usar como “input” para a teoria (para os mais conhecedores, estou falando da matriz de Cabibbo–Kobayashi–Maskawa).

Aliás, lembram-se de quando eu falei no começo deste texto, que há parâmetros cujos valores o Modelo Padrão não prevê, “relacionados com as probabilidades com que certas partículas se transformam umas nas outras (...) e que estão no centro da pesquisa divulgada no dia 4”? Eu estava me referindo a essas probabilidades de transformação dos quarks.

A segunda conseqüência da descoberta da quebra da simetria CP é que ela implica na assimetria entre matéria e antimatéria, vínculo que foi descoberto pelo físico russo Andrei Sakharov.

Porém, isso explica apenas uma pequenina parte dessa assimetria. Assim, deve haver ainda mais novidades ocultas na física das partículas. Para encontrá-las, muitos cientistas passaram a olhar mais de perto fenômenos que exibiam quebra da simetria CP.


Os triângulos unitários

O pessoal do DÆ e do CDF juntou-se a esse conjunto de físicos. Sua idéia foi observar quarks top produzidos na colisão entre os prótons e antiprótons do Tevatron. Afinal, o quark top está no centro do problema da violação CP (foi prevista justamente por causa dela). Talvez pudesse revelar mais coisas interessantes.

Ora, há pouco, eu disse que o Modelo Padrão não previa as probabilidades de um quark se transformar em outro. A idéia dos físicos que estudam a violação CP é concentrar-se justamente na investigação dessas probabilidades.

Mas investigariam o quê, se o modelo era silencioso quanto a elas? Acontece que, apesar de a teoria não dizer os valores dessas probabilidades, ele prevê uma relação curiosa e bem específica entre elas. E é essa relação que os físicos querem testar, comparando cálculo de teoria com resultado de experimento. A relação é: é possível desenhar triângulos com essas probabilidades. Melhor dizendo: as probabilidades podem ser combinadas em certas quantidades que formam ângulos e lados de seis triângulos diferentes, chamados “triângulos unitários”.

Físicos adoram coisas que se pode visualizar. Elas excitam a intuição e fomentam novas idéias. E é de novas idéias que os cientistas estão precisando neste momento. Concentraram-se então nesses triângulos. Assim: passaram a medir os parâmetros com os detectores dos aceleradores; aí construíam os triângulos com eles e verificavam se a figura se “fechava” ou não, como na figura ao lado. Se não se fechassem, haveria problemas com o Modelo Padrão. Caso se fechassem, haviam apenas provado que o Modelo era ainda mais preciso.




O que o Fermilab fez

Até 2007, já se havia investigado todos os lados e ângulos dos triângulos unitários, com exceção de um, chamado “Vtb” (escreve-se o “t” e o “b” porque ele se relaciona com a transformação de um quark top em um quark bottom). Para ele, havia medições indiretas e não suficientemente precisas. Tudo melhoraria se fosse possível observar a produção de quarks top individualmente, pois eles continham informação direta sobre o Vtb.

Mas quase todos os quarks apareciam em pares quark-antiquark. Os quarks solitários ocorriam, mas eram muito difíceis de serem observados, pois surgiam muito raramente no meio de uma grande quantidade de outras partículas – algo como procurar uma agulha amarela num palheiro bege. E transformavam-se em outras partículas antes que se pudesse fazer qualquer coisa.

Os aperfeiçoamentos técnicos e metodológicos permitiram distingui-lo ali no meio já em 2007. Mas foram vistos muito poucos; para conseguirem medir o Vtb com precisão semelhante ao que havia sido feito para os outros parâmetros, era preciso mais. Isso foi conseguido no último dia 4.

Os quarks continuam transformando-se em outras coisas antes de poderem serem observados – na verdade, quarks só podem ser detectados aos pares. Mas as partículas nas quais se transformam contém, nas suas velocidades e direções de movimento, uma “assinatura” do quark top. Essas partículas “secundárias” é que foram detectadas. E a assinatura do quark top isolado estava lá.

O resultado foi... o triângulo se fechou muito bem...! Melhor do que parecia se fechar até então. Bem... não foi o grande dia, não foi desta vez que o Modelo Padrão foi derrotado. Mas os cientistas descobriram algo mais.


A busca pelo bóson de Higgs

Primeiro, observar indiretamente quarks isolados é algo muito interessante, pois isso é muito difícil de ser feito. A observação de 2007 foi a primeira.

Segundo, o D-Zero e o CDF avançaram em outra corrida: para encontrar o bóson de Higgs. Eis aqui mais um quarto amiguinho para ser apresentado. Vamos lá.

O bóson de Higgs é uma partícula prevista pelo Modelo Padrão, a única cuja existência ainda não foi confirmada em laboratório. A razão é que ela é muito pesada, e quanto mais pesada uma partícula, mais difícil de ver num acelerador. Isso acontece porque os aceleradores têm que fazer as colisões produzirem as partículas – e, para se produzir partículas grandes, é preciso fazer colisões com energia muito alta. Não se sabe qual a massa do Higgs, mas em agosto do ano passado, resultados do DÆ e do CDF combinados mostraram que sua massa é pelo menos 203 vezes maior que o próton – ou seja, um pouco mais pesado que um átomo de mercúrio.

A corrida pela observação do bóson de Higgs é ainda mais intensa que a relacionada com a violação CP descrita neste texto. Esta última praticamente não aparece nos jornais; já os bósons de Higgs aparecem bastante (ainda que poucos leitores saibam o que são).

A contribuição dos resultados do dia 4 para a busca do bóson de Higgs é a seguinte. Assim como o quark top, essa partícula também só pode ser observada indiretamente. Acontece que os sinais deixados pelos quarks top produzidos individualmente mimetizam os deixados pelo bóson de Higgs. Então, um requisito para se conseguir encontrar o Higgs é entender bem os sinais dos quarks top individuais – senão, haverá dificuldade em distinguir os dois casos. Os resultados do Fermilab trouxeram esse conhecimento. Como conseqüência, um dos cientistas do próprio LHC, Paul de Jong, disse que o trabalho do D-Zero e do CDF pode levar o Fermilab a encontrar o Higgs antes.


Para saber mais:

A aventura das partículas – Site com muito boa navegabilidade com informações bem acessíveis sobre física das partículas, incluindo o Modelo Padrão e aceleradores.

Os artigos do D-Zero e do CDF (para físicos...)

O maior distribuidor de imagens de satélites

Surpreendam-se os que forem brasileiros (eu me surpreendi). Qual é o país maior distribuidor de imagens de satélites artificiais do mundo? Os EUA, certo?

Não. É o Brasil.

Pelo menos, é o que diz um artigo na Folha de S. Paulo de hoje (dia 19), pág. A3, sobre a cooperação entre Brasil e China para construção e lançamento de satélites artificiais, o CBERS . Assinado pelo ministro das Relações Exteriores, Celso Amorim, e pelo da Ciência e Tecnologia, Sérgio Machado Rezende. Há uma cópia gratuita online na seleção de notícias do MRE. Segundo o texto, desde junho de 2004, foram 500 mil imagens distribuídas gratuitamente pela Internet para vários países do mundo - inclusive países afastados, como alguns da África -, para monitoramento ambiental, agrícola etc.

Claro que, imediatamente, lembro-me do Google Earth e do seu ritmo alucinante de distrubuição de imagens de satélites. Nem ouso fazer contas. Provavelmente os ministros estão falando apenas de distribuição de imagens pelo poder público e coisas como o Google Earth não entram nessa contabilidade.

A parceria envolve, no Brasil, o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, INPE. Foram lançados já três satélites nessa parceria, desde 1999. O segundo encerrou o funcionamento no último dia 15 de janeiro. Estão previstos mais dois, para serem lançados em 2011 e 2014.

Outra coisa interessante, da qual me dei conta em leituras sobre isso no ano passado, é que a cooperação científica entre países do Terceiro Mundo é um assunto recente, muito pouco estudado e, até onde pude averiguar, ainda sem uma teoria suficientemente desenvolvida. Tema esperando por pesquisadores que nele se debrucem. Há algumas teses publicadas, como a de Edmilson de Jesus Costa Filho, que a defendeu pela Unicamp em 2006 - justamente sobre o CBERS, mas também contribui para a construção de um arcabouço conceitual para cooperação no setor espacial.