A Jornada do KATRIN

Um dos grandes desafios experimentais da Física de Neutrinos é a medição das massas dessas partículas. Até o momento, só se conhece a diferença entre as massas de cada tipo de neutrino e um limite cosmológico superior para a soma de todas as massas.

A medição absoluta das massas é um desafio científico em si, e fica pra outra hora, mas e os desafios de engenharia desses experimentos? A construção e transporte do principal equipamento do KATRIN teve toda sorte de problemas. Construído a 400 km do local designado para instalação, o chamado Espectrômetro teve que fazer uma caminho de 9000 (nove mil) km até seu objetivo.

Transport-Main-Spectrom4.jpg

E nem com todo esse caminho as dificuldades foram menores. Passando por uma cidade próxima ao destino, por exemplo, o Espectrômetro passava tirando tinta das casas.

Neuig3.jpg

Isso serve para nos dar um pouco de perspectiva sobre as dificuldades da atividade experimental em Física. É extremamente comum encontrar exemplos reais da tira abaixo:


– “Você só precisa fazer os prótons ficarem muito próximos! Eu já disse isso faz uns 30 anos e ainda não foi feito?”

É por isso que experimentais odeiam teóricos.

Mais informações sobre o experimento Katrin aqui (em inglês).

Wolfgang Pauli, o fanfarrão

Se lhes faltava motivo para achar Pauli fantástico, eis mais um:

Em 1930, aconteceria em Tübingen, Alemanha, uma conferência de Físicos Nucleares. À época, um dos problemas da Física Nuclear era a explicação para o espectro contínuo de energia dos elétrons emitidos no decaimento beta. Pauli achava ter encontrado um solução para o problema propondo que uma terceira partícula, que conhecemos hoje como Neutrino [1], era emitida no processo mas não era detectada.

Incerto sobre se publicaria ou não essa idéia, Pauli quis ter a opinião dos Físicos reunidos em Tübingen. Mandou então a seguinte carta:

Dear Radioactive Ladies and Gentlemen,

As the bearer of these lines, to whom I graciously ask you to listen, will explain to you in more detail, because of the “wrong” statistics of the N- and Li-6 nuclei and the continuous beta spectrum, I have hit upon a desperate remedy to save the “exchange theorem” (1) of statistics and the law of conservation of energy. Namely, the possibility that in the nuclei there could exist electrically neutral particles, which I will call neutrons, that have spin 1/2 and obey the exclusion principle and that further differ from light quanta in that they do not travel with the velocity of light. The mass of the neutrons should be of the same order of magnitude as the electron mass and in any event not larger than 0.01 proton mass. – The continuous beta spectrum would then make sense with the assumption that in beta decay, in addition to the electron, a neutron is emitted such that the sum of the energies of neutron and electron is constant.

Now it is also a question of which forces act upon neutrons. For me, the most likely model for the neutron seems to be, for wave-mechanical reasons (the bearer of these lines knows more), that the neutron at rest is a magnetic dipole with a certain moment μ. The experiments seem to require that the ionizing effect of such a neutron can not be bigger than the one of a gamma-ray, and then μ is probably not allowed to be larger than e • (10-13cm).

But so far I do not dare to publish anything about this idea, and trustfully turn first to you, dear radioactive people, with the question of how likely it is to find experimental evidence for such a neutron if it would have the same or perhaps a 10 times larger ability to get through [material] than a gamma-ray.

I admit that my remedy may seem almost improbable because one probably would have seen those neutrons, if they exist, for a long time. But nothing ventured, nothing gained, and the seriousness of the situation, due to the continuous structure of the beta spectrum, is illuminated by a remark of my honored predecessor, Mr Debye, who told me recently in Bruxelles: “Oh, It’s better not to think about this at all, like new taxes.” Therefore one should seriously discuss every way of rescue. Thus, dear radioactive people, scrutinize and judge. – Unfortunately, I cannot personally appear in Tübingen since I am indispensable here in Zürich because of a ball on the night from December 6 to 7. With my best regards to you, and also to Mr. Back, your humble servant

W. Pauli

Traduzindo, porcamente, as partes em negrito:

“Prezados(as) Senhores e Senhoras Radioativos(as).”

“Eu cheguei a um remédio desesperado para salvar (…) a lei da conservação da energia.”

“Mas até agora não ousei publicar algo sobre essa idéia, e confiantemente apresento-a a vocês, prezadas pessoas radioativas, com a questão de quão provável seria encontrar evidência experimental para tal nêutron.”

“Sr. Debye disse-me recentemente em Bruxelas:’Oh, é melhor nem pensar sobre isso [o problema do espectro contínuo], assim como sobre novos impostos'”.

“Infelizmente, não posso aparecer pessoalmente em Tübingen já que sou indispensável aqui em Zurich por causa de um Baile na noite do dia 6 para o dia 7 de Dezembro.”

“(…) seu humilde serviçal, W. Pauli”.

Aqueles que não entenderam a graça que vi nessa carta saibam que Pauli tinha fama de ser extremamente arrogante. A posição assumida acima, se não de humildade, é de um Pauli deliciosamente sarcástico. Fico imaginando como os “senhores radioativos” não o mandaram à Hure que o pariu.

[1]: Pauli nomeou-a Nêutron, mas, dois anos mais tarde, Chadwick roubou o termo para nomear a partícula que hoje conhecemos como Nêutron. Foi Fermi que mais tarde batizou a partícula como Neutrino. 

[2]: Topei com um trecho da carta num artigo. Encontrei o restante através deste artigo da Symmetry.

De quando pinguins invadem o Modelo Padrão

Não é raro encontrarmos termos inusitados dando nomes à objetos de teorias na Física. Talvez os mais famosos sejam os nomes dos quarks de segunda e terceira geração: Charmoso, Estranho, Bottom e Top. Esses últimos já foram chamados de Beauty e Truth, mas convenhamos que a troca não foi exatamente benéfica para a reputação dos dois. =P

O leitor pode achar que os nomes dados aos quarks nem sejam tão estranhos assim, ou que sejam até charmosos. Entretanto, duvido que deixe de concordar comigo sobre a doidera de se ter algo na Física que leve o nome de Pinguim. 

Quando estuda-se decaimentos e reações de partículas elementares,
utiliza-se como auxílio nos cálculos uma série de desenhos chamados
Diagramas de Feynman. Esse diagramas são úteis porque levam de maneira mais ou menos direta às equações que nos informam sobre a probabilidade de ocorrência daquela reação ou decaimento.

Um tipo desses diagramas é chamado de Diagrama Pinguim. Cuja aparência é como segue:

1-1-Pinguindiagramm.jpg

“Olhem só! Não é que parece um Pinguim mesmo? Vai ver é por isso que ele recebe esse nome, não? Talvez um Físico com excesso de imaginação (quase todos eles) tenha dado o nome devido à aparência.”

Sinto informar que a história é um pouco mais interessante. Tudo começou com John Ellis (reproduzida aqui por Mikhail Shifman):

“Mary K. [Gaillard], Dimitri [Nanopoulos], and I first got
interested in what are now called penguin diagrams while we were
studying CP violation in the Standard Model in 1976… The penguin name
came in 1977, as follows.

In the spring of 1977, Mike Chanowitz, Mary K. and I wrote a paper on GUTs [Grand Unified Theories] predicting the b
quark mass before it was found. When it was found a few weeks later,
Mary K., Dimitri, Serge Rudaz and I immediately started working on its
phenomenology.

That summer, there was a student at CERN,
Melissa Franklin, who is now an experimentalist at Harvard. One
evening, she, I, and Serge went to a pub, and she and I started a game
of darts. We made a bet that if I lost I had to put the word penguin
into my next paper. She actually left the darts game before the end,
and was replaced by Serge, who beat me. Nevertheless, I felt obligated
to carry out the conditions of the bet.

For some time, it was not clear to me how to get the word into this b
quark paper that we were writing at the time…. Later…I had a sudden
flash that the famous diagrams look like penguins. So we put the name
into our paper, and the rest, as they say, is history.”

Ou, porcamente traduzido por mim:

Mary K. [Gaillard], Dimitri [Nanopoulos] e eu nos interessamos pelo que é chamado agora de Diagramas Pinguim enquanto estudávamos Violação CP no Modelo Padrão em 1976. O nome Pinguim apareceu em 1977, como segue:

Na primavera de 1977, Mike Chanowitz, Mary K. e eu escrevemos um artigo sobre Teorias de Grande Unificação predizendo a massa do quark b antes de ser descoberto. Quando foi encontrado algumas semanas mais tarde, Mary K., Dimitri, Serge Rudaz e eu começamos imediatamente a trabalhar em sua fenomenologia.

No verão, havia uma estudante no CERN, Melissa Franklin, que agora é uma experimentalista em Harvard. Numa noite, ela, eu e Serge fomos a um bar, e ela e eu começamos um jogo de dardos. Nós apostamos que se eu perdesse eu teria que colocar a palavra Pinguim em meu próximo artigo. Ela deixou o jogo de dardos antes do fim e foi substituída por Serge, que me venceu. Contudo, me senti obrigado a cumprir as condições da aposta.

Por algum tempo, não me estava claro como por a palavra no artigo sobre o quark b que estava escrevendo na época… Mais tarde, tive uma idéia súbita de que os famosos diagramas pareciam Pinguins. Então botamos o nome no nosso artigo, e o resto, como dizem, é história.

Os amigos leitores sabem agora que nunca se deve subestimar as consequências de uma aposta entre Físicos.

Newton, Leibniz e as Vacas Esféricas

Um pequeno adendo informativo à postagem de ontem.

A ” velha piada da vaca esférica no vácuo” que citei, en passant, causou certa comoção entre os comentaristas. Bem, na medida em que metade não conhecer a piada e um conhecer na versão com galinhas possa ser chamada de comoção. 

Meu amigo Rodrigo fez o favor de colocar uma versão resumida da piada:

“Um fazendeiro contratou um físico para modelar sua fazenda de forma a
otimizar o seu espaço. O físico foi a fazenda, avaliou, fez diversas
anotações, e foi embora, passando semanas sem dar notícias. Outro dia,
então, aparece ele afirmando que havia encontrado a resposta; começou
então a sua brilhante explanação:
– Considere que seu gado seja constituído por vacas esféricas se movendo no vácuo…”

É uma piada histericamente engraçada para Físicos, principalmente para aqueles que trabalham em áreas tão complexas que um simples toy model é tema para teses e mais teses. 

Mas são vacas ou galinhas? Uma amiga achou que eu tinha errado ao colocar vacas “porque no The Big Bang Theory eles falam galinhas!”. Pobres aqueles não-nerds que ao assistirem um programa de nerds acham que toda piada é idéia dos roteiristas. A verdade é que a origem da piada, seja com vacas ou galinhas, esféricas no vácuo se perde nas areias do tempo.

Consigo até imaginar um cenário implausível em que Leibniz lê sua edição recém adquirida dos Principia de Newton. Em determinado momento, Leibniz solta uma gargalhada, saca sua pena, e começa à escrever no canto da página a piada da vaca esférica contra a noção newtoniana de espaço absoluto. Arranca a página e a envia à Royal Society, o que leva um Newton com sanguinusói a se vingar declarando que Leibniz plagiara seu trabalho sobre Cálculo.

Enfim, sabe-se lá quem foi o primeiro a construir tal piada (Feynman talvez? =P) e pouco importa se é com vacas ou galinhas esféricas. O importante é a relação da piada com modelos supersimplificados.

Bônus: O porco esférico que desenhei para o cartum, da dinâmica de porcos gripados esféricos no vácuo, que substitui por um desenho mais simplificado:

porco_esferico.jpg

So cute that I feel sick.

O Efeito Pauli*

Diz-se que quando o físico Wolfgang Pauli se encontrava nas redondezas de algum  experimento ele invariavelmente falharia. Isso era tão constante que o físico Otto Stern inclusive proibiu Pauli de entrar em seu laboratório.

Claro que isso não seria garantia de segurança para os equipamentos, já que certa vez, num laboratório da Universidade de Göttingen, ocorreu um acidente com um caríssimo equipamento de medição. Pauli não estava presente. Estava a caminho de Zurich quando tudo aconteceu. Entretanto, quando estava no trem vindo de Copenhagen, teve que fazer uma parada em Göttingen, no horário em que o experimento estava sendo feito

Em outro evento, alguns colegas resolveram pregar um peça em Pauli. Queriam provar definitivamente a validade do efeito. Penduraram um lustre de forma que ele pudesse ser solto de propósito e caísse quando Pauli entrasse na sala. Quando ele entrou, a pegadinha não funcionou. Se isso prova ou não a validade do efeito Pauli, fica a critério do leitor.

Clique aqui para um poeminha sobre o efeito Pauli.

* Em termos modernos, o Efeito Pauli é um tipo de interação azarônica.

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