Partículas elementares: Quando alguma coisa pode ser nada, e nada pode ser alguma coisa

Nas últimas semanas, três experimentos diferentes com partículas elementares causaram sensação divulgando análises de seus resultados, dois deles com direito a destaque no New York Times. De longe o mais popular de todos foi a notícia de que físicos do Fermilab, nos EUA, acreditam que uma anomalia em seus dados pode ser uma nova e revolucionária força da natureza, mas também pode ser… nada. Já a segunda notícia destacada no NYT, foi a de que os pesquisadores envolvidos na procura mais sensível feita em busca das partículas que formariam a misteriosa matéria escura anunciaram ter encontrado… nada. E a terceira notícia, que até onde vi apareceu apenas na Wired e no blog do David Harris, foi a de que o maior detector de neutrinos do mundo, o único capaz de detectar essas partículas vindas das explosões mais poderosas do universo, achou… nada.

Geralmente é frustrante noticiar que nada foi descoberto. Talvez por isso o público e a imprensa tenham vibrado tanto com o anúncio do Fermilab, mesmo que as chances de que a descoberta tenha algum significado sejam muito pequenas, enquanto os dois outros resultados, embora nulos, tenham mais chance de serem confirmados, especialmente a notícia que passou desapercebida pelo NYT.

Senão, vejamos um resumo de cada uma delas.

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Nova física ou só uma flutuação estatística?

Físicos analisaram 10 mil colisões entre prótons e antiprótons registradas pelo detector CDF, do acelerador de partículas Tevatron, do Fermilab, nos EUA, que resultaram em uma partícula pesada conhecida como bóson W e dois jatos de quarks. A teoria mais aceita para as partículas elementares, o chamado Modelo Padrão, prevê que quanto maior a energia dos jatos, menos deles devem aparecer, isto é, o número de jatos detectados deve cair com a energia. Mas em torno da energia de 145 gigaeletrovolts parece haver um sutil pico de eventos (marcado em azul nos dados do gráfico acima, extraido do artigo original pelo blog Cosmic Variance), sugerindo que jatos extras foram produzidos.

Em 250 dessas colisões, os autores da análise acreditam que os jatos de quarks podem ter sido produzidos por uma nova partícula subatômica pesada, criada por uma nova força fundamental da natureza, além das quatro conhecidas. A tal força, segundo a análise, poderia ser explicada por uma velha teoria alternativa a do bóson de Higgs para explicar a massa de todas as partículas, conhecida como tecnicolor. Em vez de interagirem com o hipotético campo de Higgs, as partículas ganhariam suas massas interagindo com os “tecniquarks” do campo tecnicolor.

Seria a descoberta de física de partículas mais surpreendente das últimas décadas, exceto que é bem provável que seja apenas uma flutuação estatística. A chance é de uma em mil, ou “um intervalo de confiança de 3 sigma” no jargão dos físicos experimentais. Pode parecer pequena, mas nas investigações do resultado de colisões subatômicas, todo cuidado é pouco. Existem zilhões de maneiras de se cometer erros no experimento, há muito ruído de fundo, além do que, dada a natureza probabilística da mecânica quântica há margem para os resultados variarem e, vez ou outra, essas flutuações podem ser grandes o bastante para serem confundidas com o sinal de uma nova partícula. Sinais estranhos de “3 sigma” como esse já foram vistos e depois descartados. Por isso, o padrão oficial para se levar a sério um sinal desses é que a chance dele ser uma flutuação estatística seja de 1 em um milhão, ou “um intervalo de confiança de 5 sigmas”. A equipe do outro detector do Tevatron, o DZero deve divulgar as suas análises de dados parecidos nas próximas semanas. E logo os detectores do  LHC devem confirmar ou descartar o achado (há rumores de que um dos detectores do LHC, o ATLAS analisou colisões parecidas e não viu nada…)
(Fontes adicionais: LA Times, New Scientist, Boing Boing)

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Nada de matéria escura, por enquanto
Para explicar o movimento das galáxias e a evolução do Universo, a maioria dos físicos acredita que 80% da matéria do Universo seja um gás rarefeito, sentido pelo resto do cosmo na maior parte do tempo apenas pela sua força gravitacional. Essa chamada matéria escura seria feita de partículas conhecidas por WIMPS (da sigla em inglês para partículas massivas fracamente interagentes).

Considerado o maior e mais sensível detector de matéria escura, o experimento XENON 100 é um tanque cheio com 62 quilogramas de xenônio líquido no laboratório subterrâneo na montanha de Gran Sasso, na Itália, embaixo de 1400 metros de rocha, para evitar que raios cósmicos normais interfiram com o experimento. Se os WIMPS existem, há uma chance de que alguns deles atinjam os núcleos de xenônio do experimento, os fazendo ionizar e emitir luz que seria captada pelos detectores do XENON 100.

A física Elena Aprile, da Universidade de Columbia, EUA, e seus colaboradores, publicaram online um paper submetido ao Physical Review Letters, com a análise de 100 dias de busca do XENON100, entre janeiro e junho de 2010. Encontraram 3 eventos candidatos, mas a chance de que esses sejam provocados pela interferência da radiação ambiente na eletrônica do equipamento é muito alta. Cautelosos, os pesquisadores afirmam portanto que não encontraram matéria escura nenhuma.

Isso não quer dizer que a matéria escura não existe, mas apenas que ela é mais difícil de se detectar do que se imaginava. O resultado implica que a matéria escura interage  cinco vezes menos com a matéria normal do que se acreditava. Isso significa que, se as partículas de matéria escura realmente existem, então serão precisos detectores ainda maiores que os atuais para encontrá-las. O XENON100 deve passar por uma ampliação de uma tonelada a mais de xenônio que vai torná-lo 100 vezes mais sensível.

Os resultados contradizem o de outros experimentos parecidos, mas menores –  o italiano DAMA e o norte-americano CoGeNT – cujos pesquisadores afirmavam ter encontrado evidências de WIMPS. O físico Juan Collar, do CoGeNT, disse a revista Nature que desconfia de erros na metodologia do XENON100 e espera examinar os resultados com mais cuidado.
(Fontes adicionais: Science News, Physics World, S
cienceNow
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Nada de neutrinos vindos de GRBs (por enquanto ?)

Explosões de raios gama (GRB, em inglês) são os eventos mais luminosos do universo, durando poucos segundos e que todo dia são detectadas aqui na Terra. As teorias mais aceitas para a sua origem são a explosão de estrelas gigantes ou a colisão de estrelas de nêutrons ou buracos negros. Essas explosões acelerariam elétrons, que por sua vez emitiram raios gama. Também acelerariam prótons que seriam a fonte dos raios cósmicos mais energéticos observados na Terra, alguns 100 milhões de vezes mais energéticos que as partículas produzidas no LHC. Antes de saírem da zona da explosão, esses prótons interagiriam com os raios gama, gerando neutrinos energéticos que seriam em princípio detectáveis aqui na Terra.

Neutrinos são extremamente difíceis de detectar, porém. Quase não têm massa e interagem muito pouco com a matéria normal, pois são imunes à força eletromagnética e a força nuclear forte. Eles são produzidos em reatores nucleares, no interior da Terra, no Sol e em outros fenômenos astrofísicos, e a imensa maioria deles nos atravessa em linha reta, sem deixar vestígio. Mas eles são muitos, felizmente, e um ou outro colide com um núcleo atômico de vez em quando.
O IceCube, que foi terminado em dezembro de 2010, é o maior detector de neutrinos já construído. É uma rede cúbica quilométrica de 5160 fotodetetores enterrados a uma profundidade entre 1,5 e 2,5 quilômetros no gelo da Antártica, bem próximo ao polo Sul. Ocasionalmente, um neutrino colide com um dos átomos do gelo e cria uma partícula carregada, o múon, que emite luz à medida que se move no gelo, captada pelos foto detectores. 

Em artigo publicado na Physical Review Letters, a equipe do IceCube descreve como comparou 13 meses de seus dados coletados com metade de sua rede com observações de 117 GRBs observados durante o período por telescópios espaciais. De acordo com a teoria, o IceCube esperava detectar pelo menos 3 neutrinos. Mas nenhum neutrino foi detectado dentro de meia hora depois de cada GRB, e mesmo depois desse intervalo de tempo, nenhum dos neutrinos detectado tinha a energia esperada.

Isso significa que os modelos para GRB estão errados? O IceCube está apenas começando a funcionar com sua rede completa. Se o experimento continuar não observando esses neutrinos nos próximos dois anos, a coisa vai ficar feia para o lado dos teóricos…

(Fonte adicional: Physics)
 
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[P.S. : Neutrinos, aliás, tem uma história de balançar as bases de nossas teorias sobre o Universo, como você pode conferir neste texto em inglês bem divertido de Ann Finkbeiner. A autora chama atenção para outro mistério atual envolvendo essas partículas: o sumiço de antineutrinos em reatores nucleares podem ser um sinal de que existe um tipo a mais de de neutrino além do Modelo Padrão. ]
     

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Discussão - 5 comentários

  1. Igor Z disse:

    Roberto, fico feliz que tenha inspirado um post no seu blog:
    http://cienciaseadjacencias.blogspot.com/2011/04/o-poder-do-zero-experimentos-que-nao.html
    Não conhecia as listas de resultados nulos do Takata, bem interessante.

  2. Muito boa sacada você ter falado sobre resultados nulos de experimentos. Talvez o caso mais famoso seja o do experimento de Michelson-Morley. Desenvolvi um pouco o tema no meu blog, inspirado nos seus exemplos.

  3. Post muito bom.
    Ciência é assim, vivendo e aprendendo.

  4. Karl disse:

    Igor, o UF está bombando, hein? Vou ter que atualizar minhas leituras por aqui. Gostei desse post. O nada é incomodativo. Ainda mais para nossa mídia hiperativa de hoje.

  5. Renan disse:

    Ótimo post, Igor Z.!
    Só complementando a parte sobre neutrinos de GRBs.
    Os modelos que descrevem essas explosões possuem uma infinidade de parâmetros livres. Parâmetros que modificam a aceleração inicial de prótons e elétrons, a perda de energia, a interação de prótons e fótons, etc, etc.
    O “Nada” visto no Icecube não é bom mas ajuda a restringir os valores desses parâmetros. Agora, esse ajuste não pode contradizer os dados da detecção dos fótons de GRBs. Caso uma contínua não detecção de neutrinos force os parâmetros a serem incompatíveis com o permitido pelos fótons, ai a porca torce o rabo. Aí é perna pra que te quero para os físicos de astropartículas encontrarem um modelo novo.

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