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Archive for junho \25\UTC 2011

Um homem morto andando?

sábado, 25 jun 2011; \25\UTC\UTC\k 25 Deixe um comentário

Com o LHC tendo chegado a 1.1\, fb^{-1} de luminosidade integrada entregue ao CMS e ao Atlas (o LHCb e Alice têm luminosidade controlada) fica a pergunta: o D0 e o CDF ainda servem para alguma coisa? É verdade que o Tevatron já entregou mais de 11\, fb^{-1} para cada um deles e o LHC só deve chegar nessa marca na primeira metade do ano que vem. Contudo, duas coisas devem ser levadas em consideração:

  • As seções de choque da maioria dos eventos relevantes crescem 1 ordem de grandeza entre o Tevatron e o LHC.
  • Os detectores do LHC tem maior aceitação que os detectores do Tevatron

Isso faz com que o LHC, para a maioria dos eventos, tenha uma quantidade gravada já próxima ao que o Tevatron tem. Se você juntar isso ao fato que o Atlas e o CMS são detectores novos, com maior eficiência de detecção, melhor resolução de momento, melhor sistema de identificação de partícula, mais herméticos e que o LHC ainda conta com o LHCb que é um detector dedicado a fazer medições de mésons B, uma pergunta óbvia vem em mente:

Os dados do Tevatron ainda servem para alguma coisa?

Nesse post eu vou fazer algumas considerações tentando responder de forma positiva a essa pergunta. Todo mundo que ainda está trabalhando num experimento do Tevatron tem duas opções nesse momento: seja rápido ou seja bom. Se puder ser rápido e bom ao mesmo tempo, melhor ainda.

Vamos então fazer um passeio pelos tópicos de pesquisa mais quentes em física de altas energias experimental (as cores representam casos em que o LHC já passou o Tevatron, ambos ainda podem contribuir e o Tevatron ainda vai estar na frente por muitos anos):

  • Física além do modelo padrão: Nada que pode ser feito aqui. O LHC já é melhor na maioria das procuras e as poucas que ainda não são é porque eles ainda não divulgaram análises com todos os dados que tem.

     

  • QCD: É verdade que o LHC pode testar as previsões da QCD em escala de energia maior. Contudo, ainda tem uma pequena área em que o Tevatron naturalmente pode contribuir mais: alta escala e alta fração de momento. Nessa região, a sensibilidade do Tevatron ainda vai ser maior por um bom tempo.

     

  • Higgs: Com o LHC já tendo 1.1\, fb^{-1} e com a previsão de acumular 5\, fb^{-1} até o final do ano, é melhor que, o quer que o Tevatron tenha para publicar, o faça logo. Porque, se os estudos de sensibilidade do Atlas e do CMS estiverem certos (e tem estado razoavelmente), o Tevatron estará fora da jogada em mais alguns meses.

    A chance do Tevatron é se concentrar na região de baixa massa, pois a região de alta massa o LHC já tem dados o suficiente para superar o Tevatron.

     

  • Top: Acredita-se, devido a sua grande massa, que a física do top pode revelar física além do modelo padrão. O LHC é uma máquina de produzir tops, então em termos de estatística é difícil competir. Contudo, ainda tem um bom tempo que a medida da massa do top vai ser competitiva no Tevatron, já que ela não é dominada por estatística.

    Além disso, o Tevatron pode medir a assimetria forward-backward que o LHC não pode. Claro que, se essa assimetria é real, o LHC pode medir a causa dela, o que torna a medida do Tevatron meio boba.

    O top também é interessante porque ele é o único quark que decai antes de hadronizar. Então, informações de spin são preservadas do produto de decaimento. Só que tops no LHC são produzidos basicamente por glúons, enquanto no Tevatron basicamente por quarks. E quarks e gluons tem estrutura de Lorentz bem diferentes. As medidas são verdadeiramente complementares.

    Por fim, se o teu interesse é eventos de single top, que é sensível a alguns modelos de nova física, o Tevatron ainda vai ter uma vantagem no canal s, mas por pouco tempo.

     

  • Eletrofraca: Devido à precisão que essas medidas exigem, o Tevatron ainda vai dominar as medidas por um bom tempo. A assimetria em decaimentos de W é muito mais relevante no Tevatron, pois é um colisor de prótons com antiprótons. A assimetria em decaimentos de Z não importa tanto o estado inicial, mas o Tevatron ainda faz melhor. Para ser completamente honesto, no caso da produção de Z, o LHCb talvez seja competitivo em breve.

    Massa do W não tem comparação, o LHC vai demorar muito para chegar próximo do Tevatron, isso se chegar, já que o underlying event, o pile up, a parton distribution function e o momento transverso do W no LHC são muito mais difíceis de modelar, implicando numa precisão consideravelmente menor.

     

  • Física de mésons B: Na procura de decaimentos raros o Tevatron já não é mais competitivo com o LHCb. Medidas de assimetria, como a medida no decaimento para muons de mesmo sinal que o D0 fez recentemente e que deve ser atualizada muito em breve com 9\, fb^{-1} de dados continuarão interessante porque essa é outra medida verdadeiramente complementar ao LHC. E, o que talvez é mais interessante, a medida direta do ângulo de violação de CP tem que ser feita bem rápido, ou o LHCb vai tornar qualquer medida no Tevatron risível.

     

Ou seja, para mim, o futuro do D0 e do CDF é claro: eles terão mais um ano de física de descoberta em áreas como Higgs, B physics e top physics. Depois disso, os únicos artigos relevantes serão medidas de física de legado, como a medida da massa do quark top e a massa do bóson W. O LHC, por outro lado, é uma máquina de descoberta de nova física e esse vai ser o foco por muitos anos a vir.

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Categorias:Ars Physica

Aparecimento de neutrinos eletrônicos no MINOS e no T2K

sábado, 25 jun 2011; \25\UTC\UTC\k 25 1 comentário

Essas duas últimas semanas tem sido intensas para física de neutrinos. Dois experimentos observaram pela primeira vez o aparecimento de neutrinos eletrônicos num feixe de neutrinos muônicos:

T2K: Os neutrinos são detectados no super Kamiokande, que é um detector Cerenkov no Japão. Eles são produzidos num acelerador do J-Parc.

MINOS: Os neutrinos são detectados num calorímetro de aço-cintilador localizado na mina Soudan, nos Estados Unidos. Eles são produzidos num acelerador do Fermilab.

O fato dos neutrinos oscilarem mostra que eles não são os autoestados de massa. Sabe-se que os autoestados de massa dos neutrinos tem uma hierarquia bem característica, com dois autoestados bem próximos e um distante.

Esse autoestado destacado, chamado de m_3, tem uma componente de neutrino muônico e de neutrino tauônico:

A componente eletrônica, apesar de ser a mais precisamente medida, sempre foi estatisticamente consistente com zero. Esses dois resultados mediram, pela primeira vez, uma oscilação inconsistente com zero:

Tanto o programa de neutrinos japonês quanto americano ainda tem muito futuro. O T2K está em fase de recuperação após o grande terremoto que aconteceu no Japão recentemente e deve voltar a tomar dados ano que vêm. O programa de neutrinos do Fermilab vai ser o principal foco de pesquisa desse laboratório após o final da vida do D0 e CDF. Ou seja, grandes novidades estão por vir.

Vale também lembrar que o atual Run Coordinator do MINOS é o físico Carlos Escobar, da UNICAMP. Run Coordinator é a pessoa que coordena a tomada de dados do detector (ou seja, alguém que não costuma dormir muito) e é uma importante figura na colaboração.

Um neutrino, quando entra no super Kamiokande, pode colidir com um nêutron gerando um elétron de alta energia. Esse elétron emite luz Cerekov, cujo característico anel é detectado pelas fotomultipladoras na parede do detector. Esse é um dos seis neutrinos eletrônicos observados pelo T2K na última tomada de dados.

Categorias:Ars Physica

Helicidade, Quiralidade, Massa e o Higgs

sexta-feira, 24 jun 2011; \25\UTC\UTC\k 25 3 comentários

Esse post é uma tradução do texto no blog US-LHC, escrito por Flip Tanedo. Qualquer erro no texto abaixo é responsabilidade do tradução e erros de tradução são de minha responsabilidade.

This post is a translation of a text written by Flip Tanedo at the US-LHC blog. Any error in the following text should be considered a problem with the translation as well as any errors in the translation are my sole responsibility.

Os comentários em blockquote são comentários técnicos que podem ser ignorados numa primeira leitura.

Os trechos em itálico iniciados por N.T. são meus e contém ou trechos extras não presentes no post original ou comentários sobre a tradução.

O meu objetivo é explicar em que sentido o Modelo Padrão é quiral e o que isso significa. Para fazer isso, nós vamos ter que aprender primeiro sobre uma idéia relacionada, helicidade, que é relacionada com o spin da partícula. Nós vamos então usar isso como um passo intuitivo para entender a noção mais abstrata de quiralidade, e então ver como massas afetam teorias quirais e o que isso tudo tem a ver com o Higgs.

Helicidade

Fato: toda partícula de matéria (elétrons, quarks, etc.) está girando, i.e. cada partícula de matéria carrega um momento angular intrínsico.

Deixe-me fazer uma advertência que spin é uma propriedade inerentemente quanto-mecânica das partículas fundamentais! Na verdade, não existe nenhum sentido clássico em que uma pequena esfera está girando como um pião. Entretanto, essa é uma boa analogia do que realmente acontece:

Essa é nossa partícula girante. A seta vermelha indica a direção do spin da partícula. A seta cinza indica a direção em que a partícula está se movendo. Eu desenhei um rosto na partícula apenas para mostrá-la girando.

A seta vermelha (indicando o spin) e a seta cinza (indicando a direção do movimento) definem uma orientação. A partícula acima é, em particular, “de mão direita” porque a sua orientação é a mesma orientação da nossa mão direita: se seu polegar aponta na direção da seta cinza, então os seus dedos envolvem-na da direção da seta vermelha. Físicos chamam essa “orientação” de helicidade da partícula.

Para ficar claro, nós também podemos desenhar a partícula direita (daqui em diante, usarei apenas direita e esquerda para designar a orientação, como é de costume) se movendo na direção oposta, para a esquerda:

Note que a direção do spin (a seta vermelha) também teve que mudar. Você pode confirmar que se você apontar seu polegar na direção oposta, seus dedos vão envolver a partícula na direção oposta.

Parece bom? Certo, agora nós podemos também imaginar uma partícula que é de mão esquerda (ou com helicidade “esquerda”). Para referência, aqui está uma representação de uma partícula esquerda se movendo em cada direção; para ajudar a distinguir helicidades esquerdas e direitas, eu dei às partículas esquerdas uma seta azul:

[Confirme que essas duas partículas são diferentes das partículas com setas vermelhas!]

Note que se você apenas mudar o sentido da seta cinza, você termina com uma partícula de helicidade oposta. Isso é precisamente a razão porque uma pessoa se olhando no espelho é canhota (se ela for destra)!

Até agora nós nos restringimos às partículas de matéria (férmions). Existe uma história similar para partículas mensageiras de força (bósons de calibre), mas com um ingrediente adicional que merece uma atenção especial. O bóson de Higgs é ainda outro caso especial já que ele tem spin zero, mas esse caso pode ser tratado junto com a história dos bósons de calibre.

Uma vez que especificamos um tipo particular de férmion, digamos, um elétron, nós automaticamente temos uma versão esquerda e uma versão direita.

Helicidade, Relatividade e Massa

Agora vamos começar a pensar no sentido de massa. Existe um monte de formas como se pensar sobre massa. Por exemplo, talvez a mais intuitiva é associar a massa a quão “pesada” uma partícula é. Nós vamos tomar um ponto de vista diferente que é inspirado pela relatividade restrita.

Uma partícula com massa zero (como o fóton) viaja na velocidade da luz e você nunca pode acompanhá-la. Não existe um “referencial de repouso” no qual uma partícula sem massa está parada. A analogia para isso é um dirigir na estrada: se você está se movendo na mesma velocidade que um outro carro na faixa ao lado, então o carro não estará se movendo (em relação a você). Só substitua um carro por uma partícula.

Por outro lado, uma partícula massiva viaja a uma velocidade menor que a velocidade da luz, de forma que você pode (em princípio) igualar-se a sua velocidade e então a partícula estará parada em relação a você. Com efeito, você pode mover-se mais rápido que a partícula massiva e então ela estará se movendo no sentido oposto a você (isso muda o sentido da seta cinza). Note que a direção do seu spin (a seta vermelha) não muda! Contudo, nós já notamos que mudando o sentido apenas do movimento da partícula, mas não do seu spin, muda a helicidade:

Aqui nós desenhamos a partícula com uma seta azul porque ela passou de ser uma partícula direita para um partícula esquerda. Claramente ainda é a mesma partícula: tudo que fizemos foi ir para um referencial diferente e os princípios da relatividade restrita nos diz que esse referencial é tão bom quanto qualquer outro.

Certo, então aqui está a conclusão até agora: massa é alguma coisa que nos diz se helicidade é o não uma propriedade “intrínseca da partícula. Se uma partícula tem massa zero, então sua helicidade tem um valor fixo em todos os referenciais. Por outro lado, se uma partícula tem uma massa não-nula qualquer, então helicidade não é uma propriedade intrínseca já que observadores diferentes (em referenciais válidos) pode medir valores diferentes para a helicidade (helicidade esquerda ou direita). Então, embora helicidade seja algo fácil de visualizar, não é uma propriedade “fundamental” da maioria das partículas.

Agora, uma boa pergunta a se perguntar é: Existe alguma propriedade de uma partícula relacionada à helicidade que é intrínseca à partícula? Em outras palavras: existe uma propriedade que:

  • É equivalente ao conceito de helicidade para o limite de massa a zero
  • É algo que todos os observadores em referenciais válidos mediriam o mesmo valor para uma dada partícula

A notícia boa é que essa propriedade existe, e se chama quiralidade. A notícia ruim é que ela é um pouco mais abstrata. Contudo, essa definição é onde um monte de sutilezas do Modelo Padrão vive, e eu acho que é melhor explicá-la cuidadosamente.

Quiralidade

Quiralidade e helicidade são duas idéias relacionadas bem de próximo. Tal como dizemos que uma partícula pode ter helicidade direita ou esquerda, nós também dizemos que uma partícula pode ter quiralidade direita ou esquerda. Como dissemos acima, para partículas de massa zero, a quiralidade e a helicidade são as mesmas. Uma partícula de massa zero com quiralidade esquerda também tem helicidade esquerda.

Contudo, uma partícula massiva tem quiralidade específica. Uma partícula massiva com quiralidade esquerda pode ter tanto helicidade esquerda ou direita, dependendo do referencial relativo a partícula. Em todos os referenciais a partícula ainda vai ter quiralidade esquerda, não importa qual sua helicidade.

Infelizmente, quiralidade é um pouco complicado de se definir. É uma propriedade essencialmente quanto-mecântica na qual uma partícula pode ser esquerda ou direita. Vamos, por enquanto, nos concentrar em férmions com spin 1/2. Lembre-se que se você rodar um elétron por 360 graus, você não obtém o mesmo estado quântico: você obtém o mesmo estado com um sinal de menos! Esse sinal de menos está relacionado à interferência quântica. A quiralidade de um férmion te diz como você chega nesse sinal de menos no plano complexo:

O que acontece quando você roda um férmion quiral esquerdo contra um direito por 360 graus ao redor da sua direção de movimento. Ambas partículas terminam com um sinal negativo, mas o férmion de quiralidade esquerda vai por um caminho no plano complexo, enquanto o férmion de quiralidade direita vai por outro. O círculo na direita representa a fase complexa do estado quântico da partícula; enquanto rodamos a partícula, o valor da fase roda ao redor do círculo. Rodar a partícula 360 graus só te leva até metade do círculo por uma direção que depende da quiralidade do férmion.

O sentido físico dessa fase está na função de onda da partícula. Quando você roda um férmion, sua função de onda quântica é deslocada numa maneira que depende da quiralidade do férmion:

Rodar um férmion desloca sua função de onda quântica. Férmions quirais esquerdos e direitos são deslocados em direções opostas. Esse é um efeito puramente quanto-mecânico.

Nós não precisamos nos preocupar muito sobre o sentido desse deslocamento de fase na mecânica quântica. A conclusão é que quiralidade é relacionada de uma forma “profunda” a uma propriedade quântica. Nós vamos ver abaixo que a noção de quiralidade tem efeitos mais dramáticos quando introduzimos massa.

O procedimento geral sendo descrito nas duas últimas seções pode ser entendido em termos de teoria de grupos. O que estamos afirmando é que partículas massivas e com massa zero se transformam sob representações diferentes do grupo de Poincaré. A noção de quiralidade do férmion se refere aos dois tipo de representações de spin 1/2 não equivalentes do grupo de Poincaré. Na breve discussão acima, eu tentei explicar a diferença olhando para o efeito de uma rotação em torno do eixo z, que nesse caso é gerado por \pm \sigma^3/2

A mensagem que se deve levar para casa é que partículas com quiralidades diferentes são realmente partículas diferentes. Se nós temos uma partícula com helicidade esquerda, então nós sabemos que deve existir também uma versão da partícula com helicidade direita. Contudo, uma partícula com quiralidade esquerda não precisa ter um parceirdo com quiralidade direita. Continuem comigo, pois é agora que a mágica do Higgs aparece no Modelo Padrão.

Teorias quirais

Uma característica curiosa do Modelo Padrão é que ele é uma teoria quiral, o que significa que partículas com quiralidade esquerda e direita se comportam de forma diferente. Em particular, o bóson W só vai falar com elétrons (elétrons esquerdos e anti-elétron direitos) e se recusa a falar com pósitros (pósitrons direitos e anti-pósitrons esquerdos). Você deve parar e pensar sobre isso por um momento: a natureza discrimina entre partículas quirais esquerdas e quirais direitas (biólogos, claro, estão bem familiarizados com esse fenômeno na “quiralidade” dos aminoácidos).

Note que a natureza é ainda, em um certo sentido, simétrica em relação a helicidades esquerda e direita. No caso em que tudo tem massa zero, a quiralidade e helicidade da partícula são as mesmas. O W vai se acoplar tanto a partículas de helicidade esquerda quando direita: o elétron ou o anti-elétron. Contudo, ele ainda ignora os pósitrons.

A diferença entre quiralidade e helicidade é um dos pontos sutis quando se começa a aprender teoria de campos. A diferença matemática pode ser vista simplesmente olhando para os projetores de helicidade e quiralidade. Intuitivamente, helicidade é algo que pode ser medido diretamente (através do momento angular) enquanto quiralidade é associado com a transformação sob o grupo de Lorentz (e.g. a fase quanto-mecânica sob rotação).

Para realmente carregar essa conclusão para casa, deixe-me re-apresentar duas partículas para você: o elétron e o pósitron. Você já deve saber que o pósitron é o anti-parceiro do elétron… mas, por enquanto, vamos fingir que você não sabe isso. O elétron tem quiralidade esquerda, enquanto o pósitron tem quiralidade direita. São partículas completamente diferentes:

Elétrons (quiralidade esquerda) e pósitrons (quiralidade direita) são duas partículas completamente diferentes, como evidenciado pelo bigode do pósitron.

Quão diferentes são essas partículas? Bem, o elétron tem carga elétrica -1, enquanto o pósitron tem carga elétrica +1. Além disso, o elétron pode se acoplar a um neutrino através de um bóson W, enquanto o pósitron não pode. Por que o W só fala com o elétron (esquerdo)? Essa é apenas a maneira como o Modelo Padrão é construído; o elétron esquerdo é carregado na força fraca enquanto o pósitron direito não é. Note que, nesse ponto, até o elétron e o anti-pósitron não são a mesma partícula! Apesar de ambos terem a mesma carga elétrica e quiralidade, o elétron pode falar com o W, enquanto o anti-pósitron não.

Por agora vamos assumir que todas essas partículas tem massa zero e que os estados com quiralidade bem definida podem ser identificados com seus estados de helicidade. Mais ainda, nesse estágio o elétron tem sua própria anti-partícula (o “anti-elétron”) a qual tem quiralidade direita e que se acopla com o bóson W. O pósitron também tem uma anti-partícula diferente, o “anti-pósitron”, que tem quiralidade esquerda mas que não se acopla ao bóson W. Nós então temos quatro partículas (sem contar as quatro helicidades possíveis):

O elétron, o anti-elétron, o pósitron e o anti-pósitron. Anti-partículas são desenhadas com um bronzeado levemente esverdeado. É essencial que o elétron e o anti-pósitron são duas partículas diferentes.

O elétron com helicidade esquerda e direita e o anti-pósitron com helicidade esquerda e direita são as quatro componentes do espinor de Dirac [N.T. na representação quiral] para o objeto que normalmente chamamos de elétron (na base de massa). De forma similar, o anti-elétron com helicidade esquerda e direita e o pósitron com helicidade esquerda e direita formam o conjugado de Dirac do espinor, o que representa o que normalmente se chama de pósitron (na base de massa).

Nós estamos distorcendo a nomenclatura usual por uma questão pedagógica – as coisas que chamamos de elétrons e pósitrons e seus anti-parceiros não são o elétron físico no, digamos, átomo de hidrogênio. Nós vamos ver abaixo que as idéias estão conectadas. Por enquanto, a idéia chave é que existem 4 tipos diferentes de partículas:

Nome da partícula Quiralidade Carga elétrica Interage com W? (i.e., é carregado na força fraca?)
Elétron esquerda -1 Sim
Anti-elétron direita +1 Sim
Pósitron direita +1 Não
Anti-pósitron esquerda -1 Não

Nós estamos usando os nomes “elétron” e “pósitron” para distinguir entre as partículas que acoplam com o W e aquelas que não. Na linguagem convencional da física de partículas, essas partículas se chamam elétron esquerdo e elétron direito. Mas eu queria usar uma notação diferente para enfatizar que eles não são relacionados um ao outro por paridade.

[N.T. Acho que vale a pena falar do efeito das transformações discretas de paridade, conjugação de carga e reversão temporal aqui. O efeito sobre cada uma das partículas, a menos de uma fase diferente para cada caso (mas ligadas pelo teorema de CPT), é:

  • Conjugação de carga: troca o elétron pelo pósitron e o anti-elétron pelo anti-pósitron. Como o elétron interage com o bóson W e o pósitron não, vê-se que as o decaimento do W não conserva conjugação de carga. Outra coisa importante é que ela troca a quiralidade, mas preserva a helicidade.
  • Paridade: A helicidade é trocada, mas a quiralidade e o tipo de partícula permanecem os mesmos. O diferente nesse caso é o acoplamento do W. O W “refletido” fala apenas com o pósitron e com o anti-pósitron, mas não com o elétron e com o anti-elétron. Por isso que o decaimento do W também não conserva paridade. Note que o decaimento do W é o mesmo se aplicarmos conjugação de carga e paridade seguidamente, isso porque a primeira muda elétron para pósitron e a segunda muda o acoplamento do W para falar apenas com pósitron e não com elétrons, ficando a mesma coisa no final.
  • Reversão temporal: nem a quiralidade nem a helicidade muda.]

Massa mistura partículas diferentes

Agora aqui está o passo mágico: massa causa uma “mistura” de partículas diferentes.

Lembre-se que a massa pode se entendida como uma partícula “batendo contra o valor esperado no vácuo (VEV) do bóson de Higgs“. Nós desenhamos cruzes nas linhas de férmions dos diagramas de Feynman para representar a interação de uma partícula com o VEV do Higgs, onde cada cruz é, na verdade, uma linha de Higgs. Deixe-me mostrar explicitamente que partículas estão aparecendo nesses diagramas:

Um elétron propagando no espaço e interagindo com o campo de Higgs. Note que o termo de massa induzido pelo Higgs conecta um elétron com um anti-pósitron. Isso significa que os dos tipos de partícula exibem uma mistura quântica

Isso é muito importante; duas partículas completamente diferentes (o elétron e o anti-pósitron) estão mudando alternadamente. O que isso significa? A coisa física que se propaga pelo espaço é uma mistura de duas partículas. Quando você observa uma partícula num ponto, ela pode ser um elétron, mas se você observar um momento depois, a mesma partícula se manifesta como um anti-pósitron! Isso deve soar bem familiar, é exatamente a mesma história da mistura dos neutrinos ou da mistura de mésons.

Vamos chamar essa partícula propagante de elétron físico. O elétron na base de massa pode ser tanto um elétron como um anti-pósitron quando você o observa; é uma mistura quântica dos dois. O bóson W só interage com o elétron físico através da sua componente elétron e não interage com a componente anti-pósitron. De forma similar, nós podemos definir um pósitron físico o qual é uma mistura do pósitron com o anti-elétron. Agora eu preciso clarear a linguagem um pouco. Quando as pessoas se referem usualmente a um elétron, o que elas realmente querem dizer é o elétron na base de massa, não “o elétron que interage com o W”. É mais fácil ver isso na figura abaixo:

O elétron físico (que é o que as pessoas querem dizer quando falam elétron) é uma combinação de um elétron e de um anti-pósitron. Note que o elétron e o anti-pósitron tem interações diferentes (e.g. o elétron interage com o bóson W); o elétron físico herda as interações de ambas partículas.

Note que pode-se dizer que o elétron físico e o pósitron físico são antipartículas uma da outra. Isso é claro já que as duas partículas que são combinadas para formar o elétron físicos são as antipartículas das duas partículas combinadas para formar o pósitron físico. Além disso, vamos fazer uma pausa para frisar que em toda discussão acima, poderia-se ter substituído o elétron e o pósitron por qualquer outra partícula de matéria do modelo padrão [N.T. exceto o neutrino, como frisado no texto original e, no caso dos quarks, há uma complicação extra devido à matriz de CKM]

A analogia com a mistura de sabor deve ser levada literalmente. Essas são partículas diferentes que propagam de uma para outra exatamente da mesma forma que diferentes sabores são diferentes partículas que se propagam de uma para outra. Note que o ângulo de mistura depende do momento da partícula e só é 45 graus quando a partícula está parada [N.T. Discussão confusa suprimida no início dessa caixa e alguns termos mudados para ficar mais preciso em comparação ao texto original]. Além disso, o elétron físico agora contém o dobro do número de graus de liberdade do elétron e do anti-pósitron. Isso é só a observação que um espinor de Dirac com quatro componentes combina os dois espinores de Weyl de duas componentes.

Quando se aprende teoria quântica de campos, em geral se ignora esses detalhes porque pode-se trabalhar diretamente na base de massa onde todos os férmions são espinores de Dirac e todas as inserções de massa são somadas nos propagadores. Contudo, a estrutura quiral do Modelo Padrão está nos dizendo que a teoria fundamental é escrita em termos de espinores de Weyl de duas componentes e que o Higgs induz uma mistura em espinores de Dirac. Para aqueles que querem aprender o formalismo de duas componentes em todos os seus minuciosos detalhes, eu recomendo fortemente o artigo de revisão recente por Dreiner, Haber e Martin.

O que isso tudo tem a ver com o Higgs

Nós já aprendemos que as massas são responsáveis pela mistura entre tipos diferentes de partículas. Os termos de massa combinam duas partículas a priori (elétron e anti-pósitron) em uma única partícula (elétron físico). A razão pela qual nós passamos essa embromação é para dizer que, comumente, duas partículas sem relação não querem se misturar entre si.

A razão para isso é que partículas só podem se misturar se elas carregam as mesmas propriedades quânticas. Você vai notar, por exemplo, que ambos elétron e anti-pósitron possuem a mesma carga elétrica (-1). Seria impossível para um elétron e um anti-elétron se misturar porque eles tem carga elétrica diferente. Contudo, o elétron carrega a carga fraca porque ele se acopla com um bóson W, enquanto o anti-pósitron não carrega carga fraca. Então essas duas partículas não deveriam ser capaz de se misturar. No jargão, diríamos que esse termo de massa é proibido por invariância de calibre, onde a palavra calibre se refere ao fato que o W é um bóson de calibre. Essa é a consequência do Modelo Padrão ser uma teoria quiral.

A razão pela qual essa mistura improvável é possível é o VEV do Higgs. O Higgs carrega carga fraca. Quando ele obtém um valor esperado no vácuo, ele “quebra” a conservação de carga fraca e permite que um elétron se misture com um anti-pósitron, embora eles tenham carga fraca diferentes. Ou, em outras palavras, o vácuo do Higgs “absorve” a diferença de carga fraca entre o elétron e o anti-pósitron.

Mas então o mistério do bóson de Higgs continua. Primeiro [N.T. Em outros posts do blog US-LHC] nós dissemos que o Higgs, de alguma forma, dá massa às partículas. Nós dissemos que essas massas são geradas pelo valor esperado no vácuo do Higgs. Nesse post nós fizemos um grande desvio para explicar o que essa massa realmente é, e tivemos uma exemplo do porquê o VEV do Higgs é necessário para permitir essa massa. O próximo passo é contemplar como o Higgs consegue obter um valor esperado no vácuo e como isso “quebra” a carga fraca. Esse fenômeno é conhecido como quebra espontânea de simetria, e é uma das principais motivações para teorias de nova física além do Modelo Padrão.

Massas de Majorana

Certo, isso é realmente fora da nossa discussão principal, mas eu me sinto obrigado a mencionar. O tipo de massa que nós discutimos acima é chamada de massa de Dirac. É um tipo de massa que conecta duas partículas diferentes (elétron e anti-pósitron). É também possível ter uma massa que conecta dois tipos da mesma partícula, e isso é chamado de massa de Majorana. Esse tipo de massa é proibido para partículas com qualquer tipo de carga elétrica [N.T. ou qualquer outra que não é espontaneamente quebrada]. Por exemplo, um elétron e um anti-elétron não podem ser misturados porque eles têm carga elétrica oposta, como discutido acima. Contudo, existe um tipo de partícula de matéria no Modelo Padrão que não tem qualquer carga: o neutrino! (O neutrino tem carga fraca, mas essa é “absorvida” pelo vácuo).

Dentro do Modelo Padrão, massas de Majorana são especiais para os neutrinos. Elas misturam neutrinos com anti-neutrinos de forma que o neutrino físico é sua própria anti-partícula (numa linguagem chique diríamos que o neutrino físico é um espinor de Majorana ou apenas um espinor de Weyl). Também é possível que os neutrinos tenham ambas massa de Dirac e Majorana (a massa de Dirac exige então uma versão do neutrino com bigode, equivalente ao pósitron no caso do elétron). Essa existência teria consequências interessantes. Como sugerido acima, a massa de Dirac é associada com a não-conservação de carga fraca devido ao Higgs, então massas de Dirac são tipicamente “pequenas” (a natureza não gosta quando coisas que deveriam ser conservadas não são). Massas de Majorana, por outro lado, não causam nenhuma não-conservação e podem ser arbitrariamente grande. Essa “gangorra” [N.T. do inglês see-saw] entre as duas massas pode levar a uma explicação natural porque o neutrino físico [N.T. que agora é uma mistura do neutrino, do anti-neutrino, do neutrino “de bigode” e do anti-neutrino “de bigode”] são tão mais leves que qualquer outro férmion do Modelo Padrão, embora por enquanto essa seja uma conjectura fora do alcance dos experimentos atuais.

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Ciência aberta

segunda-feira, 20 jun 2011; \25\UTC\UTC\k 25 3 comentários

Recentemente eu vi esse TED talk, por Michael Nielsen:

cujo tema é ciência colaborativa e ciência aberta. Ele começa relatando o sucesso que foi a iniciativa do projeto Polymath, liderada por Tim Gowers, que propôs um esforço colaborativo em seu blog resolver problemas matemáticos. O sucesso da iniciativa pode ser medido pelos vários artigos científicos que foram gerados.

Nielsen então relata outros tantos projetos de ciência colaborativa que, no entanto, falharam. Ele aponta como diferencial do projeto Polymath o produto final, que não era o conhecimento científico gerado, mas o artigo publicado.

Esse talk gera muitas perguntas interessantes, principalmente…

Ainda precisamos do modelo de artigos em revistas arbitradas?

Como funciona o modelo atual de produção científica? Funciona assim: você faz um trabalho e submete um resumo do seu trabalho para uma revista arbitrada. Essa revista é paga, seja pelas pessoas que vão ler ou pelas pessoas que vão publicar, para fazer o processo de edição e arbitragem. Os árbitros, mas principalmente os editores, são pessoas de reputação na área da revista. Então, a moeda de troca é reputação do editor por dinheiro da revista. Já que a reputação dos editores e árbitros da revista estão em jogo, o processo de revisão é acreditado pela comunidade científica que passa a dar um valor ao artigo aceito. Esse valor agregado pela revisão é a moeda de troca do cientista quando ele vai procurar emprego ou financiamento para sua pesquisa.

Mas é o dinheiro da revista que realmente dá valor ao trabalho ou seu conteúdo? Vou dar alguns exemplos históricos, que embora pontuais, vão mostrar um pouco do que está na minha cabeça.

O primeiro exemplo que eu quero dar é do Alexander Grothendieck. Embora a maioria dos leitores talvez nunca tenham ouvido falar nele, ele é um matemático muito famoso tendo criado o que entendemos hoje por geometria algébrica. Os trabalhos dele são impressionantes e praticamente nenhum foi publicado em revistas arbitradas. Eles apareciam em proceedings de reuniões em que eram apresentados e, dado a importância que ganharam, foram posteriormente publicados como lecture notes pela Springer.

Se os trabalhos dele nunca foram arbitrados, como podemos saber que eles são bons? A resposta, para mim, é simples. As pessoas que lêem esses trabalhos não são idiotas. Se você não consegue avaliar um trabalho na tua área, você nem deveria estar trabalhando nessa área, quanto mais se chamar de cientista.

Eu já estou até ouvindo as pessoas contra-argumentando que o Grothendieck é uma pessoa peculiar, com visões políticas bem extremas e, além disso, um gênio. É, tudo isso é verdade, mas nada invalida o ponto. Outras pessoas talvez estejam pensando: “Vamos simplesmente publicar tudo? Isso é impossível!”. Talvez fosse impossível quando o Grothendieck estava publicando seus trabalhos, hoje não mais.

O que me faz chegar no segundo exemplo que quero dar, o arXiv. Esse a maioria dos leitores deve conhecer. É um servidor de pre-prints (isto é, artigos antes do processo de arbitragem) que muitos físicos, matemáticos e algumas pessoas de outras áreas usam com frequência. É, hoje, a maneira mais rápida de divulgar resultados e, dada a velocidade com que a ciência avança hoje em dia, é necessário. Se você acompanha os artigos no arXiv com a mesma assiduidade que eu, você já deve ter visto alguns exemplos de “conversas” entre artigos numa velocidade que seria impossível de acontecer se fôssem esperar a publicação numa revista.

Quando o Paul Ginsparg acordou um dia e resolveu criar o arXiv, eu tenho certeza que ele não tinha noção do tamanho que esse servidor teria hoje e nem a revolução que causou na forma como divulgamos ciência. O arXiv fez com a dinâmica de publicações científicas o que o Linux fez com sistemas operacionais. Claro que algumas pessoas vão insistir em usar o Windows – e aqui a Nature me vem a cabeça imediatamente – mas essas coisas são múmias que estão se desintegrando aos poucos.

O problema do arXiv é que o artigo não é arbitrado, não há ninguém que coloca sua reputação em risco para dar sua opinião sobre um artigo porque é pago para isso. Quero fazer duas perguntas que acho que podem ser um início de discussão nos comentários desse tópico: Você teria algum problema em avaliar um artigo da sua área? e, caso você estivesse avaliando um pesquisador, mas não um trabalho, Você consideraria uma avaliação feita por um profissional que não está sendo pago por uma revista como um critério pior?

Eu, pessoalmente, não tenho nenhum problema em avaliar artigos da minha área. Simplesmente porque eu faço isso todo dia. Quando alguém publica (no arXiv :P) um artigo sobre a área em que eu estou trabalhando nesse momento, eu sou, na prática, obrigado a ler para me manter informado do que está acontecendo e nesse processo de leitura, sim, eu avalio o artigo. Mais do que isso, quando eu tenho uma dúvida ou uma crítica, eu imediatamente escrevo para os autores para iniciar um diálogo. Nesse momento em que estou escrevendo esse post, tenho duas conversas em aberto sobre artigos recentes. E, se o arXiv tivesse uma área para avaliações, eu não teria qualquer problema em divulgar minha avaliação.

A internet é perfeita para esse tipo de troca dinâmica de informação. O que o projeto Polymath fez com um tópico de pesquisa, seria feito com todos os trabalhos científicos produzidos. Claro que isso só funcionaria se essas avaliações começassem a ser levadas em conta como moeda de valor para o trabalho do cientista e aqui é necessário responder a segunda pergunta. Eu vou apelar para o mesmo argumento que usei acima: se você não é capaz de avaliar uma avaliação de um trabalho da tua área é melhor que você mude de área. Eu sei que pareço agressivo ao dizer isso, mas é verdade. Eu não acho uma avaliação sigilosa, oculta e anônima de uma revista arbitrada é melhor que uma avaliação aberta e pública onde eu posso ver e qualificar, eu mesmo, os argumentos usados.

O dinamismo criado por um modelo de publicação científica nessas linhas traria um benefício imenso à prática científica. O terceiro exemplo que quero citar é o que aconteceu com o caso do estudo da variante da E. Coli que causou mortes recentemente na Alemanha. O blog Rainha Vermelha descreveu muito bem o que aconteceu. Como na biologia “não-quantitativa” não existe algo similar ao arXiv, os cientistas começaram a divulgar seus resultados em blogs. Não porque eles queriam, mas porque eles precisavam.

Um outro exemplo é o tópico do meu último post aqui no AP, sobre a massa invariante do par de jatos em eventos Wjj medidos pelo CDF e D0 (aparentemente o CMS e Atlas estão perto de uma confirmação de um dos dois resultados). O primeiro artigo do CDF gerou muito interesse e questionamentos. Rapidamente, em poucos dias, vários artigos apareceram no arXiv comentando o resultado, a maioria descrevendo possíveis explicações para o fenômenos. Poucos foram os que levantaram discussões sobre a medida, no espírito do que seria uma revisão arbitrada. Esse papel foi preenchido, novamente, por diversos blogs que comentaram sobre o assunto. Eu não acho que a maioria dos leitores acompanharam essa história tão de perto quanto eu, mas se vocês acompanharam, devem ter percebido que a webpage que o CDF usou para divulgar a atualização da medida com mais dados respondeu especificamente os questionamentos que surgiram. Foi, efetivamente, um processo de revisão aberto e, em praticamente todos insitutos de física do mundo, tanto o artigo original, quanto os argumentos dos blogs, quanto a página com a atualização, foram usadas para discussões. Ou seja, o benefício foi não somente para o projeto de pesquisa mas também para o processo de educação científica.

Nada disso seria possível com a dinâmica tradicional de artigos. Eu vejo isso tudo como um indício de que, em breve, o modelo de publicação vai ter que ser mudado devido as mudanças na forma com que ciência vai ser feita e junto vai ser mudado a forma como avaliamos o trabalho do cientista. Mas, claro, isso pode ser apenas um ideal.

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Engenharia na USP abre o primeiro “Endowment” nacional

sexta-feira, 17 jun 2011; \24\UTC\UTC\k 24 3 comentários

Vista aerea da Politécnica da USP

Segundo reportagem da Folha de hoje, a Escola Politécnica da USP (a unidade de engenharia do campus da capital) abriu seu “endowment”, coisa inédita no cenário das universidades nacionais. Trata-se de uma coleção de fundos originários da soma de doações de indivíduos, empresas, organizações civis, etc. A iniciativa foi dos próprios alunos que abriram o fundo com R$ 100 mil. O objetivo é utilizar o retorno do fundo aplicado no mercado financeiro para fomentar pesquisas de professores e alunos da Politécnica.

O endowment, que aqui uso a palavra estrangeira por falta de vernáculo brasileiro para designar um fundo de investimento de uma universidade para suas operações*, é uma das fontes de renda que as universidades norte-americanas utilizam. Não é a maior fonte, mas figura entre as mais expressivas. Vejamos o exemplo de Dartmouth: a universidade opera com um gasto anual de aproximadamente US$ 730 milhões atualmente, com um endowment de US$ 2.8 bilhões. De 20-30% de todos os gastos são pagos com o retorno financeiro do endowment, enquanto que até 50% pode vir do pagamento da mensalidade dos alunos, mais precisamente a tuition. Os números naturalmente variam entre universidades e também entre anos, porém é seguro dizer que o endowment paga entre 14% a 30% de todos os gastos das universidades norte-americanas privadas. Paga salário de funcionários, professores, custos operacionais, materiais, aquisições de novos prédios e investimentos de expansão do campus, mas não equipamentos e construção de laboratórios de pesquisa ou salário de alunos de pós-graduação a partir do terceiro ano. Para isto, a universidade usa de recursos externos como bolsas do governo ou de instituições privadas, como Sloan Foundation, Google, Microsoft, etc. Mas no caso da Politécnica da USP, os salários dos professores e despesas operacionais já estão segurados pelo orçamento público, então o papel do endowment seria pagar investimentos em laboratórios de pesquisa, professores e bolsas para alunos, uma forma de dinheiro suplementar as fontes FAPESP, CNPq e CAPES. Um conselho de professores da Politécnica decidirá como os recursos do endowment serão distribuídos para pesquisas na escola, e a unidade vai pagar uma instituição privada para administrar o fundo, espero eu que com o ganho do próprio endowment.

Quem ficou curioso sobre o orçamento universitário nos EUA pode fazer uma pesquisa no Google por “[instituição] budget”, a maioria das instituições publica esses dados nas suas páginas da Internet.

* Atualização 23/06/2011: a palavra em português é dotação. Obrigado ao Robson pelo esclarecimento. Mais informação e como doar a dotação da Politécnica na página oficial.

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Buracos negros por todo o universo

quarta-feira, 15 jun 2011; \24\UTC\UTC\k 24 2 comentários

Imagem composta do Telescópio Hubble (luz visível) e Telescópio Chandra (raios X) de galáxias a cerca de 12 bilhões de anos-luz de distância (redsfhit 6 a 7), quando o universo tinha cerca de 800 milhões de anos. A cor azul representa a imagem em raios X, vermelho no infravermelho, e demais cores no visível. Clique para ampliar.

Notícia marcante no dia de hoje: a NASA anunciou que amanhã a Nature publicará a primeira imagem em raios X do universo quando ele tinha apenas cerca de 800 milhões de anos, e… a primeira visão de buracos negros em escalas cosmológicas! Segundo o anúncio da NASA, a imagem em raios X permite estimar que para mais de 30% de todas as galáxias tem um buraco negro supermassivo no centro — astros até um bilhão de vezes mais pesados que o Sol — senão todas elas.

A imagem é do Telescópio Espacial Chandra de raios X. Este é um feito técnico impressionante, pois esses objetos a essa distância 12 bilhões de anos-luz são quase invisíveis mesmo aos melhores telescópios de raios X. A câmera do telescópio ficou 46 dias ininterruptos capturando a imagem. Buracos negros supermassivos são em princípio visíveis ao telescópio porque muitas vezes eles são acompanhados de estrelas vizinhas que começam a ter seu material sugado em direção ao buraco negro, e os elétrons do gás que compõe a estrela são acelerados com energias tipicamente próximas da região dos raios X altamente energéticos a medida que o gás entra no buraco negro (vide figura abaixo).

Simulações numéricas mostram que as primeiras estrelas do universo eram muito pesadas, viveram poucos milhões de anos e colapsaram para formar buracos negros supermassivos. O resultado de Chandra era portanto esperado.

A imagem é suplementar ao Telescópio Espacial Hubble que já mapeou a mesma região do céu na mesma distância mas na freqüência da luz visível. Os astrônomos já haviam observado que há correlações entre a massa dos buracos negros e a taxa de formação de estrelas na galáxias onde eles habitam no caso de galáxias relativamente próximas (e portanto, de idade similar a da nossa) e também com o formato da distribuição de matéria escura nas galáxia, em muito devido ao trabalho do astrônomo de Dartmouth Ryan Hickox. Porque os buracos negros influenciam a formação de estrelas e aglutinação de massa nas galáxias ainda não se sabe. O estudo que sairá amanhã na Nature é o primeiro a analisar a formação de buracos negros em galáxias tão antigas, mas os detalhes só amanhã.

Para mais sobre a relação da formação de buracos negros e galáxias, considere esse colóquio de Ryan Hickox (60min, em inglês).


Ilustração do que acontece quando uma estrela passa perto de um buraco negro. A medida que o gás cai no buraco, os elétrons do gás da estrela são acelerados e emitem raios X, visíveis ao telescópio Chandra. Crédito da foto: NASA (domínio público).

Atualização 1 16/06: artigo publicado hoje na Nature.

Conan O’Brien e formandos de 2011

segunda-feira, 13 jun 2011; \24\UTC\UTC\k 24 2 comentários

Ontem foi dia de formatura em Dartmouth, e o discurso da turma foi dado por Conan O’Brien, um comediante norte-americano que escreveu para o Saturday Night Live (1987-1991) e Os Simpsons (1992-1993) e é apresentador na TV desde 1993 e ganhador de dois Emmys. A primeira metade do vídeo é o que se espera de um grande humorista, e a segunda é uma bela mensagem a turma dos formados, por isso eu compartilho com vocês abaixo o discurso. Sei que alguns de nós mais velhos vamos nos identificar com ele, e aos mais novos, ainda estudando na faculdade ou planejando a sua pós-graduação, guardem a mensagem para mais tarde.

Se eu tiver um tempo, e mais alguém quiser colaborar, eu atualizo o post com a segunda parte do discurso traduzida para o português.

Para um pouco de informação sobre o que ele se refere no discurso, Conan foi apresentador de um programa de entrevistas na TV de 1993 a 2009 no canal NBC, onde o horário nobre era reservado para o Tonight Show apresentado na época por por Jay Leno. De 1962 a 1991, Tonight Show foi apresentado por Johnny Carson (o mesmo que Conan cita). Trata-se de um dos programas mais famosos da TV nos Estados Unidos e o de maior tempo de exibição entre todos que são exibidos hoje. Conan foi promovido ao Tonight Show em junho de 2009 mas ficou no programa apenas sete meses após a audiência cair pela metade. Devido a pressão por números de audiência, Conan foi substituído de volta por Jay Leno em 2010.

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