Physics News Update n° 776

PHYSICS NEWS UPDATE
O Boletim de Notícias da Física do Instituto Americano de Física, número 776 de 2 de maio de 2006 por Phillip F. Schewe, Ben Stein, e Davide Castelvecchi

O MAR DE QUARKS VIRTUAIS que vibram dentro de cada próton de cada átomo, foi agora estudado com uma espantosa precisão em uma experiência realizada no Jefferson Lab. O resultado surpreendente é que os pares quark-antiquark que borbotam irresistivelmente, sendo criados e aniquilados, especialmente os de sabor Estranho, contribuem tão pouco para a vida do próton que os teóricos ficaram mais embatucados ainda com a questão básica: o que é um próton? A resposta mais simples sempre foi que o próton consiste de três quarks regulares (de valência), sempre presentes, mais um efervescente "mar de quarks" que brotam do vácuo, mais uma frota de glúons mediadores de força. Mas o velho aforismo: "o todo é maior que a soma de suas partes", é particularmente verdadeiro para o próton. Some-se as cargas dos quarks de valência e se obtem a carga do próton. Até aí, tudo bem. Mas, some-se as massas dos quarks de valência e obteremos menos de 1% da massa do próton. O "Hall A Proton Parity Experiment" (HAPPEx) no Jefferson Lab espalha um feixe de elétrons de 3-GeV, a partir de uma esbelta garrafa térmica de Hidrogênio líquido, que fornece um alvo cheio de prótons, e de um alvo de hélio, que fornece prótons e nêutrons. Somente os eventos onde os elétrons se espalham elasticamente (eles não perdem nada de sua energia, mas são defletidos em um ângulo de 6 graus) são escolhidos para análise. Pode-se raciocinar que um elétron é espalhado por um próton por meio do envio de um fóton virtual (portador da força eletromagnética) ou de um bóson Z virtual (portador da força fraca) que examina o próton da mesma forma que uma luz brilhante, enviada e espalhada por um microscópio, examina uma bactéria. Neste caso, o comprimento de onda do "microscópio" do HAPPEx é escolhido com grande cuidado (por meio da fixação da energia dos elétrons e pelo posicionamento do detector) para ser igual ao tamanho do próprio próton – mais exatamente um fentômetro: 10^-15m. Neste caso, o "microscópio" visualiza todo o próton de uma só vez. Ele não tenta "fotografar" o próton, mas tenta determinar o que o próton é na ocasião do espalhamento. Controlando-se a polarização (orientação do spin) dos elétrons e comparando-se os dados do espalhamento produzido pelos alvos de prótons e de Hélio, pode-se estabelecer separadamente as contribuições para o espalhamento da eletricidade, do magnetismo e da força fraca. E, a partir destas, deduzir o grau de presença dos "quarks do mar" nos prótons (encapsulado em um parâmetro chamado de fator de forma). O próton é nominalmente feito de dois quarks Up e um quark Down, e, desta forma, os outros quarks Up e Down do "mar" contribuem com pouquíssima coisa digna de menção. Assim sendo, uma sondagem do "mar" é, na verdade, um referendo sobre o status do quark Estranho – o próximo quark na escala de massa – dentro do próton. Teorias anteriores, apoiadas em alguns indícios experimentais mais grosseiros, apoiavam a idéia de que os quarks Estranhos poderiam responder por até 10% do momento magnético do próton. Um dos cientistas do HAPPEx, Paul Souder, de Syracuse, relatou no Encontro de Abril da APS, na semana passada em Dallas, que, com uma precisão muito maior, os quarks Estranhos podem responder por cerca de 1% da carga do próton e não mais do que 4% de seu momento magnético, e que, devido à incerteza experimental, ambos os valores são consistentes com zero. Em outras palavras, o próton é muito menos estranho do que se pensava. Além de ser a melhor exposição dos quarks do "mar", o HAPPEx é notável por três razões: é o emprego de um feixe de elétrons polarizados com maior controle; fornece a melhor medição, até agora, do espalhamento dos elétrons com seus spins apontados ao longo ou ao contrário do eixo de movimento, o que, por sua vez, fornece uma medição da força relativa do espalhamento eletromagnético e da força fraca, com um valor de cerca de 10^-7; e chega a uma medição rudimentar de 20 attometros (nota do tradutor: 1am = 10^-18m) para a distância entre um quark do "mar" e seu aniquark gêmeo, dentro do próton.

GANHO-SEM-INVERSÃO EM LASERS, EM UM SÓLIDO. Antigas descrições dos lasers enfatizavam que a maioria dos átomos participantes de um meio laser precisava ter passado por uma "inversão de população". Isto é, a maioria dos átomos teriam que estar em um estado excitado, para que fossem melhor estimulados a emitir luz e contribuir para um crescente pulso de luz laser. Mas esse "ganho" pode ser conseguido sem inversão. Experiências mostraram que, mediante o controle de coerência dos elétrons em átomos em estado fundamental ("ground state"), através de um processo chamado transparência eletromagneticamente induzida, os elétrons podem, em sua maioria, serem impedidos de absorver a luz laser que é criada entre um pequeno número de átomos na amostra, estes sim, em estado excitado. Este fenômeno de "ganho-sem-inversão" ("gain-without-inversion" – GWI) foi agora demonstrado em um material sólido, pela primeira vez. Em uma apresentação, semana passada, na Conferência do Instituto de Física de Matéria Condensada e Física dos Materiais, em Exeter (Grã-Bretanha) Chris Phillips, do Imperial College, disse que seu laboratório conseguiu GWI em um dispositivo de nanoestruturas de semicondutores — com efeito, átomos artificiais. Não só o ganho, como a diminuição da velocidade da luz, podem ser obtidos a partir do dispositivo em estado sólido do Imperial College, tornando-o possivelmente útil para aplicações futuras em informação quântica. (Ver, também, Frogley et al., Nature Materials, Março de 2006)

CORREÇÃO. Nós erramos por 39 ordens de grandeza: no PNU n° 775, a densidade de energia máxima obtida pelo RHIC, em colisões de alta energia, é de 15 GeV por fentômetro cúbico, não por centímetro cúbico.

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Como divulgado no numero anterior, este boletim é traduzido por um curioso, com um domínio apenas razoável de inglês e menos ainda de física. Correções são bem-vindas.