PHYSICS NEWS UPDATE
O Boletim de Notícias da Física do Instituto Americano de Física, número 783, de 30 de junho de 2006 por Phillip F. Schewe, Ben Stein, e Davide Castelvecchi Physics News Update
CANALIZANDO AS PROFUNDEZAS DO ELÉTRON. A cuidadosa observação de um elétron singelo em uma armadilha atômica, por um período de vários meses, resultou na melhor medição, até agora, do momento magnético do elétron e um valor mais preciso para "alfa", a constante de estrutura fina, o parâmetro que estabelece a força genérica da força eletromagnética. Os elétrons, é claro, fazem parte de todos os átomos e, como tais, são um essencial "tijolo" na construção do universo. E alfa é um membro importante do sistema de constantes fundamentais usadas para descrever a natureza. O elétron, muito menor do que o próton, e geralmente considerado como uma partícula puntual, é um objeto tão fundamental para estudos, quanto se possa desejar na física. Não obstante, a interação do elétron com o vácuo é qualquer coisa, menos simples. A teoria da eletrodinâmica quântica (Quantum Electrodynamics, QED) prediz que o elétron pulula perpetuamente com partículas virtuais – tais como fótons e pares posítron/elétron – que emergem brevemente do vácuo circundante. Na ausência dessas interações, o momento magnético do eléton (referido pela letra "g"), que relaciona o magnetismo do elétron com seu spin intrínseco, teria um valor de 2. Mas as medições diretas de "g" mostraram um valor ligeiramente diferente de 2. Quanto mais refinadas se tornaram essas medições, melhor se pode avaliar a natureza quântica do elétron e a própria QED. Além disso, se o elétron tivesse uma estrutura (da forma que os prótons, por exemplo, são constituídos por quarks), isso também apareceria nas medições de "g". Para obter o maior controle possível sobre o elétron e seu ambiente, Gerald Gabrielse e seus estudantes Brian Odom e David Hanneke, em Harvard, criaram um átomo macroscópico artificial, composto por um único elétron que executava uma trajetória infinita fechada, dentro de uma armadilha de eletrodos carregados – um eletrodo central positivamente carregado e dois eletrodos negativamente carregados, acima e abaixo – suplementados por bobinas que produziam um campo magnético. A combinação de forças elétricas e magnéticas mantinham o elétron em sua órbita "ciclotron" circular. Além desse movimento planar, o eletron oscilava para cima e para baixo verticalmente, na direção do campo magnético. O coração dessa experiência de Harvard é explorar esses dois movimentos – o movimento circular, que é conforme às regras quânticas, e o movimento vertical, que é conforme à física clássica – de uma nova maneira. Em primeiro lugar, a parte quântica. Como em qualquer átomo verdadeiro, este átomo artificial está sob o domínio das regras quânticas e o elétron cativo só pode possuir certas energias permitidas. Elétrons já foram confinados em armadilhas como essa, antes, mas essa nova experiência é a primeira em que o elétron pode residir em seu estado quântico ciclotrônico mais baixo. A aparelhagem faz isso controlando energias espúrias, tal como inibir o aquecimento de corpo negro do elétron, por meio da refrigerção do compartimento central a uma temperatura de 100 mK e pela inibição da emissão do próprio elétron por um engenhoso projeto da cavidade da armadilha atômica. O dispositivo todo funciona como ciclotron quântico mono-elétron. Segundo, a parte clássica. A experiência de Harvard é a primeira a introduzir um objeto microscópico para ajustar suas próprias oscilações, com base em suas interações com seu ambiente (ver sua publicação de um ano atrás: D'Urso et al., Physical Review Letters, 25 de março de 2005). O elétron, ao se mover verticalmente, induz uma mudança de voltagem extremamente pequena nos circuitos externos que alimentam os eletrodos. Ao sentir essa mudança, o circuito pode ajustar a voltagem dos eletrodos para ampliar ou reduzir as excursões para cima ou para baixo do elétron. Essa auto-excitação induzida por retroalimentação, se não for muito grande ou muito pequena, permite aos pesquisadores medirem uma freqüência de oscilação, a qual é, por sua vez, relacionada com o estado quântico do elétron. É esse quase total controle sobre os movimentos sobre os movimentos do elétron e a capacidade de medir os níveis de energia do ambiente quântico artificial do elétron que permite ao grupo de Harvard melhorar as medições de "g" em um fator de 6 sobre os trabalhos anteriores. A nova incerteza no valor, estabelecido em um artigo a ser publicado na Physical Review Letters, está agora em um nível de 0,76 partes por trilhão. Não menos importante do que "g" é alfa. Inserindo o novo valor de "g", e graças a cálculos de QED aperfeiçoados de altíssima precisão, os experimentadores e teóricos juntos determinaram um novo valor para alfa, um com uma precisão dez vezes melhor do que o obtenível por qualquer outro processo. Esta é a primeira vez que um valor mais preciso para alfa é anunciado, desde 1987. O novo alfa, publicado em um artigo seguinte na Physical Review Letters, tem uma incerteza de 0,7 partes por bilhão. O valor medido de "g" também pode ser usado para avaliar os hipotéticos componentes do elétron. Tais componentes, mostra o novo valor medido de "g", não podem ser menores do que 130 GeV. Com base nessa experiência, pode-se também impor um limite no tamanho do elétron; ele não pode ser maior do que 10-18m de diâmetro. Esses não são necessariamente os melhores limites no tamnho e na estrutura do elétron, mas é um trabalho que, patentemente, está no reino da física atômica de baixas temperaturas e não no reino dos aceleradores de partículas de altas energias, onde normalmente se mede as propriedades das partículas. A experiência com a armadilha de Harvard se prolongou por vinte anos e rendeu mais de meia dúzia de PhDs. De acordo com Gabrielse, um valor mais preciso para alfa deve (entre outras coisas) contribuir para o pendente ajuste das constantes fundamentais, dirigidas a redefinir o quilograma de forma a evitar o uso do atual peso, mantido dentro de um vidro em Paris. (Odom et al., e Gabrielse et al., em dois artigos a serem publicados na Physical Review Letters, website do laboratório em http://hussle.harvard.edu/~gabrielse/ )
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PHYSICS NEWS UPDATE é um resumo de notícias sobre física que aparecem em convenções de física, publicações de física e outras fontes de notícias. É fornecida de graça, como um meio de disseminar informações acerca da física e dos físicos. Por isso, sinta-se à vontade para publicá-la, se quiser, onde outros possam ler, desde que conceda o crédito ao AIP (American Institute of Physics = Instituto Americano de Física). O boletim Physics News Update é publicado, mais ou menos, uma vez por semana.
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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.
O Boletim de Notícias da Física do Instituto Americano de Física, número 783, de 30 de junho de 2006 por Phillip F. Schewe, Ben Stein, e Davide Castelvecchi Physics News Update
CANALIZANDO AS PROFUNDEZAS DO ELÉTRON. A cuidadosa observação de um elétron singelo em uma armadilha atômica, por um período de vários meses, resultou na melhor medição, até agora, do momento magnético do elétron e um valor mais preciso para "alfa", a constante de estrutura fina, o parâmetro que estabelece a força genérica da força eletromagnética. Os elétrons, é claro, fazem parte de todos os átomos e, como tais, são um essencial "tijolo" na construção do universo. E alfa é um membro importante do sistema de constantes fundamentais usadas para descrever a natureza. O elétron, muito menor do que o próton, e geralmente considerado como uma partícula puntual, é um objeto tão fundamental para estudos, quanto se possa desejar na física. Não obstante, a interação do elétron com o vácuo é qualquer coisa, menos simples. A teoria da eletrodinâmica quântica (Quantum Electrodynamics, QED) prediz que o elétron pulula perpetuamente com partículas virtuais – tais como fótons e pares posítron/elétron – que emergem brevemente do vácuo circundante. Na ausência dessas interações, o momento magnético do eléton (referido pela letra "g"), que relaciona o magnetismo do elétron com seu spin intrínseco, teria um valor de 2. Mas as medições diretas de "g" mostraram um valor ligeiramente diferente de 2. Quanto mais refinadas se tornaram essas medições, melhor se pode avaliar a natureza quântica do elétron e a própria QED. Além disso, se o elétron tivesse uma estrutura (da forma que os prótons, por exemplo, são constituídos por quarks), isso também apareceria nas medições de "g". Para obter o maior controle possível sobre o elétron e seu ambiente, Gerald Gabrielse e seus estudantes Brian Odom e David Hanneke, em Harvard, criaram um átomo macroscópico artificial, composto por um único elétron que executava uma trajetória infinita fechada, dentro de uma armadilha de eletrodos carregados – um eletrodo central positivamente carregado e dois eletrodos negativamente carregados, acima e abaixo – suplementados por bobinas que produziam um campo magnético. A combinação de forças elétricas e magnéticas mantinham o elétron em sua órbita "ciclotron" circular. Além desse movimento planar, o eletron oscilava para cima e para baixo verticalmente, na direção do campo magnético. O coração dessa experiência de Harvard é explorar esses dois movimentos – o movimento circular, que é conforme às regras quânticas, e o movimento vertical, que é conforme à física clássica – de uma nova maneira. Em primeiro lugar, a parte quântica. Como em qualquer átomo verdadeiro, este átomo artificial está sob o domínio das regras quânticas e o elétron cativo só pode possuir certas energias permitidas. Elétrons já foram confinados em armadilhas como essa, antes, mas essa nova experiência é a primeira em que o elétron pode residir em seu estado quântico ciclotrônico mais baixo. A aparelhagem faz isso controlando energias espúrias, tal como inibir o aquecimento de corpo negro do elétron, por meio da refrigerção do compartimento central a uma temperatura de 100 mK e pela inibição da emissão do próprio elétron por um engenhoso projeto da cavidade da armadilha atômica. O dispositivo todo funciona como ciclotron quântico mono-elétron. Segundo, a parte clássica. A experiência de Harvard é a primeira a introduzir um objeto microscópico para ajustar suas próprias oscilações, com base em suas interações com seu ambiente (ver sua publicação de um ano atrás: D'Urso et al., Physical Review Letters, 25 de março de 2005). O elétron, ao se mover verticalmente, induz uma mudança de voltagem extremamente pequena nos circuitos externos que alimentam os eletrodos. Ao sentir essa mudança, o circuito pode ajustar a voltagem dos eletrodos para ampliar ou reduzir as excursões para cima ou para baixo do elétron. Essa auto-excitação induzida por retroalimentação, se não for muito grande ou muito pequena, permite aos pesquisadores medirem uma freqüência de oscilação, a qual é, por sua vez, relacionada com o estado quântico do elétron. É esse quase total controle sobre os movimentos sobre os movimentos do elétron e a capacidade de medir os níveis de energia do ambiente quântico artificial do elétron que permite ao grupo de Harvard melhorar as medições de "g" em um fator de 6 sobre os trabalhos anteriores. A nova incerteza no valor, estabelecido em um artigo a ser publicado na Physical Review Letters, está agora em um nível de 0,76 partes por trilhão. Não menos importante do que "g" é alfa. Inserindo o novo valor de "g", e graças a cálculos de QED aperfeiçoados de altíssima precisão, os experimentadores e teóricos juntos determinaram um novo valor para alfa, um com uma precisão dez vezes melhor do que o obtenível por qualquer outro processo. Esta é a primeira vez que um valor mais preciso para alfa é anunciado, desde 1987. O novo alfa, publicado em um artigo seguinte na Physical Review Letters, tem uma incerteza de 0,7 partes por bilhão. O valor medido de "g" também pode ser usado para avaliar os hipotéticos componentes do elétron. Tais componentes, mostra o novo valor medido de "g", não podem ser menores do que 130 GeV. Com base nessa experiência, pode-se também impor um limite no tamanho do elétron; ele não pode ser maior do que 10-18m de diâmetro. Esses não são necessariamente os melhores limites no tamnho e na estrutura do elétron, mas é um trabalho que, patentemente, está no reino da física atômica de baixas temperaturas e não no reino dos aceleradores de partículas de altas energias, onde normalmente se mede as propriedades das partículas. A experiência com a armadilha de Harvard se prolongou por vinte anos e rendeu mais de meia dúzia de PhDs. De acordo com Gabrielse, um valor mais preciso para alfa deve (entre outras coisas) contribuir para o pendente ajuste das constantes fundamentais, dirigidas a redefinir o quilograma de forma a evitar o uso do atual peso, mantido dentro de um vidro em Paris. (Odom et al., e Gabrielse et al., em dois artigos a serem publicados na Physical Review Letters, website do laboratório em http://hussle.harvard.edu/~gabrielse/ )
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PHYSICS NEWS UPDATE é um resumo de notícias sobre física que aparecem em convenções de física, publicações de física e outras fontes de notícias. É fornecida de graça, como um meio de disseminar informações acerca da física e dos físicos. Por isso, sinta-se à vontade para publicá-la, se quiser, onde outros possam ler, desde que conceda o crédito ao AIP (American Institute of Physics = Instituto Americano de Física). O boletim Physics News Update é publicado, mais ou menos, uma vez por semana.
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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.
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