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Através do espelho e o que nós encontramos por lá:

O inverso da matéria

Como sensores de silício — análogos aos que você tem na câmera do seu smartphone — estão ajudando pesquisadores a compreender de que é feito o nosso universo e como é a rotina dos cientistas brasileiros que procuram entender a antimatéria num dos principais experimentos do LHC, o maior colisor de partículas em operação no mundo.

Texto de autoria do GpexDC-Uniso*

Dentro de 27 km de tubos metálicos altamente instrumentados, sob a fronteira da Suíça com a França, feixes de prótons — uma das partículas elementares que constituem os núcleos dos átomos — giram rapidamente. E por “rapidamente”, nós queremos dizer muito rapidamente: cada próton completa mais de 11 mil voltas por segundo, chegando bem próximo à velocidade da luz, antes de se chocar com outros prótons vindo no sentido oposto. Dadas as proporções, esse choque é tão intenso que os prótons se estilhaçam em várias outras partículas, de vários tipos, semelhantes àquelas que existiram logo após o Big Bang, ou seja, a ocasião do próprio nascimento do universo. Muitos cientistas se ocupam em estudar essas colisões, inclusive muitos brasileiros; o problema é que muitas dessas partículas são tão instáveis que elas logo se transformam em outras (o que os pesquisadores chamam de decaimento) e, por isso, é preciso registrar os produtos desse decaimento logo após o choque entre os feixes de prótons.

Ao longo dessa estrutura colossal, que integra o LHC (Large Hadron Collider, na sigla em inglês), o maior colisor de partículas do mundo, são quatro os principais experimentos em operação: o ALICE, o ATLAS, o CMS e o LHCb, cada um voltado a responder suas próprias questões acerca da constituição de todas as coisas. Desses, é o último que tenta entender “o que foi que aconteceu depois do Big Bang que permitiu que a matéria sobrevivesse até hoje, dando forma ao universo em que nós habitamos”, conforme divulgação oficial.

“O LHCb é um dos quatro maiores e mais conhecidos experimentos conduzidos no LHC. Um dos seus objetivos é registrar o decaimento de um tipo específico de partículas: os mésons B, que podem nos ajudar a entender a diferença entre a matéria e a antimatéria”, explica o doutor em Física Leandro Salazar de Paula, coordenador do Laboratório de Física de Partículas Elementares do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio de Janeiro (IF-UFRJ), um dos brasileiros envolvidos no registro dessas partículas no LHC.

Em busca da antimatéria

Na literatura e no cinema, ela já foi chamada de a fonte de “energia do futuro”. Em Anjos e Demônios (2009), o filme baseado no romance homônimo, de Dan Brown, diz-se que ela é “mil vezes mais poderosa do que a energia nuclear” e que “alguns gramas bastariam para suprir a energia de uma grande cidade durante uma semana”. Ao fim da projeção, contudo, ela é usada simplesmente como explosivo, iluminando os céus de Roma. As empreitadas em busca da antimatéria — e suas possíveis aplicações — já motivaram inúmeras obras de ficção científica, mas o que os pesquisadores brasileiros da UFRJ e do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) — assim como da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio) e da Universidade Federal do Triângulo Mineiro (UFTM) — estão fazendo na Suíça está longe de ser ficção.

Segundo o doutor em Física Ignácio Bediaga, presidente do Conselho Técnico Científico da Rede Nacional de Física de Altas Energias (Renafae), a antimatéria é como se fosse o reflexo da matéria num espelho. “Se uma bailarina faz uma pirueta no sentido horário”, exemplifica ele, “quem a observar por meio de um espelho a verá rodando no sentido anti-horário. Isso também ocorre quando olhamos para um elétron e um pósitron (como é chamado o antielétron): o primeiro gira no sentido anti-horário, enquanto a antipartícula gira no sentido horário.” Suas cargas elétricas, da mesma forma, possuem polaridades opostas: enquanto um elétron tem carga elétrica negativa, o pósitron tem carga positiva. Essa propriedade que diferencia uma partícula de uma antipartícula é chamada de conjugação de carga e paridade, ou simplesmente CP.

Sabe-se, no entanto, que algumas partículas conseguem violar essa propriedade — ou seja, elas apresentam outras diferenças além do sentido de rotação e da polaridade da carga. São, portanto, assimétricas. Um dos poucos exemplos de violação de CP ocorre associado a uma partícula chamada quark b e entender melhor como se dá esse fenômeno pode, no fim das contas, ajudar a responder uma das grandes perguntas da Física contemporânea: por que existe mais matéria do que antimatéria no universo?

Acredita-se que matéria e antimatéria tenham surgido simultaneamente durante o Big Bang, a explosão cósmica que deu origem ao espaço-tempo (e, consequentemente, ao universo como nós o conhecemos). “Uma descrição simplificada da história do universo seria a seguinte: no início, houve uma explosão que deu origem a pares formados por uma partícula e sua antipartícula. Ou seja, foram criadas matéria e antimatéria, em quantidades iguais. Com o passar do tempo, os pares de partícula e antipartícula deveriam se reencontrar e se aniquilar. Dessa forma, não deveríamos ter matéria no universo, pois todas as partículas criadas deveriam ter se aniquilado, ou ao menos deveria haver uma quantidade igual de matéria e de antimatéria”, explica de Paula. Contudo, não foi isso que aconteceu; cerca de 14 bilhões de anos depois do Big Bang, a matéria é muito mais abundante do que a antimatéria e nós simplesmente não sabemos o porquê. A única explicação possível é que matéria e antimatéria tenham, de fato, propriedades diferentes. “Desde 1964, sabemos que isso ocorre, que quarks e antiquarks se comportam de forma ligeiramente diferente, mas essa diferença não é igual para todos os quarks. O que tem a maior diferença de comportamento é o quark b e, por essa razão, o seu estudo é o que tem maior possibilidade de indicar uma resposta para o problema.”

“Essa questão é seguramente um dos maiores problemas da Física na atualidade”, complementa Bediaga. “Por isso, devemos modificar alguns pontos nas leis atuais da Física, de forma a sermos capazes de explicar esse enorme problema que é o desaparecimento do ‘espelho do universo’, que seria a antimatéria”. Ele explica que a importância de realizar estudos com esses mésons reside justamente na ampliação do conhecimento sobre os fenômenos que envolvem a antimatéria: “a compreensão das suas múltiplas desintegrações e a dinâmica associada a elas interessa não só pelo estudo do que já sabemos, mas pelo descobrimento de novas fontes de assimetria, em outras reações além daquelas que já conhecemos”.

Sensores de silício: dos colisores de partículas à câmera do seu celular

Para chegar a essas respostas sobre a constituição do universo e a proporção entre matéria e antimatéria, um dos equipamentos essenciais é o detector de vértices, cuja função é identificar a trajetória daquelas partículas que são geradas após uma colisão. “Em geral, são criadas várias partículas ao mesmo tempo. Essas partículas se afastam do ponto de criação, cada uma descrevendo uma trajetória. A origem de todas essas trajetórias é chamada de vértice. O sub-detector responsável por determinar onde fica esse ponto é chamado de detector de vértices e, no caso do LHCb, esse detector se chama VeLo (da sigla em inglês para Vertex Locator)”, explica de Paula.

A cada segundo de operação no LHCb, nada menos do que 40 milhões de colisões entre prótons podem ocorrer. A tarefa do VeLo é identificar as partículas geradas, separando os mésons B das demais e identificando qual foi o caminho percorrido por elas. Tudo isso durante um tempo muitíssimo curto — na verdade, 40 vezes menos do que um milionésimo de um milionésimo de segundo. Além disso, antes de se transformar em outras partículas, os mésons B percorrem apenas alguns centímetros, o que significa que os detectores precisam estar próximos ao feixe de partículas. “Dentre todos os o sub-detectores de vértices já construídos, o  VeLo é o que opera mais próximo do ponto de colisão, com sensores de silício posicionados ao redor, a apenas 7 milímetros”, ele acrescenta.

Esses sensores de silício não são exatamente uma novidade e nem mesmo uma exclusividade de grandes experimentos científicos. Na verdade, é muito possível que você tenha alguns agora mesmo, perto de você. “Os detectores feitos de silício podem ser construídos em diferentes tamanhos e formas. Podem detectar partículas carregadas, mas podem também detectar luz, como nas câmeras fotográficas digitais e as dos próprios celulares, por exemplo. Na verdade, o fato de esses detectores serem leves e pequenos foi o que permitiu a existência de câmeras fotográficas tão compactas e ágeis”, destaca o pesquisador, lembrando que sensores desse tipo estão presentes, também, em scanners usados para a segurança de aeroportos e são usados até mesmo para estudar a estrutura de edificações.

Naturalmente, esse não é o único exemplo de como as tecnologias empregadas para os estudos das colisões de partículas podem estar presentes, também, em nosso cotidiano. ​“Talvez as pessoas não percebam no dia a dia o quão próximas estão da Física Experimental de Partículas”, acrescenta Diego Figueiredo, doutor em Física pela Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ), que atualmente participa de um dos outros quatro principais projetos do LHC, o detector CMS. “Pode-se comparar o nosso trabalho à Fórmula 1: as equipes desenvolvem tecnologia de ponta para competir e, em alguns casos, essas tecnologias são adaptadas para a indústria automotiva. O mesmo ocorre na pesquisa em ciência pura, cujo desenvolvimento tecnológico é imprescindível e pode gerar inovações para a sociedade”, diz ele, elencando algumas dessas inovações tecnológicas, como novos materiais tolerantes à radiação, sensores mais precisos e eficientes, novos chips eletrônicos desenvolvidos em larga escala, a optoeletrônica (circuitos que utilizam luz), sistemas de processamento computacional em nível global e muitos outros. “Tudo isso melhora a vida das pessoas diretamente, nos campos da instrumentação médica, da aviação, das comunicações e da computação, sem contar aquele que acredito ser o maior legado, que é a formação de pessoal e os vínculos científicos formados em diferentes níveis.”

No Brasil, voltando especificamente aos detectores de silício aplicados à detecção de partículas, há um longo histórico de trabalho no LHC, com sólidas perspectivas para o futuro. A ideia é que sensores cada vez mais rápidos e eficientes continuem sendo desenvolvidos, especialmente com a chegada da atualização do LHC — o chamado upgrade — que resultará em feixes de partículas mais intensos, demandando equipamentos que suportem radiação e temperaturas mais elevadas.

Rotina anual

O LHC opera num ciclo de doze meses que compreende, na maior parte do ano, períodos de tomadas de dados acrescidos de alguns dias reservados ao desenvolvimento operacional e à calibração. Sempre no começo de cada ano, dois a quatro meses são reservados para as correções e as melhorias, “uma espécie de revisão anual”, como diz de Paula.

“Durante os ciclos de tomada de dados, o detector — no nosso caso, o LHCb — tem de manter todos seus sub-detectores em operação. Para poder coletar dados de todas as colisões, o VeLo deve estar sempre em condições ideais. Para garantir que não haja falhas, temos os piquets, que são pesquisadores com treinamento específico que acompanham a tomada de dados realizando plantões de uma semana. Temos vários pesquisadores brasileiros desempenhando tal função. Durante essa semana, eles consultam regularmente os parâmetros técnicos (voltagens, corrente, temperatura etc.) dos sensores do VeLo e atuam sempre que algum deles sai do padrão. Essa pessoa também carrega um celular ligado 24 horas por dia e é chamada se algum alarme do VeLo é acionado. Quando isso ocorre, ele tem a função de corrigir o erro. Isso pode eventualmente ser feito remotamente, mas pode exigir um deslocamento imediato para o local do experimento”, explica.

Vale lembrar que o VeLo é formado por 44 sensores de silício em formato de semicírculo. Os feixes de partículas aceleradas passam pelo centro e, até que elas estejam devidamente estabilizadas, os sensores ficam posicionados a uma distância segura. Só então os detectores são aproximados mecanicamente, para identificar as trajetórias das partículas geradas pelas colisões. Finalmente, cada um dos sensores envia as suas medidas para um computador central que controla o VeLo. E não há uma única trajetória para cada colisão, de modo que 40 milhões de colisões equivalem a 1,6 bilhão de registros de trajetórias. É preciso não apenas garantir que o sistema esteja apto a registrar toda essa informação, mas também que os detectores estejam resistindo aos danos inerentes à operação. É um trabalho que exige monitoramento constante.

“As partículas detectadas são um tipo de radiação, e como tal, causam danos ao detector”, conta de Paula. “Devemos controlar esses danos, agir para revertê-los quando possível ou decidir substituir o detector quando não há outra solução. Como uma eventual substituição só pode ocorrer na parada do início de ano, não podemos correr o risco de ter sensores parando de funcionar no meio da tomada de dados. Para isso, fazemos estudos continuados sobre a evolução do comportamento dos sensores, para poder prever as substituições com antecedência. Outro problema é entender como as respostas do detector estão sendo comprometidas, para poder corrigir suas medidas.”

É esse monitoramento contínuo que evita acidentes e garante que os pesquisadores envolvidos entendam cada vez melhor os pormenores da detecção de partículas. “O monitoramento é uma atividade essencial para o aprimoramento dos detectores”, conclui.

Já há quase 30 anos, desde 1990, diversos grupos brasileiros de várias universidades e centros de pesquisa — entre os quais estão as equipes de pesquisadores da UFRJ e do CBPF — contribuem para os experimentos conduzidos no LHC. Especificamente em relação ao LHCb, os pesquisadores vêm participando tanto da construção dos detectores quanto das análises de dados obtidos em si. O CBPF, por exemplo, tem três projetos importantes: o primeiro relacionado à análise de dados envolvendo matéria e antimatéria; outro envolvendo a computação em grid, com 1.500 núcleos de processamento dedicados a contribuir com a rede internacional de processamento e armazenamento de dados do LHC; além da atuação no próprio upgrade, particularmente na instrumentação do detector de fibras cintilantes — um equipamento que, tal qual o detector de silício, tem como objetivo a detecção de trajetórias, porém cobrindo uma área maior —, num projeto que envolve um pesquisador dedicado, seis estudantes de pós-graduação e um técnico. Já quanto aos detectores de vértice, há pesquisadores brasileiros da UFRJ trabalhando nessa área desde 1993. Atualmente, a colaboração engloba tanto a operação do VeLO atual quanto a participação na construção do novo VeLo, que entrará em operação após o upgrade.

*Participaram dos processos de pesquisa e redação para esta reportagem os seguintes membros do Grupo de produção experimental em Divulgação Científica da Universidade de Sorocaba: André Fidalgo, Andressa Nogueira, Alexandre Meiken, Aline Albuquerque, Antony Isidoro, Francine Corrêa, Isa Feijó, Pâmela Ramos, Rodrigo Honorato e Vanessa Ferranti, sob coordenação e com a edição do prof. Me. Guilherme Profeta, em parceria com a Rede Nacional de Física de Altas Energias (Renafae).

CONTATOS:

Prof. Me. Guilherme Profeta (GpexDC-Uniso)

Email: guilherme.profeta@prof.uniso.br

Prof. Dr. Ignácio Bediaga (RENAFAE)

Email: bediaga@cbpf.br

Da Assessoria de Comunicação do Instituto de Física da USP:

Docente do Instituto de Física da USP é indicado como membro da Academia Mundial de Ciências (TWAS)

O Professor Sylvio Roberto Accioly Canuto, docente do Departamento de Física Geral do Instituto de Física da USP e membro da Academia Brasileira de Ciências, é indicado para ser membro do Conselho da TWAS.

Professor Sylvio Roberto Accioly Canuto do Instituto de Física. Foto: Marcos Santos/USP Imagens

O Prof. Sylvio Canuto é bacharel e mestre em Física pela Universidade de Brasília, fez o doutorado em Química Quântica (1979) pela Universidade de Uppsala (Suécia). Em 1989, concluiu o pós-doutoramento na Universidade da Flórida (E.U.A). Foi professor titular do Departamento de Física da UFPE, no período de 1989 a 1994. Atualmente, é professor titular do Departamento de Física Geral do Instituto de Física da USP. Foi professor visitante em mais de 20 diferentes instituições internacionais.

É membro titular da Academia de Ciências do Estado de São Paulo, da Academia Brasileira de Ciências e coordenador da Área de Astronomia e Física junto à CAPES, além de representante do CTC-ES no Conselho Superior na mesma agência. É autor ou co-autor de mais de 260 artigos publicados em periódicos científicos nacionais e internacionais, com mais de 3860 citações, e Fator H=32. O número médio de citações de seus artigos é atualmente 14,5. Sua especialidade em pesquisa está em Teoria de Muitos Corpos, Simulação Computacional e Modelagem Molecular, com ênfase no estudo de efeitos de solvente em espectroscopia e reatividade de líquidos moleculares. (Fonte: Currículo Lattes).

O nome do Professor Sylvio Canuto foi indicado por membros do Conselho do TWAS e deverá ser confirmado na próxima Assembleia Geral Ordinária. Segundo os critérios que foram aprovados em 2013 durante a 24ª Assembleia Geral da instituição, a adesão de novos membros e a consequente constituição da Academia se dará apenas de Sócios eleitos escolhidos por sua excelência científica, que alcançaram os mais altos padrões internacionais e contribuíram significativamente para o avanço da ciência.

Os candidatos à eleição como membros da TWAS podem trabalhar e viver em qualquer parte do mundo, caso sejam de países desenvolvidos têm que ajudar a promover a ciência nos países em desenvolvimento. Outros critérios para nomeação são idade (menos de 70 anos) e ser membro de uma academia de ciências em seu país de origem.

Somente os membros do Conselho da TWAS podem nomear candidatos e cada postulante deve ser indicado por dois membros. Os candidatos são avaliados por Comitês Consultivos de Membros (um para cada seção) e depois submetidos ao Conselho, que tem a incumbência de elaborar uma lista final de candidatos à eleição.

São eleitos os candidatos que recebem o voto favorável pela maioria dos membros presentes durante a Assembleia Geral. Em média, até 50 novos membros são eleitos e a adesão é para a vida toda.

Da Assessoria de Comunicação do Instituto de Física da USP:

Ao olhar para o céu, desde os primórdios, o homem se pergunta sobre a origem de todas as coisas. 

No capítulo III do famoso livro "Confissões", Agostinho de Hipona (Santo Agostinho), um dos grandes teóricos e ícones da Igreja Católica vai se perguntar "Onde está Deus?". Suas inquietações o levam a afirmar que a Divindade estava presente em todas as coisas, tanto nas maiores, como nas menores. 

Na dita Antiguidade Clássica, o grande pensador grego Heráclito de Éfeso, que viveu por volta do ano 500, a.C, vai falar de um Logos (razão-discurso), que  reunirá as tensões dos opostos em uma ideia de unidade fundamental. Essa noção de unidade fundamental, subjacente à multiplicidade aparente das coisas, vai ser fundamental nos séculos seguintes para a construção de um pensamento científico.

No Observatório Europeu Austral (ESO), no Chile, Bruno Dias, um astrônomo brasileiro, ex-aluno do IFUSP, mira o telescópio para o céu também com grandes expectativas de encontrar explicações para algumas das inquietações que nos afligem desde os primórdios.  

Abaixo, uma entrevista concedida por Bruno por e-mail diretamente do observatório, no Chile:

Bruno Moreira de Souza Dias (Bruno Dias)

Onde (local) você se criou? Onde estudou antes de entrar na USP? Conte um pouco sobre sua família, que formação tem/tinham seus pais? Fale um pouco sobre sua origem, formação inicial, etc.

R: Sou de São José dos Campos e estudei no colégio Olavo Bilac/Ayres de Moura, concluindo os estudos em 2003. Minha mãe é pedagoga aposentada e meu pai é empresário no ramo de confeitaria e buffet. Meus pais sempre priorizaram uma boa educação para mim e meus dois irmãos. Fizeram sacrifícios para pagar um bom colégio e os filhos conseguimos bolsa de estudos. Participei de olimpíadas de matemática, física e astronomia, e de clubes de ciência, ganhando medalhas a nível regional e nacional além de representar o Brasil no exterior. Minha cidade natal é polo científico e tecnológico, contando com o ITA e INPE, os quais tive a oportunidade de conhecer em detalhes naquela época. A formação sólida e as oportunidades que tive com o apoio da minha família foram os pilares da minha carreira de pesquisador, que começou em 2004 no Instituto de Física (IF) da Universidade de São Paulo (USP).

Como foi a decisão de prestar vestibular para USP? Por que Física?

R: Como muitos adolescentes que passam pela pressão de decidir sua vida com 18 anos ou menos, tive inúmeras conversas, discussões e aconselhamentos com minha família, professores e orientação vocacional. As opções estavam entre administração, engenharia e física/astronomia. Administração e engenharia foram opções baseadas nas minhas habilidades, mas eu não seria tão feliz seguindo esse caminho. Meu anseio por conhecimento da natureza e do Universo falou mais alto e decidi transformá-lo em carreira acadêmica. Desde o começo meu interesse era em Astrofísica, o que em 2004 significava fazer bacharelado em Física com habilitação em Astronomia. Durante o bacharelado em Física dediquei-me a projetos teóricos em relatividade restrita e também em física experimental e só tive mais certeza de que meu caminho era a Astrofísica, e então comecei a desenvolver projetos em 2005.

Como / por que foi a decisão / oportunidade de completar seus estudos no exterior? O que e onde você estudou? Há quanto tempo está no (país, local atual)?

R: Meu projeto de doutorado com a prof. Beatriz Barbuy, do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG) envolvia uma colaboração direta com o astrônomo Ivo Saviane do Observatório Europeu Austral (ESO, na sigla em inglês), no Chile. Apareceu a oportunidade de estágio de doutorado no ESO-Chile por um ano. Durante 2012 e 2013 trabalhei no ESO com meu projeto de doutorado, conheci muitos astrônomos e muitas portas foram abertas. Terminei o doutorado em 2014 com tese premiada pelo IAG e pela USP. Fiz um primeiro pós-doutorado na Universidade de Durham, na Inglaterra, no grupo do prof. Ray Sharples, líder do instrumento KMOS instalado nos telescópios do ESO. Novamente o ESO cruzou meu caminho e vi que as portas que abri antes deram resultados. Hoje sou fellow do ESO e lidero meus projetos de pesquisa, além de ser astrônomo de suporte dos telescópios terrestres mais poderosos do mundo.

No contexto dos seus estudos/trabalho no (local onde estuda/trabalha) como você avalia a formação obtida no IFUSP?

R: Se o colégio foi o pilar para decidir minha carreira, o bacharelado no IFUSP foi a base para construir minha carreira. Todo astrofísico é um físico por formação, especializado em temas de astronomia. Eu não poderia ter seguido adiante com a pós-graduação e pós-doutorado sem a física. Em particular, alguns conhecimentos específicos da graduação que aplico no meu trabalho atual direta ou indiretamente são: óptica, mecânica quântica, termodinâmica, eletromagnetismo, métodos de física experimental, além de estatística, programação, astrofísica estelar, galáctica e extragaláctica.

Quais são os principais temas de pesquisas/estudos que você está realizando atualmente? Onde?

R: Minha linha de pesquisa é sobre populações estelares e arqueologia galáctica. Em particular, estudo aglomerados de estrelas, que funcionam como fósseis para reconstruir a história da evolução química e dinâmica das galáxias às quais pertencem. No momento estou focado nos aglomerados da Via Láctea e das Nuvens de Magalhães. Existem dois cenários para a evolução dinâmica das Nuvens de Magalhães: o clássico diz que essas duas galáxias orbitam a Via Láctea e que as forças de maré entre as três galáxias foram responsáveis por formar as estruturas de gás e estrelas nas periferias das Nuvens. Um cenário moderno diz que as Nuvens estão em seu primeiro encontro com a Via Láctea e apenas as interações de maré entre as duas Nuvens é suficiente para criar as estruturas de gás e estrelas. Eu estudo os aglomerados de estrelas das Nuvens e com eles traço a composição química e construo um mapa 3D de sua distribuição tudo isso em função do tempo, o que torna possível mostrar a evolução dos efeitos das forças de maré. Esse projeto recebe o nome de VISCACHA e usamos o telescópio SOAR, fruto da parceria do CNPq com os americanos NOAO, UNC e MSU.

Há colaboração entre a instituição em que está atuando e a USP? Se sim, por favor, descreva.

R: Individualmente há muitos cientistas da USP e do ESO que desenvolvem colaborações em diversas áreas da Astrofísica. Em termos de projetos tecnológicos, o espectrógrafo CUBES é uma parceria entre ESO, IAG/USP e LNA/MCTIC. Este instrumento deveria ser instalado em um dos telescópios de 8.2m do observatório Paranal do ESO, no Chile. Este projeto é parte do acordo assinado entre Brasil e ESO em 2010 no qual o Brasil se tornaria o 16o país membro. O contrato foi aprovado pelo congresso e senado e aguarda ratificação do presidente da República.

Quais são os seus projetos para 2018? E na área em que você atua quais são as inovações que você consegue antever?

R: Em 2018 continuo a fellowship do ESO desenvolvendo meus projetos científicos e servindo a comunidade científica operando os telescópios do observatório Paranal. Em termos de inovação, sou um dos responsáveis por atualizar a linguagem de programação usada nos telescópios do Paranal para python. Os telescópios estão em operação há 20 anos, e apesar de haver manutenção diária e atualização dos sistemas e componentes usados, a base dos softwares e scripts usados nas operações ficariam obsoletos em alguns anos mais. Python é usado na NASA, será usado no maior telescópio do mundo (ELT) em construção pelo ESO, e muitos cientistas usam e desenvolvem ferramentas nessa linguagem. Esse movimento de inovação pertence a um contexto maior: os telescópios modernos produzirão terabytes de dados por noite e os desafios são armazenar, transferir e processar. É importante estar atualizado em programação para trabalhar de modo mais eficiente nessa nova era do big data.

Avaliando a sua experiência quais são as vantagens e desvantagens de trabalhar e realizar pesquisas no exterior?

R: No caso específico da Astrofísica, é crucial manter colaborações científicas internacionais e ganhar visibilidade e prestígio por trabalhos feitos rigorosamente e com impacto. Além disso, os telescópios atuais custam muito e são possíveis graças às colaborações intergovernamentais. Trabalhar no exterior abre portas tanto individualmente quanto para o Brasil. A desvantagem de trabalhar no exterior é pessoal, em outras palavras, a distância da família e amigos.

Pretende voltar para o Brasil? Por quê?

R: Como disse acima, minha presença no exterior abre portas e fortalece a carreira. Meu próximo passo é buscar uma posição permanente como pesquisador em uma universidade ou observatório. Se o Brasil oferecer um bom contrato eu voltaria. No momento mantenho colaborações com pesquisadores da USP e de várias outras universidades brasileiras e ofereço oportunidades para seus estudantes trabalharem comigo no exterior, ganhando experiência e abrindo portas.

Da Assessoria de Comunicação do Instituto de Física da USP:

Trabalho resultante de colaboração firmada entre as Universidades de São Paulo e de Princeton é destacado pelo American Institute of Physics

Artigo liderado por ex-aluno de doutoramento do IFUSP promove entendimento inédito sobre instabilidades que colocam em risco o funcionamento de futuros reatores a fusão nuclear. A descoberta foi recentemente comprovada através de experimentos específicos realizados na maior máquina tokamak dos EUA.

Entre as várias aplicações da Física de Plasmas, destaca-se a pesquisa que visa a viabilidade do uso da fusão termonuclear controlada como uma futura fonte de energia limpa e praticamente ilimitada. Encontra-se em construção no sul da França o experimento ITER, formado por um consórcio internacional e atualmente orçado em cerca de 20 bilhões de euros. O empreendimento ITER, cuja configuração toroidal é conhecida como tokamak, recentemente alcançou a marca de metade de sua construção concluída.

O confinamento de íons rápidos (íons com energias muito maiores que a energia térmica) é considerado um dos pontos cruciais para que o ITER alcance o breakeven (quando a energia gerada pelas reações de fusão consegue compensar a energia necessária para se aquecer o plasma) e, com isso, mostrar a viabilidade científica de reatores a fusão nuclear.

Plasmas são formados por partículas carregadas eletricamente e, por isso, respondem aos estímulos eletromagnéticos. A combinação entre seu comportamento como um fluido e de sua resposta a campos magnéticos aplicados rende ao plasma um modo próprio de oscilação conhecido como modo de Alfvén. Este modo, ou onda, foi previsto em 1942 e rendeu a Hannes Alfvén, o Prêmio Nobel de Física de 1970. As ondas de Alfvén podem interagir ressonantemente com os íons rápidos (através do mecanismo conhecido como amortecimento de Landau) de maneira instável e gerar a indesejável ejeção dessas partículas para fora do plasma, o que compromete a continuidade das reações de fusão nuclear. A forma pela qual os íons rápidos são tipicamente ejetados, de maneira difusiva ou convectiva, é diretamente relacionada à forma espectral de oscilação das ondas de Alfvén (tipicamente com frequência quase-estacionária ou com frequência variando rapidamente, num processo chamado chirping, respectivamente).

O controle e, consequentemente, a mitigação da amplitude de tais instabilidades é uma das principais pautas de pesquisa associadas ao experimento ITER. Caso a perda de partículas seja substancial, o funcionamento do reator fica altamente comprometido. Apesar de haver um entendimento teórico genérico de que a evolução dessas ondas está relacionada à capacidade de se manter “pacotes” coerentes de partículas ressonantes no plasma, nunca existiu entendimento em relação aos fatores-chave que determinam a natureza da evolução das ondas em experimentos reais de tokamaks. O mecanismo que afeta a transição de ondas de Alfvén entre as duas respostas espectrais típicas foi recentemente identificado dentro da colaboração “Unveiling Efficient Ways to Relax the Energetic Particle Profiles due to Alfvenic Eigenmodes in Burning Plasmas”, liderada pelo Prof. Ricardo Galvão, do Laboratório de Física de Plasmas da USP, e pelo Dr. Nikolai Gorelenkov, do Laboratório de Física de Plasmas de Princeton.

Os pesquisadores, utilizando teoria e simulações computacionais, predisseram que a turbulência que afeta a dinâmica dos íons rápidos (normalmente não contabilizada em estudos da área) seria o fator-chave para o comportamento das ondas de Alfvén. A comparação com os dados experimentais disponíveis até então mostrou que esta seria uma explicação condizente com as observações. Interessados em testar a fundo a predição reportada no artigo publicado na revista Physics of Plasmas, pesquisadores do maior tokamak dos EUA, o DIII-D, propuseram e realizaram experimentos específicos em que puderam variar os níveis de turbulência do plasma.

Os resultados mostraram que as oscilações em forma de chirping são comuns em descargas com baixa turbulência e raras em condições de alta turbulência, em consonância com o modelo proposto pelo Dr. Vinícius Duarte em sua tese de doutoramento. Verificou-se, portanto, que de fato a turbulência é mediadora da natureza espectral das ondas. A descoberta permitirá antecipar os cenários esperados para o ITER, além de direcionar esforços de modelagem específicos de tais cenários.

Referências:

Scilight do American Institute of Physics: http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5018736

Artigo: http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5007811

Contatos:

Vinícius N. Duarte – E-mail: vduarte@pppl.gov

Ricardo M. O. Galvão – E-mail: rgalvao@if.usp.br

A pesquisa aqui reportada ocorreu dentro da colaboração USP-Princeton “Unveiling Efficient Ways to Relax the Energetic Particle Profiles due to Alfvenic Eigenmodes in Burning Plasmas” e recebeu apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), através dos processos 2012/22830-2 e 2014/03289-4, e do Departamento de Energia dos EUA, através dos contratos DE-AC02-09CH11466 e DE-FC02-04ER54698.