Como o bóson de Higgs transfere massa para o férmion?

Colisão de prótons em um experimento do Laboratório Europeu de Física de Partículas em busca do bóson de Higgs.

Por María Moreno Llácer
Publicado no El País

Para lhe dar uma resposta, preciso explicar primeiro o que é o bóson de Higgs e o que são férmions. Todos eles são partículas elementares ou fundamentais, ou seja, são partículas que não podem mais ser divididas. Nós e tudo o que observamos no universo são compostos de átomos que têm um núcleo cercado por elétrons. O elétron é uma daquelas partículas que não podem mais ser divididas. No entanto, o núcleo dos átomos é composto de prótons e nêutrons. E essas partículas podem ser divididas um pouco mais até chegarmos aos quarks, que não podem mais ser divididas. Os quarks, junto com os elétrons que estão fora do núcleo, são o que chamamos de férmions. Os férmions são as partículas que formam a matéria.

Na física fundamental, distinguimos entre dois tipos de partículas, por um lado esses férmions e, por outro lado, bósons. E essa distinção é feita de acordo com uma característica muito particular delas chamada spin. O spin é uma propriedade física, como carga elétrica, relacionada ao momento angular quântico. As partículas que compõem a matéria são férmions e têm um spin de ½. Por outro lado, temos bósons que têm um spin inteiro e que são as partículas responsáveis pela força, ou seja, que os férmions interagem uns com os outros. Poderíamos dizer que os bósons são a cola que liga os férmions.

Dentro dos bósons existem vários tipos de classes dependendo do tipo de força em que agem. Por um lado, há o fóton, responsável pela luz, pela interação eletromagnética; as partículas W e Z, responsáveis pela interação fraca, que é a força relacionada ao decaimento nuclear dos átomos; o terceiro tipo de bósons são os glúons, responsáveis pela interação forte, ou seja, a interação entre os quarks que são, como mencionei antes, um tipo de férmions; e existe um quarto tipo de bóson que é o bóson de Higgs. Fótons, partículas W e Z e glúons têm spin igual a 1. Mas o bóson de Higgs é o único que possui spin igual a 0.

Os férmions também são classificados em dois tipos, quarks e léptons. A primeira diferença entre eles é a carga elétrica, os quarks, dos quais existem seis tipos, sempre têm cargas fracionárias e são aqueles que constituem, por exemplo, os prótons e nêutrons que estão dentro do núcleo. Os léptons, dos quais existem seis outros tipos, têm carga elétrica negativa ou positiva se forem antipartículas ou carga 0, que é o mesmo que nulo. Os elétrons têm uma carga negativa e seus neutrinos correspondentes (uma partícula muito especial) não têm carga. Outra diferença entre eles é que os quarks têm uma carga de cor, o que significa que são afetados por uma interação forte, enquanto os léptons não são.

Como expliquei no começo, os férmions são o que constituem a matéria e os bósons são mediadores das forças. O bóson de Higgs é particular porque explica a origem da massa das partículas. Ou seja, é acoplado a outras partículas proporcionalmente à sua massa. O fóton responsável pela interação eletromagnética nos diz qual carga elétrica os férmions possuem; os bósons W e Z explicam o spin das partículas; os glúons nos dizem se os férmions têm ou não uma carga de cor: com quarks, que possuem uma carga de cor, eles interagem, mas com léptons, que não têm, eles não interagem.

O que dá massa às partículas não é o próprio bóson de Higgs, mas sua interação com o campo de Higgs. Este campo pode ser imaginado como um oceano que permeia todo o universo e no qual as partículas estão nadando. As partículas interagem com o campo de Higgs e adquirem massa. Este campo de Higgs requer uma partícula que a compõe e é o que chamamos de bóson de Higgs. Uma maneira de visualizá-lo é imaginar uma sala cheia de campos de Higgs e na qual uma pessoa entra. Essa pessoa, de acordo com sua massa, interagirá mais ou menos com esse campo de Higgs. Quanto maior a interação, maior será seu peso e sua massa. Mas essa massa não sai do bóson de Higgs, mas é uma troca de energia entre o férmion e o campo de Higgs.

A neuroimagem pode ler a mente?

Créditos: Merydolla / Adobe Stock.

Por Jamie Hale
Publicado na Center for Inquiry

Os métodos de neuroimagem ou varredura cerebral são utilizados para observar e manipular o cérebro e suas atividades. A neuroimagem também é útil para localizar lesões cerebrais. Existem vários métodos de neuroimagem, incluindo gravações elétricas, estimulação cerebral, imagem de raios-X e imagem dinâmica (Kolb e Whishaw 2009). A neuroimagem levou a importantes descobertas psicológicas e comportamentais e acelerou o progresso da neurociência. Os modernos dispositivos de neuroimagem permitem que os pesquisadores olhem mais para o cérebro do que nunca. Essas técnicas ajudaram a identificar correlatos cerebrais dos processos comportamentais, sociais e emocionais. Um dos métodos mais recentes é a ressonância magnética funcional (fMRI), e os estudos que a utilizam atraíram grande interesse financeiro e da mídia.

Imagem por ressonância magnética funcional

Tudo o que o cérebro nos permite fazer está associado a alterações no consumo de oxigênio e no fluxo sanguíneo regional. Ao se envolver em uma tarefa, regiões específicas do cérebro são ativadas e ocorre um aumento no fluxo sanguíneo e no oxigênio nessas regiões específicas. O aumento do fluxo sanguíneo e o aumento dos níveis de oxigênio são utilizados como proxies para o aumento da ativação das células cerebrais. Como Satel e Lilienfeld (2013) apontam, é importante incluir o termo aumentado ao descrever a ressonância magnética “porque todo o cérebro vivo está sempre ligado; o sangue está sempre circulando e o oxigênio está sempre sendo consumido. O único cérebro verdadeiramente silencioso é um cérebro morto”. A RMf é uma medida indireta para detectar a atividade cerebral, não mede diretamente a atividade elétrica.

A chave para detectar o aumento da atividade cerebral é medir a concentração de oxigênio dissolvido no sangue. Existe um poderoso ímã dentro da máquina de ressonância magnética que mede o influxo de sangue para áreas do cérebro. A concentração relativa de sangue oxigenado e com falta de oxigênio cria um sinal conhecido como resposta BOLD (dependente do nível de oxigênio no sangue). Quanto maior a proporção de sangue oxigenado para o sangue sem oxigênio em uma área específica, maior o consumo de energia nessa área (significando níveis mais altos de atividade). Ao medir a atividade cerebral, os participantes se envolvem em uma tarefa (como visualizar imagens visuais) e a atividade durante a tarefa é comparada à atividade que ocorreu enquanto se envolvia em uma tarefa de linha de base (como sentar com os olhos fechados e relaxando). O computador gera uma imagem mostrando regiões que se tornam mais ativas em uma condição em relação à outra.

A imagem final do cérebro vista em revistas ou na televisão geralmente representa os resultados médios de todos os participantes do estudo. A imagem não representa um cérebro individual em ação. As fotos utilizadas para ilustrar os estudos de neuroimagem costumam ser coloridas e atraentes para uma ampla audiência. Essas fotos são poderosas e, para muitos, representam uma visão não filtrada de nossos pensamentos mais profundos. De acordo com muitos jornalistas, os dispositivos de neuroimagem de alta tecnologia são a janela para nossos desejos, psicologias complexas, crenças e desejos (Jarrett 2015).

Neurociência incompreendida

Os avanços na neurociência levaram a uma melhor compreensão da função cerebral, dos processos cerebrais, da psicologia e do comportamento, tanto em animais humanos como em não humanos. Muitos dos avanços na neurociência podem ser atribuídos à neuroimagem dinâmica. Ser capaz de ver o cérebro em ação é algo emocionante e existe um futuro promissor. Para ser mais claro: esse artigo não é uma avaliação crítica da neurociência, mas uma discussão sobre o mau uso da neurociência. O mau uso da neurociência envolve a simplificação excessiva, má interpretação e aplicação prematura da ciência do cérebro a vários domínios, incluindo os domínios jurídico, comercial e clínico. Frequentemente, neuro– é um prefixo utilizado para persuasão.

Neuropersuasão é algo predominante. Acrescente a palavra neuro ao seu produto ou mensagem e observe seu valor aumentar. Nas palavras de um psicólogo cognitivo (parafraseado), se não conseguir persuadir os outros, use um neuroprefixo e a influência aumenta ou seu dinheiro volta (Jarrett 2015). Oferecer explicações relacionadas ao cérebro ou fotos de neuroimagem geralmente ajuda bastante a influenciar consumidores e participantes de pesquisas. Como exemplo, você provavelmente já viu fotos comparando cérebros de pessoas que consomem açúcar com cérebros de pessoas que consomem drogas. As fotos parecem semelhantes, portanto, de acordo com os proponentes, consumir açúcar é como tomar drogas viciantes. O consumo de açúcar pode ativar os mesmos mecanismos de recompensa do cérebro (via da dopamina referida como sistema de dopamina mesolímbica) que o consumo de drogas viciantes ativa. O problema com a reivindicação é a maneira como ela é apresentada e suas inferências são feitas em relação à reivindicação. As recompensas têm valor positivo e facilitam sentimentos de prazer e emoção positiva. Elas agem como reforçadores positivos. As recompensas não apenas levam à ativação do mecanismo de recompensa do cérebro, como também às expectativas ou à antecipação de recompensas. “O fluxo de dopamina é desencadeado pela expectativa mais simples de prazer, mesmo que o prazer não se materialize” (Kandel 2012). Os mecanismos de recompensa do cérebro são ativados quando gostamos de arte, experimentamos belas paisagens, somos expostos a rostos atraentes, ouvimos música agradável, somos expostos a humor ou novidade, dirigimos um carro esportivo e experimentamos amor romântico. O cérebro açucarado poderia facilmente ser chamado de cérebro amoroso. É uma simplificação drástica sugerir que, como o consumo de açúcar pode levar à ativação dos mecanismos de recompensa do cérebro, é semelhante ao uso de drogas.

Em um estudo, verificou-se que a simples inserção da frase “mostra de varreduras cerebrais” levou os estudantes de graduação a aceitar explicações logicamente falhas, derivadas de estudos de neuroimagem (Weisberg et al. 2008). Um estudo de estudantes universitários relatou que a inclusão de informações inúteis de neurociência na descrição de estudos aumentou a probabilidade dos participantes aceitarem explicações como lógicas (Schwartz et al. 2015).

A neuroimagem pode ser utilizada para diagnosticar distúrbios psiquiátricos? A maioria dos distúrbios psiquiátricos é diagnosticada com base em sintomas comportamentais e cognitivos. Os correlatos neurais dos distúrbios psiquiátricos não são suficientemente distintos para permitir um diagnóstico. Atualmente, não existem biomarcadores de neuroimagem que sejam clinicamente úteis para qualquer categoria de diagnóstico em psiquiatria. A neuroimagem combinada com outros níveis de análise pode ser útil em diagnósticos psiquiátricos, mas a neuroimagem por si só não é suficiente ao tentar identificar distúrbios.

O neuromarketing é uma área preocupada em usar os supostos recursos de leitura da mente da fMRI, no que se refere ao marketing e ao comportamento do consumidor. Uma publicação popular relata que esse tipo de marketing revolucionou a publicidade e o marketing. Uma revisão de neuromarketing, publicada na Nature Reviews Neuroscience, não suporta o progresso revolucionário feito pelo neuromarketing. Os autores da revisão concluíram que ainda não está claro se a neuroimagem fornece dados melhores do que outras estratégias de marketing (Ariely e Berns 2010). Há várias maneiras pelas quais a varredura cerebral pode complementar as estratégias de marketing existentes, mas isso não significa que possa substituir essas estratégias – nem significa que elas são superiores às estratégias atuais.

Dispositivos de neuroimagem não são dispositivos de leitura da mente. Como observou um pesquisador, “não estamos lendo a mente aqui. Não estamos realmente olhando seu cérebro e reconstruindo imagens em sua cabeça. Estamos lendo sua atividade cerebral e utilizando essa atividade cerebral para reconstruir o que você viu. E essas são duas coisas muito diferentes” (Nishimoto et al. 2011).

Seja cauteloso ao ler sobre estudos inovadores de neuroimagem. Os jornalistas costumam dar saltos lógicos em seus textos: inferindo a causalidade da correlação, assumindo que processos estritamente neurais são tudo o que é necessário para entender comportamentos e pensamentos complexos, e assumindo que os dados de neuroimagem são mais confiáveis do que os dados derivados de medidas cognitivas e comportamentais.

Referências

  • Ariely, D., and G. Berns. 2010. Neuromarketing: The hope and hype of neuroimaging in business. Nature Reviews Neuroscience 11(4): 284–292.
  • Jarrett, C. 2015. Great Myths of The Brain. Malden, MA: Wiley Blackwell.
  • Kandel, E. 2012. The Age of Insight: The Quest to Understand the Unconscious in Art, Mind, and Brain. New York, NY: Random House.
  • Kolb, B., and I. Whishaw. 2009. Fundamentals of Human Neuropsychology 6th edition. New York, NY: Worth Publishers.
  • Nishimoto, S., et al. 2011. Reconstructing visual experiences from brain activity evoked by natural movies. Current Biology 21(19): 1641–1646.
  • Satel, S., and S. Lilienfeld. 2013. Brainwashed: The Seductive Appeal of Mindless Neuroscience. New York, NY: Basic Books.
  • Schwartz, S.J., et al. 2015. The role of neuroscience within psychology: A call for inclusiveness over exclusiveness. American Psychological Association.
  • Weisberg, D.S., et al. 2008. The seductive allure of neuroscience explanations. Journal of Cognitive Neuroscience 20: 470–477.

Engenheiros desenvolvem chip de silício quântico estável a partir de átomos artificiais

Crédito: Universidade de Nova Gales do Sul.

Por Michelle Starr
Publicado na Science Alert

Os átomos artificiais recentemente desenvolvidos em um chip de silício podem se tornar a nova base para a computação quântica.

Os engenheiros da Austrália descobriram uma maneira de tornar esses átomos artificiais mais estáveis, o que, por sua vez, poderia produzir bits quânticos ou qubits mais consistentes – as unidades básicas de informação em um sistema quântico.

A pesquisa é baseada em um trabalho anterior da equipe, no qual eles produziram os primeiros qubits em um chip de silício, que poderia processar informações com mais de 99% de precisão. Agora, eles encontraram uma maneira de minimizar a taxa de erro causada por imperfeições no silício.

“O que realmente nos empolga em nossa pesquisa mais recente é que os átomos artificiais com um número maior de elétrons se tornam qubits muito mais robustos do que se pensava, o que significa que podem ser utilizados ​​com segurança para cálculos em computadores quânticos”, disse o engenheiro quântico Andrew Dzurak, pesquisador da Universidade de Nova Gales do Sul (UNSW) na Austrália.

“Isso é realmente significativo porque os qubits baseados em apenas um elétron podem não ser muito confiáveis”.

Em um átomo real, os elétrons giram em três dimensões ao redor de um núcleo. Essas órbitas tridimensionais são chamadas de invólucros de elétrons, e os elementos podem ter diferentes números de elétrons.

Os átomos artificiais – também conhecidos como pontos quânticos – são cristais semicondutores em nanoescala com um espaço que pode prender elétrons e limitar seus movimentos em três dimensões, mantendo-os no lugar de campos elétricos.

A equipe criou seus átomos utilizando um eletrodo de metal para aplicar tensão ao silício, atraindo elétrons sobressalentes do silício para o ponto quântico.

“Em um átomo real, você tem uma carga positiva no meio, sendo o núcleo, e os elétrons carregados negativamente são mantidos em torno dele em órbitas tridimensionais”, explicou o físico Andre Saraiva.

“No nosso caso, ao invés do núcleo positivo, a carga positiva vem do eletrodo que é separado do silício por uma barreira isolante de óxido de silício e, em seguida, os elétrons são suspensos embaixo dele, cada um orbitando em torno do centro do ponto quântico. Mas, em vez de formarem uma esfera, elas são dispostos em um disco”.

Quando a equipe cria átomos artificiais equivalentes ao hidrogênio, lítio e sódio, eles podem utilizar um único elétron como um qubit, a versão quântica de um bit binário.

No entanto, diferentemente dos bits binários, que processam informações em um dos dois estados (1 ou 0), um qubit pode estar no estado de 1, 0 ou ambos simultaneamente – um estado chamado de superposição – com base em seus estados de rotação. Isso significa que eles podem executar cálculos paralelos, em vez de fazê-los consecutivamente, tornando-os uma ferramenta de computação muito mais poderosa.

Isso foi o que a equipe demonstrou anteriormente, mas o sistema não era perfeito.

“Até agora, as imperfeições nos dispositivos de silício no nível atômico interromperam o comportamento dos qubits, levando a operações e erros não confiáveis”, disse o engenheiro quântico Ross Leon.

Então, a equipe aumentou a tensão no eletrodo, que atraiu mais elétrons. Esses elétrons, por sua vez, imitam átomos mais pesados, que possuem múltiplas camadas de elétrons.

“Nosso novo trabalho mostra que podemos controlar a rotação de elétrons nas camadas externas desses átomos artificiais para nos fornecerem qubits confiáveis ​​e estáveis”, disse Dzurak.

“Isso é realmente importante porque significa que agora podemos trabalhar com qubits muito menos frágeis. Um elétron é uma coisa muito frágil. No entanto, um átomo artificial com 5 elétrons ou 13 elétrons é muito mais robusto”.

A pesquisa foi publicada na Nature Communications.

Cientistas descobrem misterioso vírus com genes desconhecidos no Brasil

Créditos: Boratto et al., 2020, bioRxiv.

Por Peter Dockrill
Publicado na Science Alert

Os cientistas identificaram um vírus enigmático cujo genoma parece ser quase inteiramente novo para a ciência, povoado por genes desconhecidos que nunca haviam sido documentados em pesquisas virais.

O chamado Yaravírus, em homenagem a Yara – a rainha das águas na mitologia brasileira -, foi encontrado no Lagoa da Pampulha, um lago artificial em Belo Horizonte, Minas Gerais.

Embora o Yaravírus (Yaravirus brasiliensis) possa não ser algo sobrenatural, o vírus pode ser tão misterioso quanto a mitologia da ninfa da água.

Isso ocorre porque o vírus constitui “uma nova linhagem de vírus amebal com origem e filogenia intrigantes”, explica a equipe de pesquisa em um novo artigo sobre a descoberta.

Dois dos membros seniores dessa equipe – os virologistas Bernard La Scola, pesquisador da Universidade Aix-Marselha, na França, e Jônatas S. Abrahão, pesquisador da Universidade Federal de Minas Gerais – devem saber do que estão falando.

Há dois anos, a dupla ajudou a descobrir outra novidade viral que habita a água: o Tupanvírus, um vírus gigante encontrado em habitats aquáticos extremos.

Os vírus gigantes, em oposição à variedade comum, são chamados dessa forma por causa de seus enormes capsídeos (invólucros de proteínas que encapsulam virions – partículas de vírus).

Essas formas virais muito maiores só foram descobertas neste século, mas não são apenas notáveis ​​por seu tamanho. Eles também possuem genomas mais complexos, dando a eles a capacidade de sintetizar proteínas e, portanto, executar coisas como reparo de DNA, além de replicação, transcrição e tradução de DNA.

Antes da descoberta, pensava-se que os vírus não podiam fazer coisas assim, sendo consideradas entidades relativamente inertes e não-vivas, capazes apenas de infectar seus hospedeiros.

Agora, sabemos que os vírus são muito mais complexos do que se pensava, e nos últimos anos, os cientistas descobriram outros tipos de formas virais que desafiam de maneira semelhante nosso pensamento sobre como os vírus podem se espalhar e funcionar.

A nova descoberta, Yaravírus, não parece ser um vírus gigante, pois é composto por pequenas partículas do tamanho de 80 nm. Mas o que é notável é o quão aparentemente único é o seu genoma.

“Muitos dos vírus conhecidos da ameba compartilham muitas funções que eventualmente levaram os autores a classificá-los em grupos evolutivos comuns”, escrevem os autores.

“Ao contrário do que é observado em outros vírus isolados da ameba, o Yaravírus não é representado por uma partícula grande/gigante e um genoma complexo, mas, ao mesmo tempo, carrega um número importante de genes que anteriormente não haviam sido descritos”.

Em suas investigações, os pesquisadores descobriram que mais de 90% dos genes do Yaravírus nunca haviam sido descritos, constituindo o que são conhecidos como genes órfãos (também conhecidos como ORFans).

Apenas seis genes encontrados apresentavam uma semelhança distante com genes virais conhecidos, documentados em bancos de dados científicos públicos, e uma pesquisa em mais de 8.500 metagenomas publicamente disponíveis não deu pistas sobre o que o Yaravírus pode estar intimamente relacionado.

“Utilizando protocolos padrão, nossa primeira análise genética não conseguiu encontrar nenhuma sequência reconhecível de capsídeo ou outros genes virais clássicos no Yaravírus”, explicam os pesquisadores.

“Seguindo os atuais protocolos metagenômicos para detecção viral, o Yaravírus nem seria reconhecido como um agente viral”.

Quanto ao que é o Yaravírus, os cientistas só podem especular por enquanto, mas sugerem que pode ser o primeiro caso isolado de um grupo desconhecido de vírus amebal, ou potencialmente um tipo distante de vírus gigante que, de alguma forma, pode ter evoluído para uma forma menor.

De qualquer forma, está claro que ainda temos muito a aprender, dizem os pesquisadores.

“A quantidade de proteínas desconhecidas que compõem as partículas de Yaravírus reflete a variabilidade existente no mundo viral e o potencial de novos genomas virais que ainda precisam ser descobertos”, concluem os autores.

Os resultados foram publicados no bioRxiv.