Workshop and course discussed the development of softwares for scientific research in different areas

The ICTP-SAIFR held, between the 13^th and 30^th of April, an external event of ICTP-Trieste dedicated to advanced techniques in scientific computing. During this period, there was a two-week workshop aimed at researchers of different areas and a one-week course dedicated to Particle Physics. The event was organized with the Scientific Computing Center (NCC) of Unesp and included the presence of international speakers, such as Ivan Girotto from the ICTP-Trieste.

“One of our main objectives was to improve the understanding of software development for science,” says Girotto. “We wanted to spread the knowledge we have, especially with young researchers, as scientific computing is becoming increasingly important and is currently applied in different areas of science.”

Workshop       

The workshop was aimed at scientists of different fields who use scientific computing techniques in their research. Among the main examples of applications are the development of climate models and models in Biophysics and Particle Physics. The event had both theoretical lectures and practical classes, in which participants developed projects to apply the knowledge acquired throughout the course.

“Over the first two weeks, we tried to teach the participants the fundamental concepts of scientific programming using, among other tools, the Python programming language,” explains Gabriel von Winckler, one of the organizers of the event from the NCC. “Our goal was to enable them to build scientific applications using this language.”

Furthermore, the Workshop also stimulated cooperation between universities and researchers from different countries. The event has had two editions held in ICTP-Trieste and proved fruitful to encourage new partnerships and ideas.

“The participants continued to collaborate and work together on projects after the end of the events,” says Girotto. “The first edition of the workshop led to the creation of an independent event related to electronic structures, for example.”

Particle Physics

The course that followed the two-week workshop was dedicated to the application of scientific computing in Particle Physics. In this area, high performance computing is essential to simulate complex particle collisions made in large accelerators, and also to process all the information generated by the experiments. Part of the processing of the LHC data, the largest particle accelerator in the world which was recently reactivated, is done at SPRACE, a computing structure located in NCC.

Workshop e curso abordaram o desenvolvimento de softwares voltados para pesquisas científicas de diversas áreas

O ICTP-SAIFR realizou, entre os dias 13 e 30 de abril, um evento externo do ICTP-Trieste dedicado a técnicas avançadas em computação científica. Durante esse período, foi realizado um workshop de duas semanas, voltado para pesquisadores de diferentes áreas, e um curso de uma semana, dedicado à Física de Partículas. O evento foi organizado juntamente com o Núcleo de Computação Científica (NCC) da Unesp, e contou com a presença de palestrantes internacionais, como Ivan Girotto, do ICTP-Trieste.

“Entre os nossos principais objetivos estava melhorar a compreensão sobre o desenvolvimento de softwares para ciência”, diz Girotto. “Queremos disseminar o conhecimento que temos principalmente para jovens pesquisadores, pois a computação científica tem se tornado cada vez mais importante e é aplicada atualmente a diversas áreas da ciência”.

Workshop

O Workshop teve como alvo cientistas de diferentes áreas que utilizam técnicas de computação científica em suas pesquisas. Entre os principais exemplos de aplicação estão o desenvolvimento de modelos de previsão climática e modelos em biofísica e física de partículas. O evento contou com palestras e aulas práticas, no qual os participantes desenvolveram projetos para aplicar o conhecimento adquirido ao longo do curso.

“Ao longo das duas primeiras semanas, tentamos passar para os participantes conceitos fundamentais de programação científica utilizando, entre outras ferramentas, a linguagem de programação Python”, explica Gabriel von Winckler, um dos organizadores do evento, do NCC. “Nosso objetivo era fazer com que eles conseguissem construir aplicações científicas usando essa linguagem”.

Além disso, o Workshop também estimula a colaboração entre pesquisadores de diferentes universidades e países. O evento já teve duas edições realizadas no ICTP-Trieste e se mostrou frutífero para encorajar novas parcerias e ideias.

“Vemos que os participantes continuam conversando e trabalhando em projetos juntos após a realização dos eventos”, diz Girotto. “A primeira edição do Workshop levou à criação de um evento independente relacionado a estruturas eletrônicas, por exemplo”.

Física de Partículas        

O curso que seguiu as duas semanas de Workshop foi dedicado à aplicação da computação científica em Física de Partículas. Nessa área, a computação de alta performance é fundamental para realizar simulações complexas de colisão de partículas feitas em grandes aceleradores, e também para o processamento de toda a informação gerada pelos experimentos. Parte do processamento dos dados do LHC, maior acelerador do mundo que foi recentemente reativado, é realizado no SPRACE, uma estrutura de computação localizada no NCC.

Maior acelerador de partículas do mundo foi ligado em abril e pretende começar nova etapa de coleta de dados em junho

Operadores do LHC confirmam a primeira circulação de feixes de prótons pelo acelerador após dois anos (Imagem: Maximilien Brice/CERN)

O Large Hadron Collider (LHC), maior acelerador de partículas do mundo, voltou a ser ligado nesse mês de abril após um período de dois anos de manutenção e aprimoramentos. Apesar de ainda não estar pronto para realizar colisões, no último dia 5 dois feixes de prótons circularam pelo equipamento com uma energia relativamente baixa. A previsão é que a coleta de dados comece no mês de junho, com uma energia de 13 TeV – o que superaria o recorde de 8 TeV estabelecido pelo próprio LHC.

Entre os principais objetivos dos pesquisadores para essa segunda etapa está aprofundar os estudos sobre o Bóson de Higgs e descobrir novas partículas que não pertençam ao Modelo Padrão.

Bóson de Higgs

Na primeira fase de experimentos do acelerador, o Bóson de Higgs foi descoberto – era a última partícula do Modelo Padrão que ainda não havia sido detectada. Sua massa foi calculada com uma boa precisão: 125 GeV, com um erro de 0,21 para mais ou para menos. Entretanto, ainda há muito para se descobrir sobre essa partícula.

“O LHC tentará fazer medidas mais precisas das propriedades do Bóson de Higgs e de como ele interage com outras partículas”, diz Gero von Gersdorff, pós-doutorando do ICTP-SAIFR. “A maneira como ele decai, por exemplo, pode trazer mais informações. Além disso, um grande problema em Física de Partículas é explicar por que a massa do Bóson de Higgs é tão pequena. Muitos físicos acreditam que a explicação para isso está em uma das teorias que tentam complementar o Modelo Padrão”.

Além do Modelo Padrão

Com o Modelo Padrão completo, qualquer nova partícula descoberta exigirá uma extensão do modelo. Entre as teorias mais estudadas atualmente que propõem essa extensão estão a Supersimetria e a Teoria do Higgs Composto. Na Supersimetria, todas as partículas do Modelo Padrão possuem uma partícula com massa e carga elétrica equivalentes, porém com spin diferente. Na Teoria do Higgs Composto, o Bóson de Higgs não é uma partícula fundamental, ou seja, ele é composto por outras subpartículas. Com energias mais altas, o LHC poderá detectar partículas com massas maiores e fornecer as primeiras evidências experimentais para uma dessas teorias.

“As partículas supersimétricas teoricamente mais fáceis de serem detectadas são os squarks e os gluínos, pares supersimétricos dos quarks e glúons, respectivamente”, diz Alberto Tonero, pós-doutorando do ICTP-SAIFR. “Na verdade, a detecção dessas partículas já era esperada na primeira etapa de experimentos do LHC. No modelo atual, então, a supersimetria não seria exata, pois as partículas que procuramos teriam uma massa maior. Caso elas sejam detectadas agora e sua natureza supersimétrica seja confirmada, apesar de não comprovar a teoria da Supersimetria, será um forte indício de que ela está correta”.

A segunda fase de experimentos do LHC será realizada até 2018, quando o acelerador será desligado novamente. Uma terceira fase já está confirmada, e deverá começar em 2020 ou 2021.

The world’s largest particle accelerator was turned on in April and is expected to start collecting data in June

LHC operators confirm the first circulation of beams in the accelerator after two years (Image: Maximilien Brice/CERN)

The Large Hadron Collider (LHC), the largest particle accelerator in the world, was turned on again this month after a two-year period of maintenance and upgrades. Although not yet ready to make collisions, on the 5^th of April two proton beams circulated in the equipment with relative low energy. Data collection is expected to homework writing begin in June, with an energy of 13 TeV – which would increase the LHC’s own record of 8 TeV.

Among the main objectives of the researchers for this second run is to further study the Higgs Boson and to discover new particles that are not predicted by the Standard Model.

Higgs Boson

In the first run of the accelerator the Higgs boson was discovered – it was the last particle of the Standard Model that had not been detected yet. Its mass was calculated with good precision: 125 GeV with an error of 0.21 for more or less. However, there is still much to learn about this particle.

“The LHC will try to make more precise measurements of the Higgs Boson properties look here http://samedayessays.org/buy-essay/and how it interacts with other particles,” says Gero von Gersdorff, postdoctoral at ICTP-SAIFR. “The way it decays, for example, can provide more information. Furthermore, a great problem in particle physics is why the mass of the Higgs is so small. Many physicists expect that this should be explained by a theory beyond the Standard Model”.

Beyond the Standard Model

With the Standard Model complete, any new particle that is discovered will require an extension of the model. Among the most studied theories that propose such extensions are Supersymmetry and the Composite Higgs models. In Supersymmetry, all Standard Model particles have a partner particle with the same physical properties, but with different spin. In Composite Higgs models, the Higgs Boson is not a fundamental particle, that is, it consists of other sub-particles. With higher energies, the LHC will be able to detect particles with larger masses and provide the first experimental evidence for these theories.

“The supersymmetric particles that are theoretically easier to detect are the squarks and gluinos, supersymmetric partners of quarks and gluons, respectively,” says Alberto Tonero, postdoctoral at ICTP-SAIFR. “In fact, the detection of these particles was expected in the first LHC run. That means that in the current model the supersymmetry wouldn’t be exact for paper editing writing, as the particles that we are looking for would have a bigger mass. If they are detected now and their supersymmetric nature is confirmed, although it will not prove Supersymmetry, it will be a strong evidence that it is correct.”

The second phase of LHC experiments will be held until 2018, when the accelerator will be turned off again. A third phase is already confirmed and should start in 2020 or 2021.

Pesquisador do IFT é um dos criadores do site Águas Futuras, que faz previsões sobre os níveis de água do sistema Cantareira

Roberto Kraenkel é físico e pesquisador no Instituto de Física Teórica da Unesp. Com o colega Paulo Inácio Prado, biólogo da USP, e o pós-doutorando Renato Mendes Coutinho, criou o site Águas Futuras, que faz previsões sobre os níveis de água do Sistema Cantareira. A página da Internet foi colocada no ar dia 14 de abril, e é muito mais do que um modelo matemático para saber se o volume do Cantareira irá aumentar ou diminuir nos próximos dias; é, também, uma tentativa de tornar mais qualificada a discussão sobre um gravíssimo problema que afeta a maior cidade do país, e de mostrar como a ciência pode contribuir para resolvê-lo, evitar novas crises e melhorar a gestão de recursos hídricos do estado e do país.

Conheça o site Águas Futuras: http://cantareira.github.io/

Ricardo Aguiar – Prof. Kraenkel, como surgiu a ideia de fazer esse projeto?

Roberto Kraenkel – Ao longo do ano passado, acompanhamos a grave crise de água que afetou, e ainda está afetando, a cidade e o estado de São Paulo. Percebemos que as discussões a respeito desse assunto eram extremamente desqualificadas. Queríamos entender melhor esse problema e tentar contribuir para tornar essa discussão pública mais qualificada.

Como trabalhamos com modelos matemáticos, buscamos entender a dinâmica de um reservatório de água – por exemplo, a taxa de absorção de água depende do volume do sistema naquele momento? Quais são os fatores mais importantes para prever e evitar crises como essa?

RA – Como funciona o modelo que criaram?

RK – Para construir o modelo usamos dados do Sistema Cantareira. O volume de água do sistema depende da quantidade de água que entra – a vazão afluente – e da quantidade de água que sai – a vazão efluente.

A quantidade que entra depende das chuvas, mas depende também do volume do sistema. Quando cheio, o sistema absorve mais água – a chuva cai diretamente na água do reservatório. Quando vazio, o sistema absorve menos água – a chuva cai também sobre o solo, que a absorve.

A quantidade que sai depende de quanta água a Sabesp retira por dia. Essa quantidade antes da crise era, em média, de 33m³/s. Com a crise, passou para 14m³/s. Embora não se fale em racionamento, fica claro que a Sabesp está enviando menos água para abastecer a cidade.

Para fazer as projeções, nos baseamos nas taxas de chuva de anos anteriores. Fizemos projeções baseadas em três cenários: com as chuvas desse ano se mantendo na média dos anos anteriores; com as chuvas desse ano ficando abaixo da média; e com as chuvas desse ano ficando acima da média. Desse modo, contemplamos desde o cenário mais pessimista até o cenário mais otimista.

RA – Como está a atual situação do Sistema Cantareira e quais as previsões mais otimistas e pessimistas?

RK – O Sistema Cantareira ainda não conseguiu recuperar o volume morto utilizado na crise.

O volume morto representa cerca de 22,6% do volume total do sistema. Atualmente, o Cantareira está com pouco mais de 15% de seu volume. Isso significa que precisamos subir mais 7 pontos percentuais para recuperarmos o volume morto.

Para manter nossas projeções precisas, fazemos previsões para no máximo 30 dias. No momento, a previsão mais otimista para daqui um mês é que o Sistema Cantareira esteja com 17,6% de sua capacidade. O mais pessimista é que esteja com apenas 12,9%.

Todas as outras projeções podem ser encontradas em nosso site.

RA – Como foi acessar os dados da Sabesp?

RK – Tivemos muita dificuldade para acessar os dados da Sabesp. Todas as informações estão disponíveis em uma página da Internet, porém não há links para essa página. Conseguimos achá-la através de contatos que temos, e se não fosse por isso não teríamos conseguido fazer o modelo.

Gostaríamos de usar esse modelo para fazer projeções para outros reservatórios também, mas é justamente pela dificuldade de acessar informações que ainda não conseguimos. Em outros estados, simplesmente não há dados disponíveis.

RA – Quais os próximos passos do projeto?

RK – Gostaríamos de elaborar um modelo que pudesse prever crises com antecipação.

O Cantareira tinha um sistema que previa crises. Até o início de 2014, esse sistema não indicava crise alguma. Hoje sabemos que ele estava errado e falhou.

Entretanto, volto a dizer que nosso objetivo é tornar a discussão pública sobre esse gravíssimo problema mais qualificada. Criamos um site, totalmente público, para que todos possam ter acesso a essa informação. Não queríamos simplesmente publicar mais um artigo científico; queríamos contribuir para a resolução de um problema na sociedade.

Teoria, proposta por Albert Einstein em 1915, revolucionou a Física e mudou a maneira de entender o espaço, o tempo, a luz e o universo

A Teoria da Relatividade Geral, proposta por Albert Einstein em 1915, revolucionou a Física e mudou a maneira como nós entendemos o espaço, o tempo, a luz e o universo. Cem anos depois ela continua a ter uma importância fundamental, e prevê fenômenos, como as ondas gravitacionais, que foram detectadas indiretamente apenas na década de 70. Entretanto, há observações que a teoria não explica. Além de ser incompatível com a Mecânica Quântica, a Relatividade Geral não prevê a expansão acelerada do universo e não descreve corretamente a velocidade de rotação de estrelas em torno do centro de galáxias. A melhor solução para esses mistérios são a energia escura e a matéria escura, substâncias cujas existências ainda não foram comprovadas.

“Matéria escura e energia escura são maneiras de entender certas anomalias”, diz Scott Dodelson, pesquisador norte-americano do Fermilab e professor na Universidade de Chicago. “Na verdade, elas podem nem mesmo existir. Pode ser que a nossa compreensão da gravidade esteja errada e que a teoria da Relatividade Geral precise ser modificada para que possamos entender o que observamos. Atualmente, uma pergunta fundamental é: será que precisamos modificar a teoria ou será que essas substâncias realmente existem?”

Matéria e energia escura

Uma das anomalias citadas por Dodelson é a velocidade com que estrelas giram em torno do centro de galáxias. A velocidade real é maior do que a prevista pela teoria para a quantidade de matéria que conseguimos ver – a matéria gera força gravitacional, responsável pelo movimento das estrelas. Quanto mais matéria, maior a velocidade de rotação.

Recentemente esse fenômeno foi comprovado também entre o Sol e o centro da Via Láctea. O trabalho foi feito por Fabio Iocco, do IFT/Unesp e do ICTP-SAIFR, em colaboração com pesquisadores europeus.

Foto da Via Láctea vista do hemisfério sul; o círculo azul no centro ilustra onde haveria matéria escura, de acordo com o estudo de Iocco.

“Há uma possibilidade de a matéria escura não existir, mas, para mim, ela é atualmente a melhor explicação, pois descreve o problema para diferentes escalas e corpos astronômicos”, diz Iocco. “Não sabemos exatamente o que ela é, mas sabemos que é matéria, por gerar força gravitacional, e que não interage com luz. Acredito que nosso trabalho contribuirá com estudos que buscam compreender o que a matéria escura realmente é e como ela está distribuída no universo”.

Outra anomalia é a aceleração de expansão do universo. Para a Relatividade Geral o universo não poderia estar acelerando, pois a matéria como a conhecemos atrai outros corpos, o que desaceleraria a expansão. Os físicos atribuem a aceleração à chamada energia escura, que continua a ser um mistério para a ciência.

 Ondas gravitacionais

Uma das previsões corretas da Relatividade Geral são as ondas gravitacionais. Antes da teoria, acreditava-se que o efeito da gravidade era instantâneo. Para isso, a velocidade de propagação da força teria que ser infinita. Em sua Teoria da Relatividade Especial, contudo, Einstein previu que nada viaja em velocidades superiores à da luz. A gravidade teria que se propagar através das ondas gravitacionais.

Por interagirem muito fracamente com a matéria, essas ondas são difíceis de detectar. A comprovação de que elas existiam foi feita em 1974 por Russell Hulse e Joseph Taylor, ao notarem que a órbita de duas estrelas de nêutrons, que giravam uma ao redor da outra, estava diminuindo. O sistema estava perdendo energia, que era liberada na forma de ondas gravitacionais.

Atualmente, grandes experimentos, como o Virgo, na Itália, e o LIGO, nos Estados Unidos, tentam fazer a detecção direta dessas ondas. Como elas causam uma perturbação no espaço ao se propagar, é possível notar seu efeito em um sistema preciso de lasers e espelhos – a onda alteraria a distância entre os espelhos, em cerca de um milionésimo de um bilionésimo de metro, e o tempo para o laser completar o circuito mudaria.

“A detecção direta de ondas gravitacionais seria importante por diversos motivos”, diz Riccardo Sturani, pesquisador do ICTP-SAIFR e membro da colaboração LIGO. “Poderíamos ver corpos que não emitem luz, mas que emitem ondas gravitacionais, e poderíamos comparar as ondas observadas com as previstas pela Relatividade Geral para verificar se a teoria está realmente correta”.

Relatividade Especial e Relatividade Geral

A Teoria da Relatividade Especial foi formulada por Einstein e outros pesquisadores em 1905 e revolucionou a Física por mudar a forma como vemos o tempo e o espaço.

“Na física Newtoniana esses conceitos eram absolutos”, diz o físico Alberto Saa, da Unicamp. “Ou seja, independentemente de você estar parado ou em movimento, o tempo passa de forma igual e o espaço é o mesmo. Já a Relatividade Especial, como o próprio nome diz, mostrou que o tempo e o espaço são relativos – eles dependem do observador e de sua velocidade. Quanto mais alta a velocidade de um corpo, mais devagar o tempo passará para ele, e mais o espaço se contrairá à sua frente”.

Depois, com Teoria da Relatividade Geral, a gravidade deixou de ser vista como uma interação entre corpos e passou a ser vista como uma deformação no espaço-tempo. A massa de um corpo é responsável por causar uma curvatura que afeta o movimento de outros corpos, atraindo-os para perto de si. Quanto maior a massa, maior a deformação.

Além disso, para Newton, a força gravitacional não influenciava a luz. Já para Einstein, massa e energia são equivalentes – como diz sua famosa equação, energia é igual a massa multiplicada pela velocidade da luz ao quadrado, ou E = mc². Assim, a trajetória de um feixe de luz pode ser alterada pela gravidade.

Uma importante aplicação dessas teorias está nos Global Positioning Systems, os GPSs. Como os satélites que estão em órbita da Terra estão sujeitos a uma força gravitacional diferente da nossa, a teoria de Einstein prevê que seus relógios andariam mais rápido. Quando o primeiro satélite de GPS foi colocado em órbita, o fenômeno foi comprovado experimentalmente. Sem os ajustes que a teoria propõe, o GPS não funcionaria.

Outras teorias

A Relatividade Geral explica fenômenos de escalas macroscópicas, porém não se sabe como aplicá-la em escalas subatômicas. Para estudar esses fenômenos, a Mecânica Quântica é usada. A conciliação entre as duas é um grande desafio para a Física, e algumas teorias, formuladas ao longo do último século, caminham nessa direção.

A Gravitação Teleparalela, ou Teleparalelismo, é uma delas. Criada na década de 50, ela descreve a gravitação através da torção do universo, e não através da curvatura, como a Relatividade Geral. O Teleparalelismo se encaixa dentro do esquema das Teoria de Gauge, que explicam, por relações de simetria, as demais interações da natureza – a eletromagnética, a Força Fraca e a Força Forte.

“Uma das principais características do teleparalelismo é que, diferente da Relatividade Geral, ele permite separar a gravitação de efeitos inerciais”, diz José Geraldo Pereira, pesquisador do IFT/Unesp que, junto com Ruben Aldrovandi, contribuiu para a consolidação da teoria e escreveu o primeiro livro dedicado exclusivamente a ela, Teleparallel Gravity: An Introduction, publicado em 2012. “Podemos, assim, definir inequivocamente a energia do campo gravitacional, o que é impossível com a Relatividade Geral. O teleparalelismo também parece ser mais apropriado para estudar fenômenos gravitacionais na escala quântica”.

A Teoria das Cordas também é bastante estudada e tenta complementar a Relatividade Geral para explicar a gravitação na escala quântica. Elaborada na década de 70, ela também é baseada em simetrias e prevê que as partículas são espécies de cordas unidimensionais que estão em constante vibração.

“Atualmente, a Teoria das Cordas é o modelo mais bem aceito para unir a Relatividade Geral com a Mecânica Quântica”, diz Nathan Berkovits, diretor do ICTP-SAIFR e pesquisador do IFT/Unesp. “Com ela conseguimos prever o espalhamento de ondas gravitacionais, incluindo os efeitos quânticos”.

Para Dodelson, a unificação das teorias é um problema teórico, pois não há observações que exijam que elas sejam conciliadas. O pesquisador acredita que ao longo da próxima década, com experimentos em escalas maiores, obteremos mais dados e alguns modelos serão eliminados. A busca por uma “teoria de tudo” continuará.

“Um grande triunfo da Física é sua habilidade de explicar uma abrangente gama de fenômenos com algumas poucas leis”, diz ele. “Esse reducionismo atingiria o seu limite se todas as leis pudessem ser unificadas em uma única teoria. O problema é que, na maioria dos casos, a unificação de ideias é difícil, quando não é impossível, de se testar”.

*Texto publicado na revista Unesp Ciência, número 62, abril/2015. Veja a versão em PDF clicando aqui.

Acordos com centros de pesquisa em física teórica de Madrid e Paris promoverão intercâmbio de alunos e professores e organização de eventos

O ICTP-SAIFR assinou, em março, dois novos acordos internacionais que irão facilitar e promover colaborações com o Institut de Physique Théorique (IPhT) CEA-­Saclay, de Paris, e o Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, de Madrid. As parcerias encorajarão o intercâmbio de alunos de doutorado, pós-doutorado e professores entre os centros de pesquisa, e a organização de cursos e workshops em áreas de comum interesse. Os acordos têm uma duração inicial de dois anos, mas há a possibilidade de renovação por um período de mais dois anos.

Intercâmbio e eventos

Um dos principais aspectos das parcerias é a promoção de intercâmbios, com o objetivo de estimular a criação de vínculos e colaborações internacionais entre alunos e pesquisadores desses institutos.

Entre as áreas de pesquisa de maior interesse do IPhT, destacam-se física de altas energias, física matemática, matéria condensada, gravidade quântica e teoria das cordas. Já o instituto espanhol se concentra mais em áreas como cosmologia e astrofísica.

Além dos intercâmbios, as parcerias também estimularão professores de todos os centros de pesquisa a proporem e organizarem projetos de pesquisa e eventos em conjunto, como workshops e cursos. Para isso, cada instituto terá um coordenador que irá receber as propostas e julgá-las.

Para saber mais, os acordos, e todas as informações sobre eles, podem ser acessados no site do ICTP-SAIFR.

Outros acordos

O ICTP-SAIFR também renovou recentemente acordos com o CERN e o Perimeter Institute, do Canadá.

A parceria com o CERN, que abriga o LHC – atualmente o maior acelerador de partículas do mundo -, estimulará colaborações na área de Física de Partículas e promoverá intercâmbios com o centro de pesquisa da Suiça.  Já a parceria com o Perimeter Institute, que proporcionou eventos no ICTP-SAIFR como o “Programa em Integrabilidade, holografia e o Conformal Bootstrap” e um minicurso sobre Teoria Quântica de Campos, encorajará pesquisas na área de Teoria de Campos.

O ICTP-SAIFR ainda possui acordos em andamento com outros grandes centros de pesquisa em física teórica do mundo. Entre eles, além do ICTP-Trieste, se destacam o Fermilab, em Chicago – maior centro de pesquisa em Física de Partículas do continente, com o qual o ICTP-SAIFR realizará um curso sobre neutrinos em agosto desse ano – e o NORDITA (Instituto de Física Teórica Nórdico), que tem sede na Suécia e faz pesquisas em diversas áreas, como astrofísica, matéria condensada e física de altas energias.

George Rawitscher, da Universidade de Connecticut, está ministrando um curso sobre esses métodos computacionais para a solução numérica de equações complexas

Métodos numéricos espectrais são o tema de um curso de um mês de duração que está sendo realizado pelo ICTP-SAIFR e ministrado por George Rawitscher, da Universidade de Connecticut. As aulas, que começaram dia 18 de março e vão até 15 de abril, são abertas a todos os interessados e tem como principal objetivo divulgar e ensinar esses métodos computacionais de resolver equações complexas, que embora criados na década de 70, ainda não são muito conhecidos e utilizados pela comunidade científica.

“Estou muito feliz com essa oportunidade de falar sobre métodos numéricos espectrais aqui no Brasil”, diz Rawitscher, que tem uma conexão especial com o país por ter feito sua graduação na Universidade de São Paulo (USP). “Eles são mais precisos e mais rápidos que outros geralmente utilizados, como os métodos numéricos à diferença finita e a elementos finitos”.

O curso abordará as principais propriedades dos métodos espectrais e várias de suas aplicações, com ênfase na resolução da equação de Schroedinger para problemas de uma dimensão.

Precisão

A principal diferença e vantagem dos métodos espectrais é sua precisão.

Para resolver equações diferenciais ou integrais, por exemplo, os métodos computacionais fazem aproximações, pois precisam transformar um espaço contínuo, com infinitos pontos, em um espaço discreto, com um número finito de pontos. Os métodos de diferença finita e elementos finitos precisam levar em consideração um número muito maior de pontos desse espaço para terem a mesma exatidão dos métodos espectrais.

Métodos espectrais podem ser utilizados para obter uma função de onda a partir do cálculo de sua amplitude e de sua fase.

A cada cálculo, devido à precisão de apenas 8 casas decimais da maior parte dos computadores, surgem erros de arredondamento, que vão se acumulando. Métodos espectrais diminuem esses erros e conseguem obter um resultado bem mais preciso. A principal desvantagem do método é o fato de ser mais complexo e mais difícil de ser ensinado aos alunos.

“Métodos espectrais não usam matrizes esparsas, como os demais”, diz Rawitscher. “As matrizes desse método são não-esparsas, e por isso eles requerem um maior conhecimento sobre matemática para serem dominados. Entretanto, além de serem mais precisos, esses métodos podem ser também mais rápidos. Para obter um resultado com uma precisão semelhante, os métodos espectrais podem ser até 20 vezes mais rápidos”.

Aplicações

O curso de Rawitscher focará principalmente nas aplicações dos métodos espectrais na área de Física, especialmente para resolver a equação de Schroedinger para problemas de uma dimensão. Entretanto, esses métodos podem ter diversas outras aplicações. Ainda dentro da Física, ele pode ser usado na resolução de problemas quânticos que buscam estudar as interações entre átomos que estão distantes entre si.

Já um exemplo de aplicação fora da Física está na área de Geologia: os métodos espectrais podem ser usados para calcular como ondas que causam terremotos se propagam pela Terra. Na Medicina, segundo Rawitscher, os métodos também podem ser usados na análise de dados de exames de tomografia.

“Métodos de diferença finita e elementos finitos são bons, mas foram superados pelos métodos espectrais”, afirma Rawitscher. “Gostaria de popularizar esses métodos na comunidade científica, e esse curso é uma oportunidade para isso”.

Eventos discutiram o processo de enovelamento de proteínas e como essas moléculas interagem entre si e com o ambiente ao seu redor

Entre os dias 8 e 13 de março, o ICTP-SAIFR realizou dois eventos dedicados à Biofísica. A área usa ferramentas da física para entender fenômenos biológicos e também se baseia em problemas da biologia para desenvolver ideias de Física. A semana contou com um minicurso de José Nelson Onuchic, pesquisador da Rice University e co-diretor do Center for Theoretical Biological Physics – instituição apoiada pela National Science Foundation, dos Estados Unidos – e com a Escola de Biofísica em Interação de Proteínas.

“É a primeira vez que temos no Brasil um evento, no formato de Escola, dedicado à essa área”, diz Fernando Luís Barroso da Silva, pesquisador da USP e um dos organizadores da Escola. “A Biofísica ganha cada vez mais importância no mundo, mas no Brasil ainda é incipiente, com poucos grupos de pesquisa. Por isso, eventos como esse são importantes para incentivar o desenvolvimento da área no país e estimular colaborações”.

Os cursos tiveram um aspecto bastante interdisciplinar. Os alunos eram provenientes de diversas áreas e níveis de formação: desde biólogos e farmacêuticos até físicos e desde alunos de graduação até doutores. Marcelo Poleto, por exemplo, é formado em bioquímica e faz mestrado na Universidade Federal do Rio Grande do Sul na área de Biologia Celular e Molecular.

“Durante a Escola tivemos a oportunidade de discutir em detalhes essa área, tanto em grupos de alunos como com professores já experientes”, diz ele. “Espero que o evento tenha outras edições”.

Proteínas

Como uma espécie de introdução à Escola, José Nelson Onuchic ministrou um pequeno curso sobre Biofísica no dia 8 de março. Entre os principais temas abordados por ele estavam a predição de estruturas e sistemas dinâmicos de proteínas: como funcionam as máquinas moleculares dentro de nossas células?

Desde a metade do século passado, sabemos que o DNA codifica proteínas, que são formadas por cadeias de aminoácidos. As proteínas podem ser encontradas em formas não-funcionais e funcionais. Para se tornarem funcionais precisam assumir uma estrutura tridimensional – processo chamado de enovelamento. Com simulações feitas em computador e experimentos em laboratório, Onuchic tenta prever a estrutura que uma proteína terá baseado em uma sequência inicial de aminoácidos e também entender como proteínas assumem essa estrutura 3D.

Processo de enovelamento (Crédito: G. Bowman, V. Voelz, e V. S. Pande)

“Quando temos cadeias de aminoácidos em condições fisiológicas ideais, eles conseguem formar uma proteína enovelada”, diz o pesquisador. “Queremos entender melhor como ocorre o processo de enovelamento e como funciona a produção de proteínas a partir do DNA”.

Estudos nessa área podem contribuir para uma melhor compreensão das bases moleculares de doenças como Alzheimer e Parkinson, e eventualmente levar à produção de novos fármacos mais eficientes. Além disso, a Biofísica é aplicada também na indústria de alimentos.

“Para fazer com que um chocolate tenha um aroma ou sabor de outro alimento, como laranja, por exemplo, é usada uma técnica chamada de microencapsulamento, desenvolvida em laboratórios de Biofísica”, conta Barroso.

Interações com o ambiente e estudo com o vírus Influenza

Como as proteínas estão imersas dentro de nossas células, para entender sua interação com o ambiente é fundamental entender sua interação com a água. Esse foi um dos temas abordados por Roland Netz, pesquisador da Freie Universität Berlin, da Alemanha, e um dos organizadores da Escola.

Netz busca entender não apenas como proteínas interagem com água, mas também a interação de membranas celulares com o ambiente extracelular. No início desse ano, o pesquisador colaborou com um trabalho que pode, a longo prazo, resultar em uma nova droga capaz de prevenir infecções do vírus da gripe.

 “Estamos tentando desenvolver uma molécula que se ligue na superfície do vírus Influenza, causador de gripes, para evitar que ele se ligue em células do nosso corpo e cause uma infecção”, diz ele. “Nos próximos anos, serão realizados novos projetos e testes para, por exemplo, verificar a toxicidade dessa molécula”.

Na foto, da esquerda para direita, vemos Rogério Rosenfeld (vice-diretor do ICTP-SAIFR), Anderson Seigo Misobuchi, Caique Meira Ronqui, Rodrigo Voivodic, Rodrigo Andrade e Silva e Nathan Berkovits (diretor do ICTP-SAIFR).

O prêmio IFT/ICTP para Jovens Físicos 2014 foi entregue no dia 9 de março em cerimônia realizada no auditório do instituto. A competição premia os 5 melhores colocados em uma prova de física, elaborada por pesquisadores do IFT, que aborda temas como mecânica clássica, mecânica quântica, mecânica estatística e termodinâmica, eletromagnetismo, relatividade especial e física matemática. O teste foi realizado em novembro de 2014 e contou com a inscrição de 61 alunos de idade igual ou inferior a 21 anos.

“Em minha iniciação científica, trabalhei com temas de relatividade geral e gravitação quântica“, diz Rodrigo Andrade e Silva, aluno de física da USP – São Carlos e primeiro lugar do prêmio. Rodrigo fez 49,5 pontos de um total de 60 e teve a maior nota de todas as edições da competição. “Pretendo continuar estudando esses temas no mestrado e seguir carreira acadêmica“.

Já Rodrigo Voivodic, aluno da USP – São Paulo e segundo lugar do Prêmio em dois anos consecutivos, se interessa pela área de Cosmologia. “Também pretendo trabalhar com gravitação quântica no mestrado e continuar na área acadêmica”.

Os demais vencedores dessa edição foram: Guilherme Andretta Faustino (Unicamp), Caique Meira Ronqui (USP – São Paulo) e Anderson Seigo Misobuchi (USP -São Paulo).

O Prêmio IFT/ICTP para Jovens Físicos é realizado todos os anos pela Unesp e incentiva alunos de graduação e pós-graduação a seguirem estudando e pesquisando em áreas de física. Mais informações podem ser encontradas no site do ICTP.