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Junior physicist from CASUS and SAIFR recognized for his work in statistical physics to better understand the dynamics of complex living systems

Credit: Courtesy of CSS

Physicist Dr. Ricardo Martínez-García is one of the two recipients of the 2023 Junior Scientific Award of the Complex Systems Society (CSS). The CSS grants this prize to young researchers who have achieved outstanding results in their pursuit to understand complex systems. The announcement was made on October 20 during the annual CSS conference, the world’s largest and most important international meeting for the complex systems research community. Martínez-García currently heads a Young Investigator Group at the Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) at Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR, both Germany) and is an associated researcher at the South American Institute for Fundamental Research in São Paulo (ICTP-SAIFR) and at the Institute for Theoretical Physics of São Paulo State University (IFT-UNESP, all Brazil).

What have vehicle traffic, the brain, human society and the microbiome in common? All these are examples of complex systems that are formed by many components interacting with each other in very intricate ways. As a result of these interactions, such systems often exhibit new emergent properties that are very different from the combined properties of the individual parts that constitute them. Research on complex systems builds bridges between traditional scientific domains.

This is also a distinct trait of Martínez-García’s work as he studies a variety of systems, from microbial communities, such as bacterial biofilms, to arid and semi-arid ecosystems like steppes. Across this variety of systems, his research has focused on understanding how different organisms, whether they are plant species in a steppe or bacteria in a biofilm, interact with each other and how these interactions impact the functioning of the system as a whole. By studying all these many examples using a complex-systems approach, Martínez-García’s research aims to understand to which extent different ecological systems are governed by a minimum set of rules, which will improve our ability to manipulate and hopefully conserve them.

Selection Committee highlights Martínez-García’s work on organizational dynamics

The Complex Systems Society promotes complex systems research since becoming an international society in 2006. Its Junior Scientific Award is aimed at recognizing excellent scientific record of young researchers within 10 years of the PhD defense. It is awarded once a year to a maximum of two young researchers. The decision is made by a Selection Committee appointed by the Executive Committee of the CSS. In its award statement, the Selection Committee referenced Martínez-García’s theoretical work on evolutionary, organizational, and ecological collective dynamics.

Martínez-García states his interest in complex ecological systems started because of his love for being outdoors and observing how things happen in nature: “When I learned in high school that it was possible to use physics and mathematics to understand the rules behind these natural phenomena I was passionate about, it became evident that I wanted to explore this interface more deeply.”

He also highlights how interactions with fellow scientists aided to shape his research program over the years: “One of the parts that I enjoy the most about my work is talking to people with different scientific backgrounds and learning how they think about questions and problems that I also find interesting.”

“A fantastic job”

The researcher adds that the award encourages him to continue working hard, a piece of advice he extends to students interested in choosing science as a profession – one that is as exciting as challenging: “It is very rewarding to see that your peers recognize the relevance of your work and consider it worth this recognition. I believe we very often focus too much on rejections and the downsides of pursuing a scientific career, even though it is, in general, a fantastic job.”

Martínez-García obtained his PhD in statistical Physics and Complex Systems at the Institute for Cross-Disciplinary Physics and Complex Systems (IFISC), a joint research center of the Spanish National Research Council (CSIC) and the University of the Balearic Islands (Spain). His thesis combined approaches from physics and computer sciences to investigate different ecological problems, such as animal movement and the emergence of regular vegetation patterns in drylands. He then received a Life Science Research Foundation fellowship to complete a postdoc in ecology and evolutionary biology at Princeton University (USA), where he investigated the interplay between the ecology, evolution and self-organized multicellularity of microbial communities. Before joining CASUS, Martínez-García worked at the ICTP-SAIFR based at the Institute for Theoretical Physics (IFT) of São Paulo State University (UNESP). There he was a FAPESP (São Paulo Research Foundation) Young Investigator and an Assistant Professor in the field of biological physics.

A second Junior Scientific Award went this year to Giulia Menichetti (Harvard Medical School & Brigham and Women’s Hospital, Boston, USA), who researches the full chemical complexity of the human diet and develops quantitative tools to unveil the impact of these chemicals on our health. Finally, the Selection Committee granted the Senior Award, the most prestigious recognition of the CSS, this year to Melanie Mitchell (Santa Fe Institute, USA) referring, among others, to her contributions to adaptive computation, biologically inspired computing and machine learning.

About the Center for Advanced Systems Understanding

CASUS was founded 2019 in Görlitz/Germany and pursues data-intensive interdisciplinary systems research in such diverse disciplines as earth system research, systems biology or materials research. The goal of CASUS is to create digital images of complex systems of unprecedented fidelity to reality with innovative methods from mathematics, theoretical systems research, simulations as well as data and computer science to give answers to urgent societal questions. The founding partners of CASUS are the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), the Helmholtz Centre for Environmental Research in Leipzig (UFZ), the Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics in Dresden (MPI-CBG), the Technical University of Dresden (TUD) and the University of Wrocław (UWr). CASUS, managed as an institute of the HZDR, is funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) and the Saxon State Ministry for Science, Culture and Tourism (SMWK). www.casus.science

About ICTP-SAIFR

The South American Institute for Fundamental Research (ICTP-SAIFR) is an international center created in the city of São Paulo (Brazil) through a collaboration between the International Centre for Theoretical Physics (ICTP) in Trieste (Italy), the Institute for Theoretical Physics (IFT) of São Paulo State University (UNESP), and the São Paulo state funding agency FAPESP. Its activities include research in Theoretical Physics and its applications, as well as training for postgraduate students. ICTP-SAIFR also promotes outreach actions with high school teachers and students and the general public. More information is available at ictp-saifr.org.

About IFT-UNESP

The Institute for Theoretical Physics (IFT) is a graduate physics department of São Paulo State University (UNESP) located in the center of São Paulo. IFT-UNESP was founded in 1951 as a private foundation and incorporated into UNESP in 1987. It has approximately 20 professors and 70 graduate students in physics, and has received the top score from the national funding agency since 2011.

Instituto Amigos do SAIFR (Friends of SAIFR Institute) is a non-profit association created in 2021 to receive donations to ICTP-SAIFR. The by-laws are available here in Portuguese and English and the board members of the association are:

Executive Board:

Nathan Berkovits (Director) and Rogério Rosenfeld (Vice-Director)

Fiscal Council: 

Matheus Lize, Gilberto Mautner and Pedro Vieira

Advisory Council:

Carlos Brito Cruz, Rodrigo Fiães, Peter Goddard, Fernando Quevedo, Alexandre Reily Rocha and Pedro Wongtschowski

O South American Dark Matter Workshop aproximou diferentes visões no estudo de um dos maiores mistérios da física.

O ICTP-SAIFR, localizado no prédio do Instituto de Física Teórica (IFT) da Unesp, organizou, entre os dias 10 e 12 de maio, o South American Dark Matter Workshop (Workshop Sul Americano em Matéria Escura). O objetivo foi trazer pesquisadores de ponta de diversas nacionalidades que estudam a matéria escura em diferentes ramos da física, estimular discussões, debates e compartilhamento de descobertas recentes.

A matéria escura é um dos grandes enigmas contemporâneos da física. Ela recebe esse nome por não emitir ou interagir com radiações eletromagnéticas, como a luz, e apesar de não ter sido observada diretamente, sua existência e suas propriedades foram inferidas a partir de seu efeito sobre a matéria visível. Como exemplo, é possível citar o trabalho de Vera Rubin e Kent Ford nos anos 70 com curvas de velocidade em galáxias em espiral, uma das evidências mais fortes e mais recentes da matéria escura. A hipótese mais aceita sobre sua composição diz que é formada por WIMPs (sigla em inglês para “weakly interacting massive particles”), que seriam partículas massivas que interagiriam apenas através da gravidade e potencialmente não fariam parte do modelo padrão das partículas (que prevê a existência de próton, nêutrons e outras partículas elementares).

Por ser um problema complexo, a matéria escura é estudada por diferentes ângulos. Enquanto as observações e evidências são puramente astrofísicas, as motivações são teóricas. Fabio Iocco, um dos organizadores do evento, disse ser essa uma das motivações do workshop: “Esses três dias nos permitiram aproximar todos os lados do problema, trazer especialistas experimentais, como os astrofísicos, que trabalham com observações diretas e indiretas, e os teóricos, como físicos de partículas, e os fenomenólogos, que unem essas duas visões.”

As observações diretas da matéria escura são objeto de grande esforço intelectual e interdisciplinar, existindo diferentes formas de tentar detectá-la. Uma delas, apresentada por Graciela Gelmini, da UCLA, são laboratórios subterrâneos que tentam detectar o efeito que WIMPs causam em núcleos atômicos ao passarem pela Terra. Esses efeitos, porém, são geralmente recuos de baixa energia no núcleo, e os detectores devem ser extremamente sensíveis. Para isso, é necessário reduzir a interferência de raios cósmicos, que atingem a Terra continuamente, e por isso esses experimentos são realizados a mais de um quilômetro abaixo do solo, geralmente em minas desativadas. Por exigirem altos investimentos, a maioria destes laboratórios está localizado no hemisfério norte, mas Gelmini apresentou em sua palestra e depois numa mesa redonda exclusiva para o assunto, a possibilidade de construção de um dos primeiros laboratórios deste tipo no hemisfério sul, o “Agua Negra Deep Experiment Site” (ANDES), localizado na cordilheira dos Andes, entre Chile e Argentina. “Isso vai nos ajudar muito na detecção, pois a interferência de raios cósmicos está diretamente relacionada à sazonalidade. E como as estações são inversas nos dois hemisférios, as observações do norte e do sul podem se complementar e corrigir anomalias causadas por interferências em observações na mesma época”, disse.

Já as observações indiretas procuram por sinais da interação ou decaimento de WIMPs no universo. Teoriza-se que em regiões de alta densidade de matéria escura, como o centro da nossa galáxia, duas partículas deste tipo poderiam se aniquilar ou decair, produzindo sinais inesperados, como raios gama ou partículas do modelo padrão. “Porém, para se encontrar o inesperado, é preciso saber muito bem o que é esperado”, comentou Iocco.

Outra vertente de busca de evidências da matéria escura são os experimentos com colisores de partículas, como o LHC. Como uma partícula de matéria escura deve ter interações insignificantes com a matéria visível normal, pode ser detectada indiretamente como grandes quantidades de energia e momento que escapam dos detectores, desde que sejam detectados outros produtos não negligenciáveis de colisão. Essas descobertas, porém, teriam de ser corroboradas pelas descobertas diretas ou indiretas para provar que são partículas de matéria escura. Por isso a importância de se unir os diferentes ramos que a estudam.

 Além disso, o evento também contou com a participação de estudantes, pesquisadores e professores interessados no tema, e a recepção foi positiva. “Foi muito bom entrar em contato com outras formas de pesquisa da matéria escura”, disse Gabriela Rodrigues, estudante de mestrado na Unicamp, que pesquisa a detecção direta de matéria escura através de WIMPS. “Me ajudou na minha própria pesquisa ver outros pontos de vista, outras teorias, e saber como podem se abrir mais portas para além do que eu estou fazendo.”

Workshop internacional discute os modelos matemáticos e aplicações da pesquisa em sólitons, homenageando Luiz Agostinho Ferreira e seu trabalho na área.

O professor Luiz Agostinho Ferreira durante sua palestra no workshop.

Entre os dias 17 e 20 de abril, o ICTP-SAIFR e o Instituto de Física Teórica (IFT) da Unesp sediaram um workshop internacional centrado no estudo dos sólitons, com enfoque nos temas de integrabilidade, dualidade e aplicações. A ideia, segundo Betti Hartmann, uma das principais organizadoras, surgiu de duas motivações diferentes. A primeira, homenagear o pesquisador Luiz Agostinho Ferreira em seu aniversário de sessenta anos, comemorado no dia 19. A segunda, localizar o Brasil no mapa da pesquisa em sólitons e mostrar que há estudos de ponta sendo realizados no país.

Sólitons são, basicamente, pacotes de ondas solitárias auto-reforçantes que conservam sua estrutura enquanto se propagam, devido a um cancelamento de efeitos não lineares no meio em que surgiram. A definição é ampla, já que ondas podem se formar em diferentes meios. Uma onda, tanto na água quano no espaço, por exemplo, podem ser consideradas sólitons, pois, à medida que se movem, mantém o mesmo formato. Assim, seu estudo tem importância em diferentes áreas, desde física teórica e cosmologia até biologia e medicina.

Para o evento, palestrantes brasileiros e internacionais, de diferentes universidades, formações e linhas de pesquisa, porém especialistas no tema, foram convidados para apresentar e compartilhar suas visões e resultados acerca das estruturas dos sólitons e as aplicações de seu estudo. Na cosmologia, eles podem ser usados para compreender os chamados defeitos topológicos, como as cordas cósmicas, imperfeições unidimensionais hipotéticas que podem ter se formado durante uma fase de transição de quebra de simetria no início do universo. Na biologia, estão presentes, por exemplo, no movimento de cargas dentro de uma proteína. “Mas tentamos, aqui, focar nas estruturas matemáticas e físicas destes objetos”, disse Hartmann.

Além disso, os participantes inscritos, em sua maioria alunos de pós-graduação, mas também pesquisadores e professores de diferentes universidades, fizeram apresentações orais curtas e participaram da sessão de apresentação de pôsteres.

Homenagem

Luiz Agostinho Fereira começou sua carreira na Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), onde se graduou em física no ano de 1978. Depois seguiu para um mestrado, também em física, no Instituto de Física Teórica da Unesp, onde produziu uma monografia acerca da energia de ponto zero do campo eletromagnético entre 1979 e 1980, sob a orientação de Abraham Zimmerman, autoridade no estudo de modelos integrados e teoria de campos. No ano seguinte, embarcava para o Reino Unido, onde desenvolveria seu doutorado em espaços simétricos não compactos e sólitons sob a orientação de David Olive na prestigiada Imperial College London, concluído em 1985. Ao retonar para terras brasileiras, realizou um pós-doutorado junto ao Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), localizado no Rio de Janeiro e depois foi contratado pelo IFT, em 1987, onde obteve sua livre-docência no ano de 1994, investigando as simetrias de modelos integráveis e as soluções sólitons. Permaneceu junto da Unesp até o ano de 2003, quando foi contratado como professor titular pelo Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (USP), onde permanece até hoje.

Em sua carreira docente, orientou seis teses de mestrado e quatro de doutorado, além de ministrar disciplinas de graduação e pós-graduação, e participar de cursos de extensão universitária, como o projeto de divulgação científica “Física ao Entardecer”. Como pesquisador, realizou diversas parcerias com países como Espanha, Japão e Reino Unido. Suas linhas de pesquisa giram em torno de modelos integráveis, sólitons e teorias de campo, onde fez importantes contribuições e é considerado uma das referências nestas áreas que, no Brasil, ainda são pouco estudadas.

No dia de seu aniversário, Ferreira foi convidado a apresentar uma palestra para o público especializado do workshop e do IFT acerca da auto-dualidade. Um assunto amplo na teoria de campos, versando sobre teorias de cargas topológicas, mas que apresentou com clareza, discutindo como cargas topológicas permitem o cálculo de soluções através de equações diferenciais de 1^o grau em vez de 2^o grau, como é mais comum ocorrer. Ao fim da palestra, apresentou os resultados de uma pesquisa de quatro anos, em que conseguiu desenvolver um modelo de skyrmion — tipo especial de sóliton estático — que possui um setor auto-dual (algo que nem o modelo proposto na década de 60 pelo próprio Skyrme apresentava). Sua fala gerou uma ampla discussão e troca de experiências entre pesquisadores de diferentes áreas, demonstrando que é nesse tipo de interação que a ciência acontece.