Resumo:
Uma equipe de físicos da Northwestern University fez recentemente um grande avanço no campo de experimentos de física de partículas. Pela primeira vez, a contraparte de antimatéria do electrão, o pósitron, foi guiada com sucesso e controlada de forma estável num estado quântico preciso, e suspensa e aprisionada num ambiente de vácuo extremo próximo do zero absoluto durante vários meses. O resultado desta pesquisa, publicado na Physical Review Letters, construiu o primeiro "cíclotron quântico de pósitrons único" do mundo e abriu um novo caminho experimental para a humanidade explorar o mistério da retenção de matéria no universo.
Na física moderna, embora o Modelo Padrão descreva partículas elementares e três das quatro forças básicas em interação com uma precisão extremamente elevada, nunca foi capaz de responder a um enigma central: de acordo com deduções teóricas, o Big Bang deveria ter produzido quantidades iguais de matéria e antimatéria. Quando os dois se encontrarem, serão instantaneamente aniquilados e reduzidos a nada. No entanto, na realidade, o universo observável é quase inteiramente composto de matéria positiva, e estrelas, planetas e até humanos podem sobreviver. Gerald Gabrielse, líder da pesquisa, disse que isso mostra que o modelo padrão existente ainda apresenta falhas importantes ou está incompleto. A equipe de pesquisa científica espera encontrar avanços na teoria existente através do exame ultrapreciso dos sistemas de partículas mais básicos.
Como a antimatéria será aniquilada imediatamente ao entrar em contato com a parede de um recipiente de matéria convencional, é extremamente difícil preservá-la por muito tempo. A equipe de pesquisa obteve primeiro pósitrons de alta energia do decaimento radioativo do raro isótopo sódio-22, desacelerou-os bastante e introduziu-os em uma armadilha eletromagnética especialmente projetada. Eles usaram campos elétricos e magnéticos especiais para suspendê-los e isolá-los em um ambiente de vácuo quase perfeito, isolando-os completamente do contato com a matéria comum do mundo exterior. Ao mesmo tempo, os cientistas mantiveram um ambiente de temperatura ultrabaixa de cerca de 300 milikelvin dentro da armadilha, que é apenas 0,3 graus Celsius acima do zero absoluto, e resfriaram com sucesso os pósitrons em movimento de alta velocidade até o estado fundamental quântico mais baixo, tornando-os obedientemente estacionários como átomos artificiais e mostrando níveis claros de energia quântica. Com base nisso, a equipe usou micro-ondas sintonizadas para injetar uma pequena quantidade de energia para desencadear e observar com precisão a transição de pósitrons entre diferentes estados quânticos.
Anteriormente, a equipe de Gabriels havia usado um "cíclotron quântico de elétron único" para medir o momento magnético dos elétrons (uma quantidade física que mede a força da interação entre partículas e campos magnéticos) com uma precisão surpreendente de uma parte em dez trilhões. Depois de estender com sucesso o mesmo nível de tecnologia de manipulação quântica a uma única partícula de antimatéria, o próximo objetivo da equipe é medir o momento magnético do pósitron com a mesma precisão. De acordo com as previsões atuais da teoria da física, os momentos magnéticos dos elétrons e dos pósitrons deveriam ser exatamente iguais em magnitude e opostos em direção. Gabriels apontou que mesmo uma diferença extremamente pequena nos valores do momento magnético entre os dois for encontrada em comparações de precisão subsequentes, isso abalará diretamente a base do Modelo Padrão. Espera-se que não apenas revele o mecanismo profundo do desequilíbrio entre matéria e antimatéria no universo, mas também se torne a descoberta científica mais significativa da física no século passado.
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