Uma experiência marcante no CERN pode ajudar a explicar porque é que a antimatéria parece ter sido perdida no início do Universo. Se você deixar cair a antimatéria, ela cai ou sobe? Numa experiência de laboratório única, os investigadores observaram agora a trajetória descendente de um único átomo de anti-hidrogénio, fornecendo uma resposta clara:A antimatéria cai para baixo.
Esta imagem mostra átomos de anti-hidrogénio caindo e aniquilando-se dentro de uma armadilha magnética que faz parte da experiência ALPHA-g do CERN, concebida para medir o efeito da gravidade na antimatéria. Fonte da imagem: Fundação Nacional de Ciência
Embora confirme a atração gravitacional da antimatéria e da matéria regular, esta descoberta também exclui a repulsão gravitacional como a razão pela qual a antimatéria está praticamente ausente no universo observável.
Pesquisadores da colaboração International Antihydrogen Laser Physics Facility (ALPHA) do CERN, na Suíça, publicaram suas descobertas hoje na revista Nature.
“O sucesso da colaboração ALPHA demonstra a importância do trabalho em equipe entre continentes e comunidades científicas”, disse Vyacheslav “Slava” Lukin, diretor do programa na Divisão de Física da National Science Foundation. "Compreender as propriedades da antimatéria não só nos ajuda a entender como o universo foi formado, mas também permite inovações sem precedentes - como a tomografia por emissão de pósitrons (PET), que salva muitas vidas ao aplicar nosso conhecimento sobre antimatéria para detectar tumores cancerígenos no corpo."
A colaboração Antihydrogen Laser Physics Facility (ALPHA) é um grupo internacional do CERN que usa átomos de anti-hidrogênio para compreender as simetrias fundamentais entre matéria e antimatéria. Pesquisadores anunciaram resultados inovadores de um experimento que visa compreender os efeitos da gravidade na antimatéria. Fonte da imagem: Fundação Nacional de Ciência
O indescritível gêmeo mutável da matéria
Com exceção dos motores de dobra alimentados por antimatéria e dos torpedos de fótons imaginados em Star Trek, a antimatéria é inteiramente real, mas misteriosamente escassa.
“A teoria geral da relatividade de Einstein afirma que a antimatéria deveria comportar-se exactamente como a matéria”, disse Jonathan Wurtele, físico de plasma da Universidade da Califórnia, Berkeley, e membro da colaboração ALPHA. "Muitas medições indiretas mostram que a gravidade interage com a antimatéria conforme esperado." "Mas até aos resultados de hoje, ninguém tinha feito observações diretas para descartar a possibilidade de o anti-hidrogénio estar a mover-se para cima no campo gravitacional em vez de para baixo."
Nossos corpos, a Terra e quase tudo no universo que os cientistas conhecem é esmagadoramente feito de matéria regular composta de prótons, nêutrons e elétrons, como átomos de oxigênio, carbono, ferro e outros elementos da tabela periódica.
A antimatéria, por outro lado, é irmã gêmea da matéria comum, embora com algumas propriedades opostas. Por exemplo, os antiprótons têm carga negativa, enquanto os prótons têm carga positiva. Os antielétrons (também chamados de pósitrons) têm carga positiva, enquanto os elétrons têm carga negativa.
Kevin M. Jones é gerente de projetos na Divisão de Física da National Science Foundation e professor emérito de física William Edward McElfresh no Williams College. Ele apresentou brevemente o que é antimatéria e o valor geral do estudo da antimatéria. Fonte: Fundação Nacional de Ciência
Talvez o maior desafio para os experimentadores, no entanto, “a antimatéria explode assim que entra em contacto com a matéria”, disse Joel Fajans, físico de plasma da Universidade da Califórnia, Berkeley, e membro da colaboração ALPHA.
A massa combinada de matéria e antimatéria é completamente convertida em energia numa reação tão intensa que os cientistas chamam de aniquilação.
Para uma determinada massa, esta aniquilação é a forma mais intensa de liberação de energia que conhecemos. No entanto, a quantidade de antimatéria utilizada na experiência ALPHA é tão pequena que apenas detectores sensíveis podem sentir a energia gerada pela aniquilação de antimatéria/matéria. Portanto, temos que manipular a antimatéria com muito cuidado ou a perderemos.
Imagem conceitual de átomos de anti-hidrogênio na armadilha magnética do dispositivo ALPHA-g. Quando a intensidade do campo magnético na parte superior e inferior da armadilha enfraquece, os átomos de anti-hidrogênio escapam, entram em contato com as paredes da armadilha e são aniquilados. A maior parte da aniquilação ocorre abaixo da câmara, sugerindo que a gravidade está puxando os átomos de anti-hidrogênio para baixo. As linhas rotativas do campo magnético na animação representam os efeitos invisíveis dos campos magnéticos nos átomos de anti-hidrogênio. Em experimentos reais, o campo magnético não gira. Fonte: Keyi "Onyx" Li/National Science Foundation
Lançando "bombas antimatéria""
“Em termos gerais, estamos produzindo antimatéria e fazendo um experimento do tipo da Torre Inclinada de Pisa”, disse Votel. Ele estava se referindo a um ancestral intelectual mais simples de seus experimentos – o experimento de Galileu no século XVI (talvez alegoricamente) que demonstrou que dois objetos de tamanho semelhante, mas com massas diferentes, caídos ao mesmo tempo, tinham a mesma aceleração gravitacional. "Colocamos a antimatéria em movimento e vemos se ela sobe ou desce."
No experimento ALPHA, o gás anti-hidrogênio está contido em uma câmara de vácuo cilíndrica alta com uma armadilha magnética variável chamada ALPHA-g. Os cientistas reduziram a intensidade dos campos magnéticos na parte superior e inferior da armadilha até que os átomos de anti-hidrogénio conseguissem escapar e os efeitos gravitacionais relativamente fracos se tornassem aparentes.
À medida que cada átomo de anti-hidrogénio escapa da armadilha magnética, atinge a parede da cavidade acima ou abaixo da armadilha e é aniquilado, permitindo aos cientistas detectá-lo e contá-lo.
Os pesquisadores repetiram o experimento uma dúzia de vezes, variando a intensidade do campo magnético na parte superior e inferior da armadilha para eliminar possíveis erros. Eles observaram que quando o campo magnético enfraquecido era precisamente equilibrado na parte superior e inferior, cerca de 80% dos átomos de anti-hidrogénio eram aniquilados por baixo da armadilha – um resultado consistente com a forma como as nuvens de hidrogénio comuns se comportam sob as mesmas condições.
Portanto, a gravidade faz com que os átomos de anti-hidrogênio caiam para baixo.
O mistério matéria/antimatéria
Embora não existam muitas fontes de antimatéria – como os pósitrons emitidos quando o potássio decai, e até mesmo a antimatéria nas bananas – os cientistas não veem muita antimatéria no universo. No entanto, as leis da física prevêem que a antimatéria deveria existir aproximadamente na mesma quantidade que a matéria comum. Os cientistas chamam esse enigma de problema do renascimento.
Uma explicação possível é que a antimatéria foi repelida gravitacionalmente pela matéria comum durante o Big Bang, mas as novas descobertas sugerem que esta teoria já não parece credível.
“Descartamos a possibilidade de que a antimatéria seja repelida gravitacionalmente em vez de atraída”, disse Votel. “Isso não significa que não haja diferença na atração gravitacional experimentada pela antimatéria”, acrescentou. Somente medições mais precisas podem comprovar isso.
Os pesquisadores da colaboração ALPHA continuarão a explorar a natureza do anti-hidrogênio. Além de melhorar as medições dos efeitos gravitacionais, eles estão usando a espectroscopia para estudar como o anti-hidrogênio interage com a radiação eletromagnética.
Seria revolucionário se o anti-hidrogénio fosse diferente do hidrogénio de alguma forma, porque as leis físicas da mecânica quântica e da gravidade dizem que o anti-hidrogénio deveria comportar-se da mesma maneira. No entanto, você só saberá se fizer o experimento.