Antimatéria não cai para cima, respondendo à gravidade como a matéria

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/01/2022

Esta é armadilha de Penning, a garrafa onde a antimatéria fica guardada.
[Imagem: CERN]

Antimatéria e gravidade

Os átomos que compõem a matéria normal caem, puxados pela gravidade. Então, será que os átomos de antimatéria vão cair para cima?

Parece que não, pelo menos dentro da incerteza do experimento BASE, sigla em inglês para Experimento da Simetria Bárion-Antibárion, coordenado por físicos do Instituto Riken (Japão) e do CERN (Suíça).

O experimento fez a comparação da razão carga-massa para o próton e o antipróton com a maior precisão já obtida até hoje, e concluiu que matéria e antimatéria respondem à força da gravidade da mesma forma.

O experimento é parte de um esforço para tentar mesclar a Teoria da Relatividade, que explica a força da gravidade como a curvatura do espaço-tempo gerada por estruturas cósmicas massivas, e a Mecânica Quântica, que explica o comportamento das partículas em escala atômica.

A propósito, o termo "bárions", que compõe o nome do experimento, refere-se às partículas de massa elevada (bárion é a palavra grega para pesado), como prótons e os nêutrons, que compõem a maior parte da massa da matéria visível no Universo.

Assimetria matéria-antimatéria

Matéria e antimatéria estão na base de alguns dos problemas mais interessantes da Física. Elas são essencialmente equivalentes, exceto que, enquanto uma partícula tem uma carga positiva, sua antipartícula tem uma carga negativa. Em outros aspectos, elas parecem equivalentes.

No entanto, o Universo parece feito inteiramente de matéria, com pouquíssima antimatéria, um problema que os físicos chamam de "assimetria bárion". Naturalmente, cientistas de todo o mundo estão se esforçando para encontrar algo diferente entre as duas, o que poderia explicar por que nós e todo o Universo existimos, sem termos sido aniquilados conforme o Big Bang criava quantidades idênticas de matéria e de antimatéria.

Como parte dessa busca, os físicos exploraram se matéria e antimatéria interagem de maneira semelhante com a gravidade, ou se a antimatéria experimentaria a gravidade de uma maneira diferente da matéria - "caindo para cima", por assim dizer - o que violaria o princípio de equivalência fraca de Einstein.

Agora, a colaboração BASE mostrou que, dentro de limites bastante estritos, a antimatéria na verdade responde à gravidade da mesma maneira que a matéria.

Visão total do experimento BASE: As armadilhas de matéria e antimatéria ficam dentro dos cilindros vermelhos.
[Imagem: CERN]

Comparação da matéria com a antimatéria

O trabalho envolveu 18 meses de observações na fábrica de antimatéria do CERN. Para fazer as medições, a equipe confinou antiprótons e íons de hidrogênio com carga negativa, que eles usaram como substitutos dos prótons, em uma armadilha de Penning, uma espécie de garrafa para guardar antimatéria - nesse dispositivo, uma partícula segue uma trajetória cíclica com uma frequência, próxima à frequência do cíclotron, que escala com a força do campo magnético da armadilha e a relação carga-massa da partícula.

Ao injetar antiprótons e íons de hidrogênio negativamente carregados na armadilha, um de cada vez, é possível medir, em condições idênticas, as frequências do cíclotron dos dois tipos de partículas, comparando suas razões carga-massa.

"Ao fazer isso, fomos capazes de obter um resultado que eles são essencialmente equivalentes, em um grau quatro vezes mais preciso do que as medidas anteriores. Para este nível de invariância CPT [carga-paridade-tempo], causalidade e localidade são válidas nas teorias de campo quântico relativístico do Modelo Padrão," disse Stefan Ulmer, líder do projeto.

Princípio da Equivalência Fraca

As medições serviram para testar uma lei fundamental da física, conhecida como Princípio da Equivalência Fraca. De acordo com este princípio, corpos diferentes no mesmo campo gravitacional deveriam sofrer a mesma aceleração na ausência de forças de atrito. Como o experimento BASE foi colocado na superfície da Terra, qualquer diferença entre a interação gravitacional de prótons e antiprótons resultaria em uma diferença entre as frequências de cíclotron.

Ao amostrar o campo gravitacional da Terra enquanto o planeta orbitava o Sol, os físicos concluíram que a matéria e a antimatéria responderam à gravidade da mesma forma até um grau de três partes em 100, o que significa que a aceleração gravitacional da matéria e da antimatéria são idênticas dentro de 97% da aceleração experimentada.

"A precisão de 3% da interação gravitacional obtida neste estudo é comparável à meta de precisão da interação gravitacional entre a antimatéria e a matéria que outros grupos de pesquisa planejam medir usando átomos anti-hidrogênio em queda livre. Se os resultados do nosso estudo forem diferentes daqueles dos outros grupos, isso pode levar ao surgimento de uma física completamente nova," comentou Ulmer.

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